【CN109672163A】一种电源保护钳位电路模块及钳位电路【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910173011.2(22)申请日 2019.03.07(71)申请人 上海华力微电子有限公司地址 201315 上海市浦东新区良腾路6号(72)发明人 浦珺慧 (74)专利代理机构 上海思微知识产权代理事务所(普通合伙) 31237代理人 郑星(51)Int.Cl.H02H 9/04(2006.01)
(54)发明名称一种电源保护钳位电路模块及钳位电路(57)摘要本发明公开了一种电源保护钳位电路模块及钳位电路，钳位电路模块中，电阻的自由端连接NET1，电阻与电容通过NET7与反相器的输入端相连，反相器的第一NMOS管的源极和衬底与电容的自由端通过NET4连接，反相器的输出端通过NET5连接第二NMOS管的栅极和衬底，反相器的PMOS管的源极和衬底连接NET2，第二NMOS管的源极、漏极一一对应对接NET3和NET6；钳位电路包括N个钳位电路模块，第1个钳位电路模块的NET1、NET2和NET3连接电源，前一钳位电路模块的NET4、NET5和NET6一一对应连接后一钳位电路模块的NET1、NET2和NET3，第N个钳位电路模块的NET4和NET6接地。本发明对大于器件正常工作电压的电源进行保护，保证具有高压电源的芯片的抗ESD能力，
且对芯片正常工作不产生任何影响。
权利要求书1页 说明书4页 附图3页CN 109672163 A2019.04.23
CN 109672163
A1.一种电源保护钳位电路模块，其特征在于，包括：由电阻和电容串接构成的RC延时电路、由PMOS管和第一NMOS管构成的反相器、以及由第二NMOS管构成的电流泄放电路，所述电阻的自由端连接有第一连接线，所述电阻与所述电容的公共交点通过第七连接线与所述反相器的输入端相连，所述反相器的第一NMOS管的源极和衬底与电容的自由端通过第四连接线连接，所述反相器的输出端通过第五连接线连接所述第二NMOS管的栅极和衬底，所述反相器的PMOS管的源极和衬底连接第二连接线，所述第二NMOS管的源极、漏极一一对应对接第三连接线和第六连接线。2.根据权利要求1所述的电源保护钳位电路模块，其特征在于，所述电容为第三NMOS管，所述第三NMOS管的栅极为电容的一端，所述第三NMOS管的源极和漏极短接后构成电容的自由端。3.根据权利要求1所述的电源保护钳位电路模块，其特征在于，所述反相器的第一NMOS管和PMOS管的栅极短接在一起作为所述反相器的输入端。4.根据权利要求1所述的电源保护钳位电路模块，其特征在于，所述反相器的第一NMOS管和PMOS管的漏极短接在一起作为所述反相器的输出端。5.根据权利要求1所述的电源保护钳位电路模块，其特征在于，所述反相器的PMOS管和第一NMOS管均为增强型晶体管。6.一种电源保护钳位电路，其特征在于，包括N个级联的根据权利要求1-5任意一项所述的钳位电路模块，第1个钳位电路模块的第一连接线、第二连接线和第三连接线连接电源，前1个钳位电路模块的第四连接线、第五连接线和第六连接线一一对应连接后1个钳位电路模块的第一连接线、第二连接线和第三连接线，第N个钳位电路模块的第四连接线和第六连接线接地，第N个钳位电路模块的第五连接线浮空，N大于等于2。7.根据权利要求6所述的电源保护钳位电路，其特征在于，(N-1)·Vn Vpwr小于栅氧层击穿电压。权 利 要 求 书1/1页 2CN 109672163 A
直流电源过电压过流保护电路
直流电源过电压、欠电压及过流保护电路
该保护电路在直流电源输入电压大于30V或小于18V或负载电
流超过35A时，晶闸管都将被触发导
通，致使断路器QF跳闸。图中，YR
为断路器QF的脱扣线圈；KI为过电
流继电器。
带过流保护的电动自行车无级调速电路
图中，RC为补偿网络，以改善电动机的力矩特性。具体数值由实验决定。
电路如图16-91所示。它适用于电动自行车或电动三轮车。调节电位器RP，可改变由555
时基集成电路A组成的方波发生器的方波占空比，达到调速的目的。Rs是过电流取样电
阻，当电动机过载时，Rs上的压降增大，使三极管VTz导通，触发双向晶闸管V导通，分
流了部分负载，从而保护了功率管VTi。
过流保护用电子保险的制作电路图
本电路适用于直流供电过流保护，如各种电池供电的场合。
如果负载电流超过预设值，该电子保险将断开直流负载。重置电路时，只需把电源关掉，然后再接通。该电路有两个联接点(A、B标记)，可以连接在负载的任意一边。
负载电流流过三极管T4、电阻R10和R11。A、B端的电压与负载电流成正比，大多数的电压分配在电阻上。 当电源刚刚接通时，全部电源电压加在保险上。三极管T2由R4的电流导通，其集电极的电流值由下式确定：VD4=VR7+0.6。因为D4上的电压(VD4)和R7上的电压(VR7)是恒定的，所以T2的集电极电流也是恒定。该三极管提供稳定的基极电流给T3，因而使其导通，接着又提供稳定的基极电流给T4。保险导电，负载有电流流过。当电源刚接通时，电容器C1提供一段延时，从而避免T1导电和保持T2断开。
保险上的电压(VAB)通常小于2V，具体值取决于负载电流。当负载电流增大时，该电压升高，并且在二极管D4导通时，达到分流部分T2的基极电流，T2的集电极电流因而受到限制。由此，保险上的电压进一步增大，直到大约4.5V，齐纳二极管D1击穿，使T1导通，T2便截止，这使得T3和T4也截止，此时保险上的电压增大，并且产生正反馈，使这些三极管保持截止状态。
一种过压欠压及延时保护的电源电路设计方案
一种过压欠压及延时保护的电源电路设计方案
设计一个过压欠压及延时保护的电源电路是为了保护负载设备免受过压和欠压的损害，并且延时操作以确保电源电路能在既定的时间后启动或停止。下面是一个相关的电源电路设计方案，将详细介绍其工作原理和设计细节。
1.过压保护：
过压保护的作用是防止电源输出电压超过设定的阈值。这可以通过一个比较器和一个可调电压参考源实现。具体实现步骤如下：
-将电压参考源接到比较器的一个输入端口，将电源输出电压接到比较器的另一个输入端口。
-设置比较器的阈值，如果输出电压超过该阈值，比较器的输出引脚将会产生高电平信号。
-将比较器的输出引脚连接到一个继电器或者晶体管开关，以便在超过阈值时断开电源电路。
2.欠压保护：
欠压保护的作用是防止电源输出电压低于设定的阈值。同样，该功能也可以通过一个比较器和一个可调电压参考源实现。具体实现步骤如下：
-将电压参考源接到比较器的一个输入端口，将电源输出电压接到比较器的另一个输入端口。
-设置比较器的阈值，如果输出电压低于该阈值，比较器的输出引脚将会产生低电平信号。 -将比较器的输出引脚连接到一个继电器或者晶体管开关，以便在低于阈值时断开电源电路。
3.延时启动：
延时启动的作用是在电源电路开启时延迟一段时间后再将电源输出连接到负载设备。这可以通过使用一个计时器和一个继电器或者晶体管开关实现。具体实现步骤如下：
-使用一个计时器芯片，例如555定时器，设置一个特定的时间。
-将计时器的输出引脚连接到一个继电器或者晶体管开关控制电源输出电路。
-当电源电路被启动后，计时器开始计时，当计时器达到预设时间后，继电器或者晶体管开关闭合，将电源输出连接到负载设备。
4.延时停止：
延时停止的作用是在电源电路停止时延迟一段时间后再切断负载设备的电源。同样，这可以通过使用一个计时器和一个继电器或者晶体管开关实现。
-使用一个计时器芯片，例如555定时器，设置一个特定的时间。
一种简单有效的限流保护电路设计
一种简单有效的限流保护电路设计
过流保护电路是电源产品中不可缺少的一个组成部分，根据其控制方法大致可以分为关断方式和限流方式。限流方式由于其具有电流下垂特性，故障解除后能自动恢复工作，因此，得到比较广泛的应用。 限流保护电路首先要有一个电流取样环节，目前，一般的做法是串联一个小电阻或者是用霍尔元件来获得电流信号。当取样电流比较小的时候，这两种取样方法都是可取的。但当取样电流比较大时，电阻取样会有较大的损耗，降低了变换器的效率，而霍尔元件取样其体积比较大，且价格昂贵，对整个电源的成本也是个问题。
基于以上考虑，本文提出一种简单有效的限流保护电路，克服了以上两种方式取样大电流时的缺点。它适用于正激、反激等各种变换器，而且成本也比较低。
1 限流保护电路工作原理
图1中虚线框外的电路是普通的峰值电流方式的PWM控制电路，利用电流互感器取样峰值电流。图中所示的PWM芯片是ST公司生产的L5991。虚线框内是本文所提出的限流保护电路。它利用峰值电流控制中的电流信号作为输入信号，通过一个由D1，R1，C1组成的峰值保持电路和由运放组成的PI环节得到一个误差信号，在变换器的输出电流超过限定值的时候，该误差信号就会控制PWM芯片的占空比，从而使输出电流保持在限定值。由于D2存在，当输出电流低于限流值时，该部分电路对占空比的控制不起作用。
图1 限流保护电路
下面以正激变换器为例，阐述限流保护电路的工作原理。
正激变换器如图2所示。设图1中A点电压为va，B点电压为vb，C点电压为vc，图2中流过开关管的电流为is，电感电流为iL，输出电流为io。电流取样变压器原边电流，即流过开关管的电流is。并作以下假定：
图2 正激变换器
1）二极管D1的导通压降是VD1并保持不变；
2）R1在实际电路中的作用是与C1组成RC吸收网络吸收尖峰，这里假定为零；
24V开关电源的几种保护电路
24V开关电源常用的几种保护电路
1.防浪涌软启动电路
24V开关电源的输入电路大都采用电容滤波型整流电路，在进线电源合闸瞬间，由于电容器上的初始电压为零，电容器充电瞬间会形成很大的浪涌电流，特别是大功率开关电源，采用容量较大的滤波电容器，使浪涌电流达100A以上。在电源接通瞬间如此大的浪涌电流，重者往往会导致输入熔断器烧断或合闸开关的触点烧坏，整流桥过流损坏；轻者也会使空气开关合不上闸。上述现象均会造成开关电源无法正常工作，为此几乎所有的开关电源都设置了防止流涌电流的软启动电路，以保证电源正常而可靠运行。
2.过压、欠压及过热保护电路
进线电源过压及欠压对开关电源造成的危害，主要表现在器件因承受的电压及电流应力超出正常使用的范围而损坏，同时因电气性能指标被破坏而不能满足要求。因此对输入电源的上限和下限要有所限制，为此采用过压、欠压保护以提高电源的可靠性和安全性。
温度是影响电源设备可靠性的最重要因素。根据有关资料分析表明，电子元器件温度每升高2℃，可靠性下降10％，温升50℃时的工作寿命只有温升25℃时的1/6，为了避免功率器件过热造成损坏，在开关电源中亦需要设置过热保护电路。
3.缺相保护电路 由于电网自身原因或电源输入接线不可靠，24V开关电源有时会出现缺相运行的情况，且掉相运行不易被及时发现。当电源处于缺相运行时，整流桥某一臂无电流，而其它臂会严重过流造成损坏，同时使逆变器工作出现异常，因此必须对缺相进行保护。检测电网缺相通常采用电流互感器或电子缺相检测电路。由于电流互感器检测成本高、体积大，故开关电源中一般采用电子缺相保护电路。图5是一个简单的电子缺相保护电路。三相平衡时，R1～R3结点H电位很低，光耦合输出近似为零电平。当缺相时，H点电位抬高，光耦输出高电平，经比较器进行比较，输出低电平，封锁驱动信号。比较器的基准可调，以便调节缺相动作阈值。该缺相保护适用于三相四线制，而不适用于三相三线制。电路稍加变动，亦可用高电平封锁PWM信号。
几款常用的保护电路
几款常用的保护电路
鉴于电源电路存在一些不稳定因素，而设计用来防止此类不稳定因素影响电路效果的回路称作保护电路。在各类电子产品中，保护电路比比皆是，例如：过流保护、过压保护、过热保护、空载保护、短路保护等等，本文就整理了一些常见的保护电路。
1、电机过热保护电路
生产中所用的自动车床、电热烘箱、球磨机等连续运转的机电设备，以及其它无人值守的设备， 因为电机过热或温控器失灵造成的事故时有发生，需要采取相应的保安措施。PTC热敏电阻过热保护电路能够方便、有效地预防上述事故的发生 。
下图是以电机过热保护为例，由PTC热敏电阻和施密特电路构成的控制电路。图中，RT1、RT2、RT3为三只特性一致的阶跃型PTC热敏电阻器，它们分别埋设在电机定子的绕组里。 正常情况下，PTC热敏电阻器处于常温状态，它们的总电阻值小于1KΩ。此时，V1截止，V2导通，继电器K得电吸合常开触点，电机由市电供电运转。
当电机因故障局部过热时，只要有一只PTC热敏电阻受热超过预设温度时，其阻值就会超过10KΩ以上。 于是V1导通、V2截止，VD2显示红色报警，K失电释放，电机停止运转，达到保护目的。
PTC热敏电阻的选型取决于电机的绝缘等级。通常按比电机绝缘等级相对应的极限温度低40℃左右的范围选择PTC热敏电阻的居里温度。例如，对于B1级绝缘的电机，其极限温度为130℃，应当选居里温度90℃的PTC热敏电阻。
2、逆变电源中的保护电路 逆变器经常需要进行电流转换,如果电路中的电流超出限定范围，将对电路和关键器件造成很大伤害，因此保护电路在逆变电源中就显得尤为重要。 （1）防反接保护电路如果逆变器没有防反接电路，在输入电池接反的情况下往往会造成灾难性的后果，轻则烧毁保险丝，重则烧毁大部分电路。在逆变器中防反接保护电路主要有三种：反并肖特基二极管组成的防反接保护电路，如下图所示。
交流电源短路保护电路
交流电源短路保护电路
交流电源短路保护电路是一种常用的电源保护电路，其主要作用是在电路发生短路时自动切断电路，保护电路和电源的安全。本文将阐述交流电源短路保护电路的原理、设计方法和实现步骤。
一、原理
在交流电路中，当电路出现短路时，电流会迅速增大，并且可能引起线路过载、烧毁器件等事故，因此必须采用保护电路保护电路和电源。交流电源短路保护电路的原理是通过电流保险丝或热敏电阻等元件来检测电路中的电流并自动切断电路。
二、设计方法
1.选择适当的保护元件
在设计交流电源短路保护电路时，需要选用适当的保护元件。常用的保护元件有电流保险丝、热敏电阻、电子断路器等。
电流保险丝是一种常用的保护元件，主要用于保护电路中的电源。其原理是通过在电路中增加一个保险丝，当电路中的电流达到保险丝的定额电流时，保险丝会断开电路，从而起到保护电路和电源的作用。在选择电流保险丝时，需要根据电路中的电流和额定电压来选取合适的保险丝。
热敏电阻也是一种常用的保护元件，其原理是通过在电路中增加一个热敏电阻，当电路中的电流增加时，热敏电阻会发热，温度升高，从而改变其电阻值。当电路中的电流超过热敏电阻的承受能力时，热敏电阻会自动切断电路。
电子断路器是一种集成电路，其主要作用是检测电路中的电流并自动切断电路，可以取代传统的电流保险丝和热敏电阻。
2.确定保护触发电流和动作时间
在设计交流电源短路保护电路时，还需要确定保护触发电流和动作时间，以保证电路在电流超过一定限制时能够及时切断电路。保护触发电流可以根据电路的负载情况和设计要求来确定，通常选择电路额定电流的1.5倍左右。动作时间也需要根据电路的需求来确定，一般为数百毫秒至数秒不等。
3.设计保护电路
在确定保护元件、保护触发电流和动作时间后，需要根据电路需求来设计保护电路。保护电路的设计需要考虑到以下几个方面： （1）检测电路中的电流，并将电流信号转换成能够触发保护电路的信号。
如何解决电源电路中的过压保护问题
如何解决电源电路中的过压保护问题
过压保护（Overvoltage Protection, OVP）是在电源电路中常见的一种保护机制，它的作用是确保电路中的电压不会超过设定的安全范围。在各种电子设备中，过压可能导致元器件的损坏甚至引发火灾等严重后果。因此，解决电源电路中的过压保护问题非常重要。本文将介绍如何有效解决电源电路中的过压保护问题，并提供一种常用的解决方案。
I. 过压保护的原理
过压保护是通过监测电源电路中的电压，当电压超过设定的阈值时，快速采取措施来保护电路免受过压的影响。常用的过压保护措施包括快速切断电源电路以及将电压调整到安全范围内。
II. 过压保护的实现方法
1. Zener二极管过压保护
Zener二极管是一种特殊的二极管，它具有可控的反向击穿电压。通过将Zener二极管连接在电源电路上，一旦电路中的电压超过Zener二极管的反向击穿电压，它将形成一个低阻抗通路，将过电压通过绕过其他元器件来保护电路。
2. TVS二极管过压保护
Transient Voltage Suppressor（TVS）二极管也是一种常见的过压保护元件。它在正常工作时具有很高的电阻，但当电压超过其工作范围时，它会迅速变为低电阻状态，将过压情况引导到地或其他低压区域，从而保护电路。
3. 过压保护芯片
过压保护芯片是一种集成了过压保护功能的专用芯片。它根据设定的过压阈值来监控电压，并在检测到过压时迅速触发保护机制。过压保护芯片通常具有多种保护功能，如过电流保护、过温保护等，能够全面保护电路。
III. 如何选择适合的过压保护方法
在选择适合的过压保护方法时，需要考虑以下几个因素：
1. 设备的工作电压范围：根据设备的工作电压范围选择合适的过压保护元件或芯片。
2. 过压保护速度：不同的过压保护方法具有不同的响应速度，需要根据设备的要求选择可能造成损坏的时间范围。
3. 外部环境：考虑设备所处的外部环境，如温度、湿度等因素，选择符合要求的过压保护元件。
交流电源欠压保护电路的设计
交流电源欠压保护电路的设计
交流电源欠压保护电路的设计主要包括以下几个方面：
1. 电源检测电路：该电路负责对输入交流电源的电压进行检测。可以采用电压比较器等元件或芯片来实现，当交流输入电压低于设定阈值时，该电路会输出一个低电平信号。
2. 触发电路：该电路负责接收电源检测电路输出的低电平信号，并根据需要进行触发操作。触发操作可以是关断输出负载、关闭电源开关等。可以采用继电器、晶体管等元件来实现。
3. 过压保护电路：该电路负责对输出负载进行过压保护。一般来说，交流电源欠压出现的情况往往伴随着输出负载电压的异常变化。因此，在交流电源欠压情况下，过压保护电路也应当起到相应的作用。
4. 过流保护电路：该电路负责对输出负载进行过流保护。在交流电源欠压情况下，由于输出负载电压异常，很容易导致输出负载电流大幅增加。因此，过流保护电路应当能够及时检测到过流情况，并触发相应的保护措施。
需要注意的是，电源欠压保护电路的设计应当结合具体应用的需求进行。不同的应用场景可能有不同的保护需求，因此设计时应当充分考虑实际情况，并综合考虑系统的稳定性、可靠性、安全性等因素。另外，设计时还应当注意选择适当的元件和线路布局，以确保保护电路的性能和可靠性。
ATX电源电路图解说明
ATX电源电路图解说明
2009年05月20日 星期三 21:28
一、滤波电路
1、 电磁干扰
电脑电源是把工频交流整流为直流，再通过开关变为高频交流，其后再整流为稳定直流的一种电源，这样就有工频电源的整流波形畸变产生的噪声与开关波形会产生大量的噪声，噪声在输入端泄漏出去就表现为辐射噪声和传导噪声，在输出端泄漏出去就表现为纹波。辐射噪声频率高于30MHZ，会传播到空间中；传导噪声频率在30MHZ以下，主要干扰音频设备，通过电源线传播到电网中。
外部噪声会进入到电网中的其它电子设备中影响电子设备的运行，而供给负载的电源产生的噪声也会泄漏到电源外部，因此，电脑电源必须有阻止这些噪声进出的功能。
在电脑电源的输入端，需要有由电容和电感构成的滤波器，用于抑制交流电产生的EMI。在电源的输出端，工频电源的整流波形畸变引起的噪声，以及开关工作波形产生的噪声呈现为纹波，因此在输出端也需要接入滤波器，用于抑制直流电产生的EMI。
2、 输入端第一道EMI滤波电路
第一道EMI滤波电容是由X电容（白盒子）、线圈型电感和两个Y电容构成的，用来抑制输入端的高频干扰，以及PWM自身产生的高频干扰对电网的污染。
3、第二道EMI滤波电路
为保证输入到整流电路中的电流的纯净，还需要进行第二道滤波。此滤波电路是由X电容、Y电容和变压器型电感组成。
4、高压滤波电路
高压整流滤波电路把220V的交流市电转换为300V的高压直流电压，一路输到开关电路，一路输到辅助电源电路。
高压滤波电容的容量对输出端的稳定性有很大影响，纹波输出的控制也是基于滤波电容的容量。纹波是与输出端呈现的输入频率及开关变换频率同步的分量，一般为输出电压的0.5%以内。
5、低压滤波电路
当高频噪声泄漏到负载侧时，可能使电脑配件产生故障，同时，高频噪声也会向空间辐射。低压端采用的直流线路EMI滤波器。
直流线路EMI滤波器比较复杂。电源的直流有5V、12V和3.3V电压，对于每路电压，都需要进行滤波。低压端通常有两个大的扼流线圈，其中稍大的对+ 5V和+12V进行滤波，稍小的对+3.3V进行滤波。另外，磐石355的低压大容量滤波电容和线圈型电感数目也较多，共有6个，5V、12V和3.3V 各使用2个滤波电容和1个线圈电感。这样设计可以取得非常好的滤波效果。如下图所示。
一种防雷击浪涌的开关电源电路设计
一种防雷击浪涌的开关电源电路设计
防雷击和浪涌是电路设计中必须要考虑的重要因素，它们可以对电气设备和电子元件造成严重的损害。下面将介绍一种针对防雷击和浪涌的开关电源电路设计。
开关电源是一种将交流电转换为稳定输出直流电的电源。在设计开关电源时，需要考虑输入端的防雷击和浪涌保护。
防雷击保护主要考虑雷电产生的高压瞬态脉冲对电路带来的损害。为了降低这种损害，可以采用以下措施：
1.使用射频滤波器：在输入端加入适当的射频滤波器可以减少高频噪声和干扰。这些滤波器可以阻止雷击电流进入电路，保护负载电路免受雷击的影响。
2.使用整流器和大容量电容：在输入端加入整流器和大容量电容可以对电路进行平滑滤波，减少电路中的纹波电流。这可以保护电路免受雷击电流的影响。
3.使用继电器：在输入端加入一个继电器可以在雷击发生时隔离电路。当雷击产生时，继电器可以迅速切断电源电路，保护电路免受雷击的影响。
在设计开关电源时，浪涌保护也是一个重要的考虑因素。浪涌是指短时间内大电流脉冲通过电路。为了防止浪涌对电路造成的损害，可以采取以下措施：
1.使用过电压保护器：过电压保护器可以检测并限制过电压的电流。当浪涌电流超过设定值时，过电压保护器会迅速切断电路，保护电路免受浪涌的影响。 2.使用过流保护器：过流保护器可以检测并限制过大的电流。当浪涌电流超过设定值时，过流保护器会迅速切断电路，保护电路免受浪涌的影响。
3.使用TVS二极管：TVS二极管可作为浪涌保护器，可以在系统发生浪涌时迅速反应并引导过电流。TVS二极管用作浪涌保护器时，在未触发时表现为开路状态，当瞬态电压超过其额定电压时，TVS二极管将变为低阻抗状态，并通过引导大电流来保护电路。
综上所述，防雷击浪涌保护开关电源电路设计需要综合考虑多个因素，包括射频滤波器、整流器和大容量电容、继电器、过电压保护器、过流保护器和TVS二极管等。这些措施可以有效地保护电路免受雷击和浪涌的影响。