电池保护电路的制作方法

本发明涉及一种保护电路，特别是用于保护汽车模块免受由电源带给该模块的瞬变的影响。

背景技术：

诸如电动助力转向之类的常规汽车电气系统从安装在车辆上的电池获取电能。在车辆维护期间，可能会意外地以相反极性安装电池。除非采取措施防止此类事件发生，否则相反的电池极性会导致从电池获取电能的电路发生灾难性故障。

汽车电源通常从电池提供相对较低的dc电压，通常为12v或24v或48v。但是，通常会发生非常高的电压瞬变，其可能超过此标称电压的十倍，例如当电感负载突然从电路上断开时。电池正极侧的-100v或更高的瞬变并不罕见，且可能高达-500v或更高。

已知提供一种用于电池与受保护的负载之间的连接的电池保护电路。在该电路的最简单的形式中，该电路可以包括串联连接在电池的正电源侧和受保护的负载之间的单个二极管。该二极管被定向成使得如果电池连接正确则电流能够流过该二极管。如果电池极性接反，则不会有电流流过二极管，因此负载将受到保护电路的保护。尽管这在许多情况下都能很好地起作用，但穿过二极管的电压降可能并非在所有情况下都是可接受的。二极管消耗的功率是正向压降和电流的乘积的函数，并且在电流较大的情况下，可能会存在不可接受的电能浪费，这会产生热量。

在浪费更少电能的更复杂的布置中，可以提供反向电池保护电路，该电路具有用于连接到电池的相应侧的两个输入节点、和用于连接到受保护的负载的相应侧的两个输出节点、以及选择性地将输入之一连接到输出之一的固态开关，从而当开关断开时，电流不会从电池流经受保护的负载。开关取代了简单布置的二极管。开关可包括一个n沟道mosfet，该n沟道mosfet连接到从负载到电池的负极侧的接地回路中。mosfet的栅极可能通过负载电阻器连接至电池的正极侧，以致在电池以正确极性连接时，正电压被施加至栅极，以使mosfet闭合并允许电流沿着回路流动。如果电池以错误的极性连接，则栅极电压将为负值，并且开关将处于断开状态，以阻止电流沿着接地回路流动。

为了防止在出现高瞬变电压时损坏mosfet，必须选择具有高漏源电压额定值的mosfet。这使mosfet变得昂贵，并且在使用过程中穿过mosfet的功率损耗也很高。

技术实现要素：

根据第一方面，本发明提供了一种电池保护电路，其具有两个输入节点和两个输出节点，所述输入节点分别连接到正电源线和负电源线或接地线，并且两个输出节点连接到负载的正极侧和负载的负极侧或接地回路侧，其中该电路包括固态开关，其被定向成使得当开关断开时电流不能从电池流经负载，并且其中该电路还包括与在电路的两个输入节点之间的二极管串联连接的至少一个电容器，以消除电路的正输入节点上出现的任何负瞬变电压，该电容器包括极化电容器，并且二极管被定向用于在正常使用情况下当连接到正电源线的输入节点处存在正电压时保护电容器。

开关的提供使得能够使电池和负载之间的电路断开，从而在进行反向电池连接时保护负载，同时与在两个输入节点之间的二极管串联的大容量极化电容器的提供可实现输入节点处存在的任何瞬变电压被显著消除，从而降低了可能施加到mosfet漏极源极的电压，并允许使用额定功率更低的开关。二极管可确保在正常使用期间，在正输入节点处存在正电压的情况下，极化电容器不会反向偏置，否则会损坏极化电容器。

开关可以设置在电路的接地回路中，这使得开关在断开时能够将负载的接地侧与电池的负极侧隔离开。

极化电容器可以包括电解电容器或超级电容器。

极化电容器可以包括串联连接的两个或更多个单独的极化电容器，或者理想地仅包括一个极化电容器。由于极化电容器对于它们提供的电容量而言与非极化电容器相比相对便宜，因此即使在成本极高的敏感电路(例如汽车应用中的反向电池保护)中也可以使用一个大电容器。

电路可以进一步包括与电容器并联连接的一个或多个另外的非极化电容器。这些可以是陶瓷电容器，例如多层陶瓷电容器。它们可能是金属薄膜电容器。由于这些电容器不被极化，因此无需任何串联二极管即可连接它们，因为它们不需要针对电池极性反接的任何保护。这些电容器的提供有利于消除输入节点上的波动，因为当电池连接正确或极性被接反时，这些电容器处于活动状态。

无论开关是断开还是闭合，每个电容器都可以始终连接到输入端子。

开关可以包括半导体mosfet，该半导体mosfet在接地线中与该开关的漏极和源极串联连接，并且栅极直接或间接连接至正输入节点。源极可以连接到接地回路输出节点，而漏极可以连接到接地回路输入节点。

mosfet可以包括n沟道mosfet。

备选地，开关可以包括连接在电路的正电源线中的p沟道mosfet，以将负载与正输入节点隔离，并由此与正电源线隔离。

一个或多个齐纳二极管可以串联连接在开关的栅极和源极之间，以钳制mosfet的栅极-源极电压。这确保了可以使用具有低栅极-源极电压限制的mosfet而没有损坏的风险。可以在mosfet的栅极和正输入节点之间串联设置附加电阻器，以限制流过齐纳管的电流。

电路可以与其中正输入节点连接到电池的正端子而负输入节点连接到电池的负端子的电路组合使用。为避免疑惑，在任一输入节点处出现的电压可以是正电压或负电压，在正常使用中，正输入节点出现电池的正电压，但不时出现例如在从电池上卸下电感负载时可能会发生的负瞬变电压。

附图说明

现在将仅通过实例并参考附图描述本发明的一个实施方式，其中：

图1示出了根据本发明的将负载连接至车辆中的电池的示例性电路。

具体实施方式

如图所示，反向电池保护电路将电池b连接到负载r2。这可能是汽车电路的一部分，在这种情况下，电池通常是12伏电池，充满电后在正极端子处的标称电压约为12-14伏。

电路具有两个输入节点1、2和两个输出节点3、4，这些输入节点连接到电池b的正极侧和电池的负极侧或接地侧。如图所示，在此实例中，这些直接连接到电池的相应正极端子和负极端子。当然，它们可能不直接连接到这些端子，因为电池可能位于车辆上的远处位置。如图所示，该实例中的负载是纯电阻性负载，但实际上它可能是电子控制单元或电动机驱动电路或某些其他设备。在该实例中，电池的负极侧接地。

电路包括固态n沟道mosfet开关m1，该开关选择性地将负输出节点4连接到负输入节点2，以形成从负载r2返回电池b的接地回路线路。在正常使用期间，电流从电池b流过反向电池保护电路，流过负载r2，然后通过接地回路流回电池b。这要求在正常使用期间闭合(接通)开关m1以完成接地回路线路。为了保护负载以免于电池的反极性连接，将电路配置为断开开关(关断)以断开接地回路线路并防止任何电流流向负载。

为了实现开关m1的所需操作，将开关m1的漏极和源极连接到接地回路线路，并且栅极的连接方式使得当电池连接正确时施加正的栅极-源极电压vgs，并且当电池极性反接时，施加负的栅极-源极电压。众所周知，向n沟道mosfet施加适当高的正的栅极-源极电压将导致开关闭合(接通)并在源极和漏极之间导通。施加负电压时，开关将断开(关断)以保护负载r2。

电路还包括消除输入节点处的瞬变的两个电容器c1、c2。这些电容器之一c1是多层金属电容器(mlcc)，并且直接连接在两个输入节点之间。

第二电容器c2是极化的大容量存储电容器，其与在电路的两个输入节点1、2之间的二极管d2串联连接。因此，串联连接的电容器c2和二极管d2与mlcc电容器c1并联。电容器的正极侧或负极接地或连接到负极输入节点，电容器c2的负极侧通过二极管d2连接到正极输入端子。二极管d2定向为二极管的阴极连接到正输入端子，并且二极管的阳极连接到极化电容器c2的负极侧。

二极管d2因此被定向成使得在正常使用期间，在电池以正确的极性连接的情况下，没有电流可以从正极端子流过二极管d2进入极化电容器c2到负极端子。当电池极性反接或在正输入节点处出现负瞬变时，电流可以流过电容器和二极管。这允许电容器c2帮助减小跨开关m1的漏极-源极施加的瞬变的幅度，同时在正常使用期间保护电容器c2。

该电路还包括齐纳二极管d1，其串联连接在mosfet的栅极和源极之间，负载电阻器(burdenresistor)r1串联连接在电池的栅极和正极之间。电阻器和齐纳二极管的这种布置允许通过齐纳二极管的特性将栅极-源极电压钳制到安全的水平设定，以确保当正极端子处出现高的正瞬变时，mosfet不被损坏。