过压保护电路的制作方法

本发明涉及轨道交通牵引技术领域，更具体地说，涉及一种用于保护铁道车辆产品直流电源模块的过压保护电路。

背景技术：

目前铁道车辆控制系统用直流电源模块工作电压范围满足标准《gb/t25119-2010轨道交通机车车辆电子装置》的要求，最高工作电压为额定电压的1.3倍，当供电电源超过最高工作电压时通常采用延时保险丝、压敏电阻和tvs(瞬态抑制二极管)等快速抑制方式进行保护，防止浪涌电压。在实际应用中，电源模块的最高安全电压一般高于额定电压的1.3倍，比如国外某厂家的dc110v电源模块能够在dc60～150v的范围内工作，小于dc200v时不会损坏模块，dc24v的电源模块可以在dc16.8～36v的范围内工作，能够承受小于dc50v的电压。压敏电阻和tvs的击穿电压一般高于电源模块的最大工作电压，小于其损坏电压，接近于1.3倍额定工作电压。图1是目前常用的浪涌电压保护电路，当输入电压超过保护器件rp1和dp1的击穿电压时，rp1和dp1将输入电压钳位在某一电压附近，保护后级电源输入模块不被损坏，当电流超过f1的保护值一定时间时，f1将会熔断，避免后级模块过热起火冒烟等。但铁道车辆常用的工作电压制式具有dc24v、dc48v和dc110v，对于不同电压制式的而功能接口相同的产品，通常采用更换为对应电源模块和保护器件的方式满足使用要求，当产品被误接入高于自身安全工作电压范围时(比如dc24v或dc48v设备接入dc110v电源)，这种电路保护方式会因保护器件不能承受高电压，从而造成产品烧毁报废。

鉴于此，有必要提供一种新的过压保护电路。

技术实现要素：

针对于上述技术问题，本发明提供了一种新的过压保护电路，该过压保护电路的保护电压可到dc300v(此为保护器件的最高工作电压，如果选取dc500v工作电压的保护器件，保护电压可达dc500v)，对于具有相同功能接口而采用不同电压制式的设备，当误接入高于自身安全电压时自动切断，不会损坏产品。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种过压保护电路，用于保护铁道车辆产品的直流电源模块，包括输入滤波和浪涌保护模块、输入电压比较模块及电源回路切断模块；供电电源正极经所述输入滤波和浪涌保护模块与所述直流电源模块的正极连接，供电电源负极依次经所述输入滤波和浪涌保护模块及所述电源回路切断模块与所述直流电源模块的负极连接；

所述输入滤波和浪涌保护模块的输出电压正负极经过分压后接入所述输入电压比较模块的输入端并与预设的参考电压做比较，所述输入电压比较模块的输出端与所述电源回路切断模块连接以根据比较结果控制所述电源回路切断模块的通断。

作为优选，还包括恒压电源模块，所述输入滤波和浪涌保护模块的输出电压正负极还分别与所述恒压电源模块输入电压正负极连接以对所述恒压电源模块进行浪涌保护；所述恒压电源模块的输出端与所述输入电压比较模块的供电端连接以向所述输入电压比较模块提供稳定的供电电压。

作为优选，所述恒压电源模块的输出端还与所述电源回路切断模块的供电端连接以向所述输入电压比较模块提供稳定的供电电压。

作为优选，还包括后级浪涌保护模块，所述供电电源正极依次经所述输入滤波和浪涌保护模块及所述后级浪涌模块与所述直流电源模块的正极连接；所述供电电源负极依次经所述输入滤波和浪涌保护模块、所述电源回路切断模块及所述后级浪涌保护模块与所述直流电源模块的负极连接。

作为优选，所述输入电压比较模块为电压比较器，所述输入滤波和浪涌保护模块的输出电压正负极经过第一分压电阻与所述第二分压电阻分压后与所述电压比较器的反相输入端连接，所述预设的参考电压与所述电压比较器的同相输入端连接；其中，所述第一分压电阻与所述输入滤波和浪涌保护模块的输出电压正极连接，所述第二分压电阻与所述输入滤波和浪涌保护模块的输出电压负极连接，且所述第二分压电阻两端并联设置有延时电容；

当分压后的电压值超出所述预设的参考电压时，所述电压比较器输出低电平，反之输出高电平，所述电源回路切断模块根据高低电平信号实现回路的通断。

作为优选，所述预设的参考电压由电压基准芯片产生。

作为优选，所述第一分压电阻与所述第二分压电阻满足以下关系式：

式中：un为直流电源模块的额定电压；r6为第一分压电阻；r9为第二分压电阻；vref为预设的参考电压。

作为优选，所述延时电容满足以下关系式：

式中：t为延时时间；r9为第二分压电阻；vref为预设的参考电压；v1为浪涌电压经过输入滤波和浪涌保护模块后被第一分压电阻及第二分压电阻分压的电压值；v0为正常工作时经过输入滤波和浪涌保护模块后被第一分压电阻及第二分压电阻分压的电压值。

作为优选，所述输入滤波和浪涌保护模块设置有延时保险、压敏电阻及反串联连接的两个瞬态抑制二极管，其中，所述压敏电阻所述压敏电阻与反串联连接的两个瞬态抑制二极管并联，所述延时保险与两者的并联回路串联以将供电电源输入电压限制在一定电压值内。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、本发明的一种过压保护电路，用于保护铁道车辆产品的直流电源模块，所述输入滤波和浪涌保护模块的输出电压正负极经过分压后接入所述输入电压比较模块的输入端并与预设的参考电压做比较，所述输入电压比较模块的输出端与所述电源回路切断模块连接以根据比较结果控制所述电源回路切断模块的通断，将直流电源模块的输入保护电压提升，提高了产品的可靠性及可用性，降低了维护成本。

2、本发明提出的一种过压保护电路，使产品对电源电压的耐受值达到dc300v；通过对输入电压比较模块中的第一分压电阻及所述第二分压电阻值设置，可以对dc24v、48v和110v等电源模块输入最高工作电压进行限制，保护电源模块在超过最高工作电压的情况下被切断。对输入电压比较模块中的延时电容进行合理选型，可以对保护电路动作时间进行延时，避免瞬时浪涌引起的电源模块重启，影响产品正常工作。增加后级浪涌保护模块，吸收正常的浪涌电压影响，避免电源模块损坏。

3、发明提出的一种过压保护电路，避免低工作电压(如dc24v)误接入高工作电压(如dc110v)时导致电源模块被损坏，降低产品生产、测试和使用过程中的废品率，降低企业生产成本和售后维护成本。

附图说明

图1为现有技术中浪涌保护电路的结构示意图

图2为本发明所述过压保护电路的结构框图

图3为本发明所述过压保护电路的电路原理图

图4为本发明所述输入滤波和浪涌保护模块的电路原理图

图5为本发明所述恒压电源模块的电路原理图

图6为本发明所述输入电压比较模块的电路原理图

图7为本发明所述电压基准芯片的电路原理图

图8为本发明所述电源回路切断模块的电路原理图

图9为本发明所述后级浪涌保护模块的电路原理图

图10为本发明所述过压保护电路的工作原理图

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，仅是为了便于描述本发明和简化描述，因此不能理解为对本发明的限制及指示或暗示相对重要性。

如图2及图3所示，一种过压保护电路，用于保护铁道车辆产品的直流电源模块，包括输入滤波和浪涌保护模块、输入电压比较模块及电源回路切断模块；供电电源正极经所述输入滤波和浪涌保护模块与所述直流电源模块的正极连接，供电电源负极依次经所述输入滤波和浪涌保护模块及所述电源回路切断模块与所述直流电源模块的负极连接；

所述输入滤波和浪涌保护模块的输出电压正负极经过分压后接入所述输入电压比较模块的输入端并与预设的参考电压做比较，所述输入电压比较模块的输出端与所述电源回路切断模块连接以根据比较结果控制所述电源回路切断模块的通断。

继续参见图2及图3，进一步地，所述过压保护电路还包括恒压电源模块，所述输入滤波和浪涌保护模块的输出电压正负极还分别与所述恒压电源模块输入电压正负极连接以对所述恒压电源模块进行浪涌保护；所述恒压电源模块的输出端与所述输入电压比较模块的供电端连接以向所述输入电压比较模块提供稳定的供电电压；所述恒压电源模块的输出端还与所述电源回路切断模块的供电端连接以向所述输入电压比较模块提供稳定的供电电压，在本实施例中当输入不高于dc300v电压时，此电路可以稳定输出+11.4v的直流电压。

所述输入滤波和浪涌保护模块用于电源滤波和对所述恒压电源模块的浪涌保护，本实施例中输入保护电压大约在dc300v，即v+的供电电压长时间最高可达dc300v，如图2及图3所示，其中本实施例中的具体元件均如附图中所示，实施例中不再一一赘述。电路设置有延时保险f1、压敏电阻rp1及反串联连接的两个瞬态抑制二极管tvsdp1和dp2，其中，所述压敏电阻所述压敏电阻与反串联连接的两个瞬态抑制二极管并联，所述延时保险与两者的并联回路串联以将供电电源输入电压限制在一定电压值内；本实施例中可以将外部浪涌电压抑制在dc300v左右，当输入电压长时间高于dc300v时，延时保险f1将会熔断。

继续参见图2及图3，进一步地，所述过压保护电路，还包括后级浪涌保护模块，所述供电电源正极依次经所述输入滤波和浪涌保护模块及所述后级浪涌模块与所述直流电源模块的正极连接；所述供电电源负极依次经所述输入滤波和浪涌保护模块、所述电源回路切断模块及所述后级浪涌保护模块与所述直流电源模块的负极连接；所述后级浪涌保护模块主要用于对所述直流电源模块的二次保护，见图9；rp2和dp5的参数应与所述直流电源模块相匹配，避免其输入电压高于损坏电压。

优选地，所述输入电压比较模块为电压比较器，所述输入滤波和浪涌保护模块的输出电压正负极经过第一分压电阻与所述第二分压电阻分压后与所述电压比较器的反相输入端连接，所述预设的参考电压与所述电压比较器的同相输入端连接；其中，所述第一分压电阻与所述输入滤波和浪涌保护模块的输出电压正极连接，所述第二分压电阻与所述输入滤波和浪涌保护模块的输出电压负极连接，且所述第二分压电阻两端并联设置有延时电容；

当分压后的电压值超出所述预设的参考电压时，所述电压比较器输出低电平，反之输出高电平，所述电源回路切断模块根据高低电平信号实现回路的通断。

进一步地，如图3及图8所示，所述电源回路切断模块采用功率mos管q4将电源地回路切断，保护后级电源模块不受高压影响。当vctl为高电平时，q4导通，后级电源模块正常工作；当vctl为低电平时，q4关断，后级电源模块停止工作。q3和d4组成mos管快速放电关断电路。

进一步地，第一分压电阻r6和第二分压电阻r9的值决定过压保护电路的最大输入电压值，对于dc24v、48v和110v，应分别计算第一分压电阻r6和第二分压电阻r9的电阻值；延时电容c5的作用为延时过压保护电路的输入电压的上升时间，避免浪涌试验时保护电路误动作，延时时间由c5容值决定，延时时间不能小于10毫秒，且不能大于100毫秒。

其中，所述第一分压电阻与所述第二分压电阻满足以下关系式：

式中：un为直流电源模块的额定电压；r6为第一分压电阻；r9为第二分压电阻；vref为预设的参考电压。

作为优选，所述延时电容满足以下关系式：

式中：t为延时时间；r9为第二分压电阻；vref为预设的参考电压；v1为浪涌电压经过输入滤波和浪涌保护模块后被第一分压电阻及第二分压电阻分压的电压值；v0为正常工作时经过输入滤波和浪涌保护模块后被第一分压电阻及第二分压电阻分压的电压值。

如图3及图7所示，所述预设的参考电压由电压基准芯片(如tl431、lm4040和lm385等)产生；此类芯片能够在规定工作电压范围内产生精度不低于2％的目标电压(如+2.5v、+5v)，vref值不随vpwr+的变化而变化，因此能够为比较器u4b提供精确的基准电压，使其翻转电平稳定可靠。

本发明工作原理如下：

如图10所示，图中的vpwr1为输入电源电压，vpwr2为电源模块输入电压，vovp为输入过压保护电路的最高工作电压(目前为dc300v)，vmax为过压保护电路输出的最高工作电压(小于等于电源模块的最高工作电压)，vprotect为过压保护电路输出的最高电压(小于电源模块的损坏电压)，t1为短暂过压时间(10～100毫秒)，t2为保护电路动作时间。

当vpwr1的电压值小于vmax时，vpwr2与vpwr1一致，保护电路不工作；当vpwr1的电压值大于vmax时，在t1时间内将vpwr2限制在vprotect，保护模块不受损坏，此时保护电路没有切断vpwr2，避免由浪涌电压引起的误动作；当过压时间超过t1时，保护电路开始动作，将vpwr2切断；经过t2时间后vpwr1下降到正常电压，保护电路停止工作，vpwr2恢复正常。

本发明提出的一种过压保护电路，使产品对电源电压的耐受值达到dc300v；通过对输入电压比较模块中的第一分压电阻及所述第二分压电阻值设置，可以对dc24v、48v和110v等电源模块输入最高工作电压进行限制，保护电源模块在超过最高工作电压的情况下被切断。对输入电压比较模块中的延时电容进行合理选型，可以对保护电路动作时间进行延时，避免瞬时浪涌引起的电源模块重启，影响产品正常工作。增加后级浪涌保护模块，吸收正常的浪涌电压影响，避免电源模块损坏。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本发明旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求书来限制。