一种短路保护电路与充电器

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，特别是涉及一种短路保护电路与充电器。

背景技术

现在的许多MP3、手机等均配备USB充电器，由数据线作为电源线，插到电脑上自动开始充电。并且，随着经济的发展，用户越发重视电子产品使用过程中的个人体验，用户在使用手机、平板电脑等数字电子设备的过程中，往往追求更快的充电速度，因此USB-PD快充技术逐渐成熟并得到普及，与之对应的USB-PD充电器的使用也越来越广泛。

对于目前市场上已有的USB充电器而言，尤其对于USB-PD充电器而言，当其输出出现短路故障时，其内部的保护策略通常为对输出进行限流保护，即将短路电流限制为所设定的最大工作电流阈值。然而，上述的保护策略仍然存在损坏充电器的风险。

发明内容

本发明实施例旨在提供一种短路保护电路，能够在充电器出现短路故障时，将短路电流降低为零。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种短路保护电路，应用于充电器，所述充电器包括电源输入接口、电源输出接口与第一电源地，所述短路保护电路包括：

采样模块，所述采样模块分别与所述第一电源地以及所述短路保护电路的第二电源地连接，所述采样模块用于基于所述第一电源地与所述第二电源地之间的电流输出采样信号；

信号发生模块，所述信号发生模块分别与所述采样模块以及所述电源输出接口连接，所述信号发生模块用于基于所述采样信号以及所述电源输出接口的电压输出控制信号；

开关模块，所述开关模块分别与所述信号发生模块、输入电源以及所述电源输入接口连接，所述开关模块用于基于所述控制信号切换开关状态，以控制所述输入电源与所述电源输入接口之间的连接状态。

在一种可选的方式中，所述采样模块包括采样电阻与第一运放；

所述采样电阻的第一端分别与所述第一运放的反相输入端以及所述第二电源地连接，所述采样电阻的第二端分别与所述第一运放的同相输入端以及所述第一电源地连接，所述第一运放的输出端与所述信号发生模块连接。

在一种可选的方式中，所述信号发生模块包括第一开关单元与比较单元；

所述第一开关单元与所述电源输出接口连接，所述第一开关单元用于基于所述电源输出接口的电压切换开关状态；

所述比较单元与所述采样模块以及所述第一开关单元连接，所述比较单元用于基于所述采样信号以及所述第一开关单元的开关状态输出控制信号。

在一种可选的方式中，所述第一开关单元包括第一开关管与第一电阻；

所述第一开关管的控制端通过所述第一电阻连接至所述电源输出接口，所述第一开关管的第一端与所述第二电源地连接，所述第一开关管的第二端与所述比较单元连接。

在一种可选的方式中，所述比较单元包括第二运放、第二电阻、第三电阻、第四电阻与第五电阻；

所述第二运放的同相输入端通过所述第二电阻连接至所述采样模块，所述第二运放的反相输入端分别与所述第三电阻的一端以及所述第四电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端与所述第二电源地连接，所述第四电阻的另一端与第一电源连接，所述第二运放的输出端分别与所述第五电阻的一端以及所述第一开关单元连接，所述第五电阻的另一端与所述第一电源连接。

在一种可选的方式中，所述开关模块包括第二开关单元、第三开关单元与第四开关单元；

所述第二开关单元与所述信号发生模块连接，所述第二开关单元用于基于所述控制信号切换开关状态；

所述第三开关单元与所述第二开关单元连接，所述第三开关单元用于基于所述第二开关单元的开关状态切换开关状态；

所述第四开关单元分别与所述第三开关单元、所述输入电源以及所述电源输入接口连接，所述第四开关单元用于基于所述第三开关单元的开关状态切换其开关状态，以控制所述输入电源与所述电源输入接口之间的连接状态。

在一种可选的方式中，所述第二开关单元包括第二开关管、串联连接的第六电阻与第七电阻；

所述第六电阻的非串联端与所述信号发生模块连接，所述第六电阻与所述第七电阻之间的连接点与所述第二开关管的控制端连接，所述第二开关管的第一端以及所述第七电阻的非串联端均与所述第二电源地连接，所述第二开关管的第二端与所述第三开关单元连接。

在一种可选的方式中，所述第三开关单元包括第三开关管、第八电阻，以及串联连接的第九电阻与第十电阻；

所述第九电阻的非串联端分别与所述输入电源以及所述第四开关单元连接，所述第九电阻与所述第十电阻之间的连接点通过所述第八电阻连接至所述第三开关管的控制端，所述第十电阻的非串联端与所述第三开关管的第二端均与所述第二电源地连接，所述第三开关管的第二端与所述第四开关单元连接。

在一种可选的方式中，所述第四开关单元包括第四开关管、第十一电阻、第十二电阻与第十三电阻；

所述第十一电阻的一端与所述第三开关单元连接，所述第十一电阻的另一端分别与所述第十二电阻的一端以及所述第十三电阻的一端连接，所述第十二电阻的另一端与所述第四开关管的控制端连接，所述第十三电阻的另一端分别与所述输入电源以及所述第四开关管的第一端连接，所述第四开关管的第二端与所述电源输入接口连接。

第二方面，本发明还提供一种充电器，所述充电器包括电源输入接口、电源输出接口、第一电源地以及去权利要求1-9任意一项所述的短路保护电路；

所述短路保护电路分别与所述电源输入接口、所述电源输出接口以及所述第一电源地连接。

本发明实施例的有益效果是：本发明提供的短路保护电路，应用于充电器，且，充电器包括电源输入接口、电源输出接口与第一电源地，短路保护电路包括采样模块、信号发生模块与开关模块，其中，采样模块与第一电源地以及短路保护电路的第二电源地连接，信号发生模块分别与采样模块以及电源输出接口连接，开关模块分别与信号发生模块、输入电源以及电源输入接口连接，因此，当充电器出现短路故障，采样模块能够根据流经第一电源地与第二电源地之间的电流(即短路电流)，输出采样信号，该采样信号被信号发生模块所接收，同时，充电器的电源输出接口上的电压为零，此时，信号发送模块所输出的控制信号能够使开关模块的开关状态切换为断开状态，那么，输入电源与电源输入接口之间的连接断开，则充电器的电源输入接口没有电源输入，从而实现了将短路电流降低为零。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为本发明实施例提供的充电器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的短路保护电路的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的采样模块与信号发生模块的电路结构示意图；

图4为本发明另一实施例提供的短路保护电路的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的开关模块的电路结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明实施例提供的充电器的结构示意图。如图1所示，充电器包括短路保护电路100、第一电源地201、电源输入接口202以及电源输入接口203，其中，第一电源地201指的是与充电器的工作电源的正极所对应的地。

可理解，在本发明实施方式中，充电器是指是指用充电接口连接电脑或充电头给电子产品充电的设备。充电器包括但不限于：快充充电器(例如，USB-PD充电器)与普通充电器等。

具体地，短路保护电流100分别与第一电源地201、电源输出接口202以及电源输入接口203连接，同时，短路保护电路100还用于与外部的输入电源300连接，即充电器通过短路保护电路100与输入电源300连接。

短路保护电路10用于当充电器的输出出现短路现象时，及时断开输入电源300与电源输入接口203之间的连接，从而使短路电流降低为零，以保护充电器不被损坏。当充电器的输出出现短路现象时，电源输出接口202上的电压为0，第一电源地201与短路保护电路100的第二电源地之间存在短路电流，此时，可根据该短路电流以及电源输出接口202上的电压结合控制短路保护电路100，以使短路保护电路100断开输入电源300与电源输入接口203之间的连接，从而达到了将短路电流降低为零的目的。

应理解，图1所示的为包括了短路保护电路100在内的充电器，即短路保护电路100设置在充电器上。

而在另一实施例中，也可以将短路保护电路100仅作为与现有的充电器连接的电路结构，因为现有的充电器上未设置上述的短路保护电路。通过在现有的充电器的基础上连接短路保护电路100，也能够在该充电器出现短路故障时，将充电器的短路电流降低为零。

以下所有实施例以短路保护电路100与充电器连接为例进行说明，其中充电器包括第一电源地201、电源输出接口202以及电源输入接口203。

其中，如图2所示，短路保护电路100包括采样模块101、信号发生模块102、开关模块103以及第二电源地104。其中，第二电源地104指的是与短路保护电路100的工作电源的正极所对应的地。

具体地，采样模块101分别与第一电源地201以及短路保护电路100的第二电源地104连接，采样模块101能够根据第一电源地201与第二电源地104之间的电流输出采样信号。即当第一电源地201与第二电源地104之间的电流变化时，采样模块101能够根据不同的电流输出相应的采样信号，从而可以判断出充电器是否发生短路异常。

在一实施例中，采样模块101包括采样电阻与第一运放，以图3所示的采样模块101的电路结构为例进行说明。如图3所示，采样电阻对应电阻R1，第一运放对应运放U1，第二电源地104对应电源地PGND，且，采样模块101通过电源地接口AGND连接至第一电源地201。

可选地，采样模块101还包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1与电容C2。

其中，电阻R1的两端分别与电源地接口AGND以及电源地PGND连接，电阻R2的一端与电源地接口AGND连接，电阻R2的另一端分别与运放U1的反相输入端、电容C2的一端以及电阻R5的一端连接，电容C2的另一端与电阻R5的另一端均与运放U1的输出端连接，电阻R3的另一端分别与运放U1的同相输入端、电阻R4的一端以及电容C1的一端连接，电阻R4的另一端与电容C1的另一端与电源地PGND连接。

若电源地接口AGND与电源地PGND之间存在着电流，即第一电源地201与电源地PGND之间存在着电流，该电流会使电阻R1两端具有电压差，该电压差分别输入至运放U1的反相输入端与同相输入端，是运放U1的输出端输出相应的采样电压(即为采样信号)。

若电源地接口AGND与电源地PGND之间不存在着电流，则运放U1的输出端输出为0，此时说明充电器未连接电子产品。

请再次参阅图2，信号发生模块102分别与采样模块101以及电源输出接口202连接，信号发生模块102能够根据采样信号以及电源输出接口202的电压输出控制信号。亦即，采样信号与电源输出接口202的电压二者结合作为输出不同控制信号的判断条件，也就是说，随着采样信号或电源输出接口202的电压的不同，信号发生模块102所输出的控制信号也不同。

在一实施方式中，请一并参阅图4，信号发生模块102包括第一开关单元1021与比较单元1022，其中，第一开关单元1021与电源输出接口202连接，比较单元1022与采样模块101以及第一开关单元连接。

具体地，第一开关单元1021可根据电源输出接口的电压切换开关状态，其中，第一开关单元1021的开关状态包括连通状态与断开状态，根据电源输出接口202的电压的不同，第一开关单元1021的开关状态也不同。并且，当充电器的输出短路时，也会导致电源输出接口202的电压改变，从而使第一开关单元1021切换其开关状态。

而比较单元1022则进一步根据第一开关单元1021开关状态以及采样模块101所输出的采样信号，输出控制信号。即根据第一开关单元1021的开关状态与采样信号结合作为输出不同控制信号的判断条件，也就是说，随着采样信号或第一开关单元1021的开关状态的不同，信号发生模块102所输出的控制信号也不同。

可选地，第一开关单元包括第一开关管与第一电阻。

可选地，比较单元包括第二运放、第二电阻、第三电阻、第四电阻与第五电阻。

以图3所示的第一开关单元1021与比较单元1022的电路结构为例进行说明。如图3所示，第一开关管对应三极管Q1，第一电阻对应电阻R10，且，第一开关单元1021还通过电源接口VOUT连接至电源输出接口202。第二运放、第二电阻、第三电阻、第四电阻与第五电阻分别对应运放U2、电阻R7、电阻R8、电阻R6与电阻R9。

可选地，第一开关单元1021还包括电阻R11与电容C5,比较单元1022还包括电容C3、电容C4与二极管D1。

具体地，三极管Q1的基极与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端分别与电阻R11的一端以及电源接口VOUT连接，三极管Q1的发射极与电阻R11的另一端均连接至电源地PGND，电容C5与电阻R11并联连接，三极管Q1的集电极分别与二极管D1的阳极、运放U2的输出端以及电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端与第一电源V1连接，二极管D1的阴极通过连接点S1连接至开关模块103，运放U2的同相输入端与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与采样模块101中的运放U1的输出端连接，运放U2的反相输入端分别与电阻R8的一端以及电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与第一电源V1连接，电阻R8的另一端与电源地PGND连接。

实际应用中，采样模块101的运放U1的输出端所输出的采样信号通过电阻R7输入至运放U2的同相输入端，而运放U2的反相输入端的输入电压为第一电源V1通过电阻R6与电阻R8的分压后，在电阻R8上的分压。那么，当采样信号的电压大于第一电源V1在电阻R8上的分压时，运放U2输出高电平信号；而当采样信号的电压小于第一电源V1在电阻R8上的分压时，运放U2输出低电平信号。

电源输出接口202的电压通过电源接口VOUT输入至三极管Q1的基极。因此，当电源输出接口202的电压为高电平时，三极管Q1导通，三极管Q1的集电极通过发射极后连接至电源地PGND，则三极管Q1的集电极被强制拉低；当电源输出接口202的电压为低电平时，三极管Q1关断，三极管Q1的集电极通过电阻R9连接至第一电源V1，三极管Q1的集电极被强制拉高。

综上，三极管Q1的集电极与运放U2的输出端连接，即三极管Q1的集电极与运放U2的输出端之间的连接点的信号即为控制信号，该控制信号通过二极管D1传输至连接点S1，并通过连接点S1传输至开关模块103。

那么，当运放U2输出高电平信号，且三极管Q1的集电极上为高电平信号，则三极管Q1的集电极与运放U2的输出端之间的连接点输出的控制信号为高电平信号，即信号发生模块102输出高电平信号。

当运放U2输出低电平信号或者是三极管Q1的集电极上为低电平信号，亦或运放U2输出低电平信号同时三极管Q1的集电极上为低电平信号，三极管Q1的集电极与运放U2的输出端之间的连接点均会被强制拉低，即输出低电平信号，此时，信号发生模块102输出低电平信号。

应理解，第一电源V1可以为充电器上电源，例如，充电器上稳压模块所输出的电源。当然，第一电源V1也可以为单独的外接电源，这里不做限制。

请再次参阅图2，开关模块103分别与信号发生模块102以及电源输入接口203连接。开关模块103能够根据控制信号切换开关状态，以控制输入电源300与电源输入接口203之间的连接状态。

在一实施方式中，请一并参阅图4，开关模块103包括第二开关单元1031、第三开关单元1032与第四开关单元1033，其中，第二开关单1031元与信号发生模块102连接，第三开关单元1032与第二开关单元1031连接，第四开关单元1033分别与第三开关单元1032、输入电源300以及电源输入接口203连接。

具体地，第二开关单元1031用于基于控制信号切换开关状态，其中，第二开关单元1031的开关状态也包括连通状态与断开状态，根据控制信号为高电平信号或低电平信号，能过控制第二开关单元1031处于不同的开关状态。例如，当控制信号为高电平信号时，第二开关单元1031为连通状态，反之，当控制单元为低电平信号时，第二开关单元1031为断开状态。

可选地，第二开关单元包括第二开关管、串联连接的第六电阻与第七电阻。

可选地，第三开关单元包括第三开关管、第八电阻，以及串联连接的第九电阻与第十电阻。

可选地，第四开关单元包括第四开关管、第十一电阻、第十二电阻与第十三电阻。

以图5所示的第二开关单元1031、第三开关单元1032与第四开关单元1033的电路结构为例进行说明。如图5所示，第二开关管、串联连接的第六电阻与第七电阻分别对应三极管Q2、电阻R13以及电阻R12。第三开关管、第八电阻，以及串联连接的第九电阻与第十电阻分别对应三极管Q3、电阻R16、电阻R14以及电阻R15。第四开关管、第十一电阻、第十二电阻与第十三电阻分别对应MOS管Q4、电阻R18、电阻R19以及电阻R17。

同时，输入电源V0对应上述实施例中的输入电源300，第二开关单元1031通过连接点S11连接至信号发生模块102中的连接点S1，第四开关单元1033通过电源接口VIN连接至电源输入接口203。

可选地，第二开关单元1031还包括电容C6。短路保护电路100还包括保险丝F1。

具体地，输入电源V0与保险丝F1的一端连接，保险丝F1的另一端分别与电阻R14、电阻R17的一端以及MOS管Q4的源极连接，MOS管Q4的漏极通过电源接口VIN连接至电源输入接口203，MOS管Q4的栅极与电阻R19的一端连接，电阻R19的另一端分别与电阻R17的另一端以及电阻R18的一端连接，电阻R18的另一端与三极管Q3的集电极连接，三极管Q3的基极与电阻R16的一端连接，电阻R16的另一端分别与电阻R14的另一端、电阻R15的一端、电容C6的一端以及三极管Q2的集电极连接，三极管Q2的基极分别与电阻R12的一端以及电阻R13的一端连接，电阻R12的另一端与连接点S11连接，电阻R13的另一端、三极管Q2的发射极、电容C6的另一端、电阻R15的另一端以及三极管Q3的发射极均与电源地PGND连接。

由上述内容可知，在图3中的连接点S1上的控制信号可为高电平信号，也可为低电平信号。而在图5中，连接点S11是用于与图3中的连接点S1连接，所以，连接点S11也为低电平或高电平。

当连接点S11上为低电平时，三极管Q2的基极上也为低电平，三极管Q2关断。输入电源V0在电阻R15上的分压输入至三极管Q3的基极，三极管Q3导通。输入电源V0、电阻R17、电阻R18、三极管Q3的集电极与发射极、以及电源地PGND形成回路，从而电阻R17的两端存在电压差，即MOS管Q4的栅极与源极存在压差，MOS管Q4导通，输入电源V0通过MOS管Q4的源极与漏极连接至电源接口VIN，并通过电源接口VIN为充电器提供工作电压。

当连接点S11上为高电平时，三极管Q2的基极上也为高电平，三极管Q2导通。三极管Q3的基极通过电阻R16后连接至电源地PGND，三极管Q3的基极被强制拉低，三极管Q3关断。输入电源V0、电阻R17以及电阻R18这一支路无法形成回路，MOS管Q4的栅极与源极之间几乎不存在压差，MOS管Q4关断，从而断开输入电源V0与电源接口VIN之间的连接，即充电器失去工作电压。

需要说明的是，第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管选用三极管、MOS管或IGBT开关管中的一种即可。且第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管可以相同，也可以不同，例如，第一开关管、第二开关管与第三开关管均选用三极管，而第四开关管选用MOS管。

以第一开关管为例，若第一开关管为三极管，则三极管的基极为第一开关管的控制端，三极管的发射极为第一开关管的第一端，三极管的集电极为第一开关管的第二端。

若第一开关管为MOS管或IGBT开关管，则MOS管或IGBT开关管的栅极为第一开关管的控制端，MOS管或IGBT开关管的源极为第一开关管的第一端，MOS管或IGBT开关管的漏极为第一开关管的第二端。

综上所述，请一并参阅图3与图5，在实际应用中，当充电器未连接电子产品时，充电器的默认输出电压、电流均为0。即电源地接口AGND与电源地PGND之间的电流为0，电阻R1上的电压为0，则运放U1输出电压为0。运放U2的反相输入端电压大于同相输入端电压，运放U2输出低电平信号，低电平信号通过连接点S1传输至连接点S11。三极管Q2关断、三极管Q3导通，MOS管Q4导通。整个短路保护电路100处于正常工作状态，即保持默认输出状态。

当充电器连接电子产品时，充电器与该电子产品握手通讯，充电器根据通讯协议调节输出的电压和电流(此时，充电器通过电源接口VIN从输入电源V0获取了工作电压)，给电子产品充电。此时，电源接口VOUT所输出的电压能够使三极管Q1导通，从而将运放U2输出端的电压拉低，即连接点S1电压被拉低，连接点S1输出低电平信号，低电平信号通过连接点S1传输至连接点S11。此时，三极管Q2关断、三极管Q3导通，MOS管Q4导通。充电器可正常工作，保持为电子产品充电。

当充电器输出短路时，一方面，充电器的输出电压降为0，即电源接口VOUT的电压为0，三极管Q1关断。另一方面，电源地接口AGND与电源地PGND之间的电流为短路电流，该电路电路在电阻R1两端生成电压差，从而使运放U1输出对应的采样电压(即采样信号)。通过调整第一电源V1在电阻R8的分压(即运放U2的反相输入端的电压)，小于此时的采样电压。那么，运放U2的同相输入端的电压大于反相输入端的电压，运放U2输出高电平。此时，连接点S1将高电平传输至连接点S11，三极管Q2的基极电压为高电平信号，三极管Q2导通，三极管Q3关断，MOS管Q4也关断。输入电源V0与电源接口VIN之间的连接断开，即切断充电器的输入电源，充电器因此关断输出，短路电流减小为零，完成短路保护功能。

进一步地，当短路电流减小为零，电阻R1上的电压为0，运放U1输出的采样电压为0。运放U2的同相输入端的电压小于反相输入端的电压，运放U2输出低电平，连接点S1输出低电平信号，低电平信号通过连接点S1传输至连接点S11。此时，三极管Q2关断、三极管Q3导通，MOS管Q4再次导通。充电器恢复输出，完成输出短路后的自恢复功能，可理解，在此时，若充电器输出仍然处于短路状态，则会再次触发短路保护电路100的短路保护功能。

同时，由于电容C6的充放电特性，即电容C6两端的电压进行高低电平变化时会有一定的变化时间，该时间取决于电容C6的电容值大小。并且，该时间为控制三极管Q3导通与关断之间的切换时间，从而控制MOS管Q4的导通与关断的切换时间。因此，通过调节电容C6的电容值大小，可以控制触发短路保护后充电器恢复输出的时间，从而控制短路保护功能的触发频率，以此增强充电器应对冲击性负载的能力。此外，短路保护电路100的电路较为简单，成本低，且灵敏度高，抗干扰力强，便于推广应用。

本发明提供的短路保护电路100，应用于充电器，且，充电器包括电源输入接口203、电源输出接口202与第一电源地201，短路保护电路100包括采样模块101、信号发生模块102与开关模块103，其中，采样模块102与第一电源地201以及短路保护电路100的第二电源地104连接，信号发生模块102分别与采样模块101以及电源输出接口202连接，开关模块103分别与信号发生模块102、输入电源300以及电源输入接口203连接，因此，当充电器出现短路故障，采样模块101能够根据流经第一电源地201与第二电源地104之间的电流(即短路电流)，输出采样信号，该采样信号被信号发生模块102所接收，同时，充电器的电源输出接口203上的电压为零，此时，信号发送模块102所输出的控制信号能够使开关模块103的开关状态切换为断开状态，那么，输入电源300与电源输入接口203之间的连接断开，则充电器的电源输入接口没有电源输入，从而实现了将短路电流降低为零。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。