本發(fā)明涉及半導(dǎo)體混合集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)，具體為一種星用抗輻照自恢復(fù)式過流/短路保護(hù)電路。

背景技術(shù)：

航天器及其內(nèi)部設(shè)備需要精確的溫度控制系統(tǒng)來保證其工作的有效性和可靠性，因此需要設(shè)計(jì)具有過流/短路保護(hù)功能的加熱器驅(qū)動(dòng)控制電路來實(shí)現(xiàn)對母線的保護(hù)，以此保證各種儀器設(shè)備工作的安全性和可靠性。傳統(tǒng)星用電路的過流/短路保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)方式為分立器件搭建、通過保險(xiǎn)絲對電路進(jìn)行過流保護(hù)。由于星用電路的特殊性，要求電路具有抗輻照、過流/短路保護(hù)可恢復(fù)等特點(diǎn)，因此傳統(tǒng)的過流/短路保護(hù)技術(shù)不能滿足星用電路的使用要求。

傳統(tǒng)星用過流/短路保護(hù)電路的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式存在以下缺點(diǎn)：

1、分立器件搭建的電路集成度低；

傳統(tǒng)加熱器控制電路采用VDMOS管、三極管、電流采樣芯片等有源、無源元件等分立器件搭建完成，電路重量、體積均較大。隨著衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)化、小型化、輕量化的要求，需要對傳統(tǒng)的分立MOS管加熱器驅(qū)動(dòng)控制電路進(jìn)行厚膜集成，集成后的電路體積、重量較分立器件搭建的電路有大幅度的減小。

2、過流/短路保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)依靠保險(xiǎn)絲，過流保護(hù)狀態(tài)不可自恢復(fù)；

傳統(tǒng)過流/短路保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)均依靠保險(xiǎn)絲，當(dāng)母線電流達(dá)到設(shè)置的過流電流時(shí)，保險(xiǎn)絲自身熔斷，從而切斷電流，保護(hù)電路的安全運(yùn)行。但熔斷后不可自恢復(fù)，需重新手動(dòng)更換保險(xiǎn)絲，對于星用電路來說可操作性差。

3、抗輻照性能不能滿足星用電路使用要求；

由于核心器件抗輻照VDMOS管進(jìn)口芯片采購難度大、成本高；抗輻照電流檢測芯片國內(nèi)外尚無。因此，滿足電路整體抗輻照特性的電路成本高，不能滿足大范圍星用電路的使用要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種星用抗輻照自恢復(fù)式過流/短路保護(hù)電路，通過線路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可自恢復(fù)式的過流/短路保護(hù)功能；設(shè)計(jì)合理，體積小，重量輕。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種星用抗輻照自恢復(fù)式過流/短路保護(hù)電路，包括供電模塊、三極管驅(qū)動(dòng)模塊、包括VDMOS管Q2的VDMOS管模塊、電流檢測放大比較模塊和包括D觸發(fā)器U3的觸發(fā)反饋模塊，以及串聯(lián)在母線上的精密采樣電阻RS1；

供電模塊用于通過母線為電流檢測放大比較模塊和觸發(fā)反饋模塊供電；

三極管驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端連接控制電路的輸入信號，輸出端連接VDMOS管Q2的柵端；VDMOS管Q2的源端經(jīng)精密采樣電阻RS1連接母線，漏端通過電阻R13接地；

電流檢測放大比較模塊包括用于電流檢測與信號放大的電流檢測芯片U1，以及比較器U2；電流檢測芯片U1的輸入端串聯(lián)精密采樣電阻RS1，用于采集精密采樣電阻RS1兩端電壓差并進(jìn)行放大；電流檢測芯片U1的輸出端連接比較器U2的同相輸入端，比較器U2的反向輸入端連接參考電壓；

D觸發(fā)器U3的輸入端連接比較器U2的輸出端，用于根據(jù)比較器U2的輸出對輸入信號進(jìn)行過流狀態(tài)信號的反饋，向三極管驅(qū)動(dòng)模塊輸出觸發(fā)反饋信號；觸發(fā)反饋信號與輸入信號合并后接入三極管驅(qū)動(dòng)模塊。

優(yōu)選的，電流檢測芯片U1包括第一運(yùn)放和第二運(yùn)放；

所述第一運(yùn)放連接母線電壓和正電源供電，第一運(yùn)放包括連接在母線電壓和負(fù)電源之間的分壓電路；第一運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端分別通過電阻R01和電阻R02連接在高邊采樣電阻的兩端，第一運(yùn)放的輸出端連接輸出達(dá)林頓管的基極，第一運(yùn)放的分壓輸出端分別連接對應(yīng)的分壓達(dá)林頓管的基極，分壓達(dá)林頓管依次級聯(lián)在第一運(yùn)放的同相輸入端和輸出達(dá)林頓管的集電極之間，輸出達(dá)林頓管的發(fā)射極經(jīng)電阻R03接地；

所述第二運(yùn)放連接第一運(yùn)放的分壓輸出端和正電源供電；第二運(yùn)放的同相輸入端連接輸出達(dá)林頓管的發(fā)射極；第二運(yùn)放的反相輸入端分別經(jīng)電阻R04接地，經(jīng)電阻R05連接第二運(yùn)放的輸出端；第二運(yùn)放的輸出端輸出監(jiān)控信號。

進(jìn)一步，第二運(yùn)放包括由低溫漂基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路和多級電流鏡組成的恒流源模塊；恒流源模塊輸出端產(chǎn)生的基準(zhǔn)電流對應(yīng)連接在第一運(yùn)放的兩個(gè)恒流源輸入端，并為第二運(yùn)放提供偏置電流。

再進(jìn)一步，所述的第一運(yùn)放還包括恒流偏置電路、輸入級電路和輸出級電路；

輸入級電路包括連接在第一運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端的輸入級差分對，輸入級差分對三極管分別連接母線電壓供電和恒壓偏置電路接入?yún)⒖茧娏鳎?/p>

分壓電路的各分壓輸出端分別設(shè)置有并聯(lián)的三組電壓緩沖單元，所有的第一組電壓緩沖單元依次級聯(lián)在第一運(yùn)放的同相輸入端和輸出級電路之間，所有的第二組電壓緩沖單元依次級聯(lián)在第一運(yùn)放的反相輸入端和輸出級電路之間，所有的第三組電壓緩沖單元依次級聯(lián)在恒壓偏置電路的輸入端和第一恒流源輸入端之間；

輸出級電路的供電端連接正電源和負(fù)電源，參考電流端連接第二恒流電源輸入端，輸出端連接第一運(yùn)放輸出端。

優(yōu)選的，供電模塊包括VDMOS管Q1、三極管T1、三極管T2和三極管T3，以及串聯(lián)的分壓電阻R5和分壓電阻R6；

VDMOS管Q1的源端連接母線電壓，柵端經(jīng)電阻R1連接母線電壓，經(jīng)電阻R2連接三極管T1的集電極，漏端連接三極管T2集電極且經(jīng)電阻R4連接三極管T2基極；

三極管T1的基極連接輸入信號，發(fā)射極連接電路中的等電位；

三極管T2的基極和發(fā)射極分別經(jīng)穩(wěn)壓二極管和電容組連接電路中的等電位；三極管T2的發(fā)射極連接三極管T3集電極且經(jīng)電阻R7連接三極管T3基極；

三極管T3的基極和發(fā)射極分別經(jīng)穩(wěn)壓二極管和電容組連接電路中的等電位；三極管T3的發(fā)射極連接觸發(fā)反饋模塊的供電端；

串聯(lián)的分壓電阻R5和分壓電阻R6的一端連接電路中的等電位；另一端連接在三極管T2的發(fā)射極和三極管T3集電極之間，為電流檢測放大比較模塊供電；分壓電阻R5和分壓電阻R6之間輸出參考電壓。

優(yōu)選的，三極管驅(qū)動(dòng)模塊中的三極管T4基極連接合并的觸發(fā)反饋信號與輸入信號，集電極連接VDMOS管Q2的柵極，發(fā)射極連接基極且連接電路中的等電位。

優(yōu)選的，比較器U2的輸出端經(jīng)二極管D1和電阻R14與D觸發(fā)器U3的輸入端連接；輸入信號經(jīng)二極管D2與D觸發(fā)器U3的Q端連接，D觸發(fā)器U3的Q端輸出限流狀態(tài)信號；

當(dāng)母線正常工作時(shí)，流經(jīng)精密采樣電阻RS1的電流小于設(shè)定的過流保護(hù)電流，比較器U2同相端電壓低于反相端的參考電壓，比較器U2輸出為低電平，D觸發(fā)器U3的Q端輸出低電平，Q端輸出高電平；

當(dāng)母線過流或短路時(shí)，流經(jīng)精密采樣電阻RS1的電流大于設(shè)定的過流保護(hù)電流時(shí)，比較器同相端電壓高于反相端的參考電壓，比較器U2輸出翻轉(zhuǎn)為高電平，D觸發(fā)器U3翻轉(zhuǎn)，D觸發(fā)器的Q端輸出高電平，D觸發(fā)器的端輸出為低電平，通過二極管D₂將三極管T4的基極電壓拉低，三極管T4截止，VDMOS管Q2的柵-源電壓低于閾值電壓，VDMOS管Q2關(guān)斷，斷開輸入信號，電路被鎖定為斷開狀態(tài)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明所述的電路采用高邊精密電流檢測、精確比較放大、觸發(fā)器組成可恢復(fù)式過流保護(hù)結(jié)構(gòu)，具有過流/短路保護(hù)及鎖定功能，通過調(diào)整參考電壓可實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)點(diǎn)的精確設(shè)置，替代了傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲，方便靈活，電路可自動(dòng)判斷過流狀態(tài)，對一次母線有保護(hù)功能；結(jié)構(gòu)合理，集成后電路整體重量輕，體積小，可靠性高。

進(jìn)一步的，采用抗輻照電流檢測芯片作為核心器件，不僅降低了電路成本和采購周期，而且提高了電路整體的抗輻射指標(biāo)，使其達(dá)到了抗總劑量能力1E5rad(Si)，抗單粒子效應(yīng)能力75MeV·cm²/mg。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述電路的原理框圖。

圖2為本發(fā)明所述電路的連接結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)例中所述的電流檢測芯片U1的電路結(jié)構(gòu)圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)例中所述的第一運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)例中所述的第二運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體的實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。

本發(fā)明所述電路的原理如圖1所示。電路通過三極管驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)VDMOS管的導(dǎo)通與關(guān)斷，母線與VDMOS管的源極串聯(lián)精密采樣電阻，電流檢測芯片通過共模采樣檢測出采樣電阻兩端的電壓差，經(jīng)放大后輸出到比較器的同相輸入端，與設(shè)定的反相端參考電壓相比較。D觸發(fā)器根據(jù)比較器的輸出對輸入信號進(jìn)行過流狀態(tài)信號的反饋，若出現(xiàn)過流的情況，過流狀態(tài)反饋信號為低，將三極管驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端電壓拉低，開關(guān)關(guān)閉，完成過流保護(hù)功能。

如圖2所示，本發(fā)明所述電路包括供電模塊、三極管驅(qū)動(dòng)模塊、VDMOS管模塊、電流檢測放大比較模塊和包括D觸發(fā)器的觸發(fā)反饋模塊。具體由電流檢測芯片U1，比較器U2，D觸發(fā)器U3，VDMOS管Q1、Q2，三極管T1～T4、精密采樣電阻RS1及外圍電路組成。

其工作原理如下：母線電壓V_INA與VDMOS管Q2的源極串聯(lián)精密采樣電阻RS1，電流采樣芯片U1通過共模采樣檢測出精密采樣電阻RS1兩端的電壓差，經(jīng)優(yōu)選的100倍的放大后輸出到比較器U2的同相輸入端，與設(shè)定的反相端參考電壓相比較，在正常工作條件下，流經(jīng)RS1的電流小于設(shè)定的過流保護(hù)電流，比較器U2同相端電壓低于反相端的參考電壓，此時(shí)，比較器輸出為低電平，D觸發(fā)器U3的Q端輸出低電平的限流狀態(tài)信號，Q端輸出高電平；當(dāng)開關(guān)過流或短路時(shí)，流經(jīng)精密采樣電阻RS1的電流大于設(shè)定的過流保護(hù)電流時(shí)，比較器同相端電壓高于反相端的參考電壓，此時(shí)，比較器輸出翻轉(zhuǎn)為高電平，并使D觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，D觸發(fā)器的Q端(限流狀態(tài)信號)輸出高電平，D觸發(fā)器的Q端輸出為低電平，通過二極管D₂將三極管T4的基極電壓拉低，T4截止，VDMOS管Q2的柵-源電壓低于閾值電壓，VDMOS管Q2關(guān)斷，斷開輸入控制，電路因此被鎖定為斷開狀態(tài)。需要對D觸發(fā)器重新上電，才能去除鎖定狀態(tài)，只有輸入信號關(guān)閉才能使得整個(gè)過流保護(hù)及鎖定電路供電斷電；重新加載輸入信號，對電路加電后電路重新開啟，若過流及短路狀態(tài)消失，電路正常工作。

電流檢測芯片U1是一款抗輻照電流檢測芯片，其功能是通過檢測母線上采樣電阻兩端的電壓檢測母線上流過的電流，并將采樣電壓放大100倍輸出，提供對母線電流的實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)。U1采用50V雙極抗輻照工藝進(jìn)行提參建模，滿足抗輻照指標(biāo)要求1E5rad(Si)，抗單粒子效應(yīng)能力75MeV·cm²/mg。

如圖3所示，電流檢測芯片U1采用兩級運(yùn)放分別實(shí)現(xiàn)了高壓采樣-電流電壓轉(zhuǎn)換和放大的功能。

本發(fā)明在電壓高邊通過接成閉環(huán)的第一運(yùn)放amp1將采樣電壓(V_IN+—V_IN-)轉(zhuǎn)換為電流信號I，根據(jù)運(yùn)算放大器的虛短-虛斷方法，可計(jì)算出

(V_IN+－V_IN-)＝R1×I (1)

該電流信號I經(jīng)三級達(dá)林頓管Q1Q2、Q3Q4、Q5Q6傳輸從電壓高邊到電壓低邊，并在電阻R03上轉(zhuǎn)換為電壓信號，隨后通過第二運(yùn)放amp2放大輸出。其中，達(dá)林頓管Q5Q6為輸出達(dá)林頓管，達(dá)林頓管Q1Q2、Q3Q4分別為連接在第一運(yùn)放分壓輸出端的分壓達(dá)林頓管。

第一運(yùn)放由高壓、低壓兩部分構(gòu)成，分別通過IN+端和VCC端供電，應(yīng)用時(shí)IN+端和VS端共同接系統(tǒng)的高壓母線。

電阻R02電阻值等于電阻R01的阻值，用于平衡第一運(yùn)放輸入偏置電流在電阻R01上產(chǎn)生的電壓降，防止其影響電壓-電流轉(zhuǎn)換的精度。

達(dá)林頓管Q1Q2、Q3Q4、Q5Q6組成了電流傳輸通路，將電流信號由電壓高邊傳輸?shù)诫妷旱瓦?，其基極電位由第一運(yùn)放內(nèi)部的分壓電路提供，通過這種串聯(lián)分壓的級聯(lián)形式可以保證每個(gè)器件的CE電壓被限制在其CE擊穿電壓內(nèi)。

第二運(yùn)放通過閉環(huán)電阻R04、R05設(shè)置為同相放大器，將R03×I的電壓信號再次放大輸出。第二運(yùn)放內(nèi)部還包含了該電路的偏置模塊。

如圖4所示，第一運(yùn)放主要由分壓電路、恒流偏置電路、輸入級電路、輸出級電路四部分構(gòu)成，其中輸入級電路和恒流偏置電路因涉及高壓邊，均通過串接電壓緩沖單元來實(shí)現(xiàn)高耐壓能力，本優(yōu)選實(shí)例中采用達(dá)林頓降壓緩沖結(jié)構(gòu)。

Q7Q8為輸入級差分對，Q9Q10Q11Q12是給差分對提供恒流偏置的，差分對的電流信號通過達(dá)林頓降壓緩沖結(jié)構(gòu)(Q16Q17、Q18Q19和Q22Q23、Q24Q25)傳輸給有源負(fù)載Q29Q30，并經(jīng)過雙轉(zhuǎn)單結(jié)構(gòu)Q28、Q31和共射放大級Q32輸出。

第一運(yùn)放的第一、二恒流源輸入端LB1和LB2端口由第二運(yùn)放的恒流源模塊提供的基準(zhǔn)電流，Q33Q34組成與Q9Q10Q11Q12比例相同的電流鏡結(jié)構(gòu)，保證LB1、LB2端口的電流信號不經(jīng)損失的傳輸給各自的放大級器件。

分壓電路的分壓值vb1和vb2提供給達(dá)林頓電壓緩沖單元(Q16Q17、Q18Q19、Q20Q21和Q22Q23、Q24Q25、Q26Q27)，電壓緩沖單元也可使用其他達(dá)林頓結(jié)構(gòu)或MOS復(fù)合管構(gòu)成。

如圖5所示，第二運(yùn)放內(nèi)部主要分為恒流源、輸入級、中間放大級和輸出級四個(gè)功能模塊，Q37、Q38為輸入差分對管，Q39、Q40、Q41、Q42給輸入差分對管提供偏置電流，Q43、Q44是電流鏡結(jié)構(gòu)的有源負(fù)載，共同構(gòu)成了輸入級模塊；中間放大級由接成共射極結(jié)構(gòu)的Q51和電流源三極管Q52組成，作為第二運(yùn)放的主要增益級，單電源輸出級保證輸出電壓信號可低至VEE負(fù)電源軌，恒流源模塊由低溫漂基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路和多級電流鏡構(gòu)成，為第二運(yùn)放各級提供偏置電流，并產(chǎn)生基準(zhǔn)電流由LB1和LB2端提供給第一運(yùn)放對應(yīng)的恒流源輸入端。