CN114640089B - 一种基于电感电压积分的变换器过载启机保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电感电压积分的变换器过载启机保护电路,包括同步整流变换器主电路、第一积分器电路、第二积分器电路、减法器电路、比较器电路、逻辑及控制电路和变换器控制电路。本发明仅需额外采样桥臂中点电压,并加入积分和减法器电路即可实现,一方面具有实现方法简单方便、适用范围广和抗干扰能力强,另一方面所述中点电压采样可通过简单的电阻分压取样,不会引入额外损耗,有利于开关电源模块的高效高功率密度。
Description
技术领域
本发明属于变换器技术领域,特别是一种基于电感电压积分的变换器过载启机保护电路。
背景技术
高效率、高功率密度、小体积和高可靠性是工业界和学术界对开关电源变换器的持续追求目标。高功率密度和小体积的目标,要求工程师在设计开关电源变换器时,尽量精简各部分电路,包括相关的保护、控制及取样电路。高效率的目标,要求工程师在选取相关电路时,要追求“极小化”且“高效率”的取样电路。高可靠性又要求变换器具备关键的过压、过流、短路等保护。
过载启机保护是开关电源的关键保护之一,其指开关电源在启动时需要可靠区分负载短路、过流以及正常负载工况。当开关电源的负载短路或者过载时,需可靠保护开关电源;如何高效、高可靠性以及小的设计过载启动保护是目前工业界面临的关键问题之一。
目前常用的过载启机保护方案主要包括:1)基于分流器或者采样电阻的方案。该方案虽然可靠简单,但是其一方面分流器或者采样电阻存在体积大、损耗高的问题,此外该方面获取的电流信号比较微弱,易受干扰且可靠性受限;2)基于霍尔传感器、电流互感器等方案,该方面存在体积大、采样带宽低等问题;3)基于电感DCR电阻的方案,该方面具有方案简单、体积小等优点,然而其存在易受电感DCR电阻精度影响、易受变换器运行温度影响而导致采样不准等缺点,因而采样该方案通常需要额外加入温度补偿电路以保证基于DCR采样方案的准确性,美国ADI公司的DC/DC变换器控制芯片LTC3855即采用该方案,虽然引入温度补偿电路可以提升DCR方案的准确性,但这使得控制系统复杂,且该方案在小电流场景依然应用受限。
总之,现有技术中依然缺少简单、可靠、高效的方案和技术。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题,提供一种基于电感电压积分的变换器过载启机保护电路。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种基于电感电压积分的变换器过载启机保护电路,所述电路包括同步整流变换器主电路、第一积分器电路、第二积分器电路、减法器电路、比较器电路、逻辑及控制电路和变换器控制电路;
所述第一积分器电路,用于对第一和第二开关管串联桥臂的中点电压vA和积分启动信号St进行处理,之后将输出信号vLA传输至减法器电路;
所述第二积分器电路,用于对同步整流变换器主电路的输出电压信号vo和积分启动信号St进行处理,之后将输出信号vLB传输至减法器电路;
所述减法器电路,用于对所述输出信号vLA和vLB进行处理,之后将输出信号vAMB即当前变换器电感电流值的大小输出至比较器电路;
所述比较器电路,用于对所述输出信号vAMB和比较器的基准电压信号vF进行处理,之后将输出信号Sgt即过载保护标识信号传输至逻辑及控制电路;
所述逻辑及控制电路,一方面用于生成所述第一积分器电路、第二积分器电路的启动和清零信号即积分启动信号St,一方面用于生成所述比较器电路的基准电压信号vF,其输入信号包括同步整流变换器主电路的输入电压源信号vin、变换器开机启动信号Sst以及比较器电路的输出信号Sgt,输出信号为Spt,还包括积分启动信号St和基准电压信号vF;
所述变换器控制电路,用于控制同步整流变换器主电路工作,实现对输入电压源信号vin进行变压变换和控制,最终稳定输出vo;该电路的输入信号包括输入电压源信号vin、同步整流变换器主电路的输出电压信号vo、逻辑及控制电路的输出信号Spt,输出信号包括变换器开机启动信号Sst,同步整流变换器主电路的第一和第二开关管的驱动信号 QS1和QS2。
进一步地,所述逻辑及控制电路的控制逻辑包括以下步骤:
步骤400,系统初始化;
步骤401,检测输入电压源信号vin是否在设置范围内,若是则执行步骤402,否则继续等待;
步骤402,检测变换器开机启动信号Sst是否由低电平跳变至高电平,若是,则表示变换器准备启动,执行步骤403,否则继续等待;
步骤403,设置比较器基准电压信号vF;
步骤404,置高积分启动信号St;
步骤405,开始延时计时;
步骤406,检测是否到达延时时间Td,若是,则执行步骤407,否则继续等待;
步骤407,检测第一比较器的输出信号Sgt是否为低电平,若是则执行步骤408,否则执行步骤409;
步骤408,置高过载保护标识信号Spt,之后执行步骤411;
步骤409,检测变换器开机启动信号Sst是否由高电平跳变至低电平,若是则标识变换器完成缓启动,执行步骤410,否则重新执行步骤407,继续检测是否存在启动过程中变换器过载;
步骤410,置低过载保护标识信号Spt,标识变换器启动过程中,不存在负载过载,变换器可以正常运行;
步骤411,等待下次变换器启动过载检测。
本发明与现有技术相比,其显著优点为:
1)仅需额外采样桥臂中点电压,并加入积分和减法器电路即可实现,一方面实现方法简单方便,另一方面所述中点电压采样可通过简单的电阻分压取样,不会引入额外损耗,有利于开关电源模块的高效高功率密度。
2)本发明方案通过电阻分压取样桥臂中点电压和输出电压,具有取样信号强的优点;此外,本发明方案将取样信号进行积分运算,具有较强的抗干扰能力;另外,电阻分压取样及比较器监测的方案还具有动态响应快的优点,可以快速识别变换器过载保护工况。
3)本发明技术方案的电阻取样及电感电压积分的方案受变换器温度影响较弱,具有比较广泛的应用范围。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为基于电感电压积分的变换器过载启机保护电路图。
图2为同步整流降压变换器开机启动时所述第一第二开关管驱动信号Qs1Qs2以及电感Lf的电流波形图。
图3为实施例中300模块至303模块的电路图。
图4为逻辑及控制电路的控制逻辑图。
具体实施方式
下面将结合本申请实例中的附图,对本申请实例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例,基于本申请中的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
本发明实例以同步整流降压变换器为例,对本发明实例的技术方案进行描述,需要指出的是,本发明实例的过载启机保护的算法及电路同样适用其他类似的变换器拓扑,如升压变换器、四开关升降压变换器等。
在一个实施例中,结合图1,提供了一种基于电感电压积分的变换器过载启机保护电路,所述电路包括同步整流变换器主电路100、第一积分器电路101、第二积分器电路102、减法器电路103、比较器电路104、逻辑及控制电路105和变换器控制电路106;
所述同步整流变换器主电路100包括输入电压源vin、第一和第二开关管Q1、Q2、电感Lf、输出滤波电容Cf和输出负载电阻RLd等;此外还包括寄生体二极管和寄生电容 D1、C1、D2、C2等,所述寄生体二极管和寄生电容D1C1和D2C2分别并联连接于所述第一和第二开关管Q1、Q2两端;所述第一和第二开关管Q1、Q2串联连接构成开关管桥臂,所述桥臂并联接入至输入电压源vin,所述电感Lf一端连接于Q1、Q2构成的开关管桥臂中点,另一端连接至滤波电容Cf和输出负载RLd,所述同步整流变换器主电路100 的输出电压标记为vo;所述第一和第二开关管Q1、Q2串联构成开关管桥臂的中点电压标记为vA;从而,所述电感Lf的两端电压分别为vA和vin;
所述第一积分器电路101,用于对第一和第二开关管串联桥臂的中点电压vA和积分启动信号St进行处理,之后将输出信号vLA传输至减法器电路103;
所述第二积分器电路102,用于对同步整流变换器主电路100的输出电压信号vo和积分启动信号St进行处理,之后将输出信号vLB传输至减法器电路103;
所述减法器电路103,用于对所述输出信号vLA和vLB进行处理,之后将输出信号vAMB即当前变换器电感电流值的大小输出至比较器电路104;
所述比较器电路104,用于对所述输出信号vAMB和比较器的基准电压信号vF进行处理,之后将输出信号Sgt即过载保护标识信号传输至逻辑及控制电路105;Sgt即标识当前是否存在启机过载保护信号;当所述标识信号Sgt为高电平时,意味当前变换器负载过重,需关闭变换器不允许启机;当所述标识信号Sgt为低电平时,意味当前变换器负载正常,允许正常开机;
所述逻辑及控制电路105,一方面用于生成所述第一积分器电路101、第二积分器电路102的启动和清零信号即积分启动信号St,一方面用于生成所述比较器电路104的基准电压信号vF,其输入信号包括同步整流变换器主电路100的输入电压源信号vin、变换器开机启动信号Sst以及比较器电路104的输出信号Sgt,输出信号为Spt,还包括积分启动信号St和基准电压信号vF;
所述变换器控制电路106,用于控制同步整流变换器主电路100工作,包括控制第一和第二开关管的开通和关断、变换器的缓启动以及相关的保护,实现对输入电压源信号vin进行变压变换和控制,最终稳定输出vo;该电路的输入信号包括输入电压源信号 vin、同步整流变换器主电路100的输出电压信号vo、逻辑及控制电路105的输出信号Spt,输出信号包括变换器开机启动信号Sst,同步整流变换器主电路100的第一和第二开关管的驱动信号QS1和QS2。变换器启动表示信号Sst用于标识变换器的缓启动过程,当Sst由低电平跳变至高电平时,标识变换器开始缓启动;当Sst由高电平跳变至低电平时,标识变换器缓启动结束。所述输入信号Spt,由图1所示的逻辑及控制电路105产生,用于标识变换器负载是否过载,当Spt高电平时,标识当前变换器过载。所述变换器控制电路106依据标识信号Spt进行动作,当Spt高电平时,变换器控制电路106执行保护操作,关闭变换器的第一和第二开关管Q1 Q2,以防止故障扩散。
下面将阐述本发明的内在机理。
图2给出了所述同步整流降压变换器100开机启动时所述第一第二开关管驱动信号 Qs1Qs2以及所述电感Lf的电流波形。参见图1,所述降压变换器的第一开关管Q1和第二开关管Q2互补导通;当所述第一开关管Q1开通时,输入电压vin施加至电感Lf的左侧,输出电压vo施加至电感Lf的右侧,电感电流iLf线性上升,如式1所示,
类似地,当所述第一开关管Q1关断时,零电位施加至电感Lf的左侧,输出电压vo施加至电感Lf的右侧,电感电流iLf线性下降,如式2所示,
依据式(1)和式(2),即可分别求图2中,在t0~t4等各个时刻的电感电流值,如式(3) 所示,
此外,当第一开关管Q1开通时,由所述第一和第二开关管Q1Q2组成的桥臂中点电压vA=vin;而当第一开关管Q1关断时,所述桥臂中点电压vA=0,则式(3)可简化为式(4),
进一步地,若令变换器启动时刻t0为零时刻,则所述变换器启动之后的任意时刻的图1所示变换器的电感Lf的电流iLf可由式(5)获得,
由式(5)可以看出,仅通过采样所述桥臂中点电压vA和所述变换器输出电压vo,通过合理的控制和积分运算即可实现对所述降压变换器启动后的电感电流进行实时监控,当由于输出负载过载或者短路而导致变换器启动过程中电感电流过大时,及时采取措施,避免故障扩散而损坏所述变换器,提升变换器的可靠性。此外,本发明实例所述的方案仅需额外采样桥臂中点电压,并加入积分和减法器电路即可实现,一方面实现方法简单方便,另一方面所述中点电压采样可通过简单的电阻分压取样,不会引入额外损耗,有利于开关电源模块的高效高功率密度。
进一步地,在其中一个实施例中,结合图3,所述第一积分器电路101即300模块包括第一电阻R11、第二电阻R12、第三电阻R13、第四电阻R14、第一积分电容C11、第二积分电容C12、第一复位开关S10、第一运放Op1;所述第一和第二开关管串联桥臂的中点电压vA通过串联的第一电阻R11和第二电阻R12后接地,第一电阻R11和第二电阻 R12的公共端通过第三电阻R13连接第一运放Op1的正输入端,该正输入端同时通过第二积分电容C12接地,第一运放Op1的负输入端通过第四电阻R14接地,同时通过第一积分电容C11连接第一运放Op1的输出端,输出信号vLA,所述第一复位开关S10并联于第一积分电容C11两端,并且所述第一复位开关S10受驱动信号St控制,当St为高电平时,第一复位开关S10闭合,所述第一积分电容被短路,比较器输出电压降为0V;类似地,当控制信号St为低电平时,积分电容开始积分,比较器输出电压。
这里优选地,参数选择为:所述第三电阻R13和第四电阻R14阻值相等,所述第一积分电容C11和第二积分电容C12容值相等,即R13=R14,C12=C11。
所述第一运放Op1输出电压如式(6)所示,
需要指出的是,为避免在变换器启动过程中,第一运放Op1输出饱和,通常需保证:
式中,Vops表示运放的供电电压,Tst表示变换器启动时间,Dmax表示变换器启动过程中主开关管的最大占空比。
进一步地,在其中一个实施例中,所述第二积分器电路102即301模块包括第五电阻R21、第六电阻R22、第七电阻R23、第八电阻R24、第三积分电容C21、第四积分电容 C22、第二复位开关S20以及第二运放Op2;所述同步整流变换器主电路100的输出电压信号vo通过串联的第五电阻R21和第六电阻R22后接地,第五电阻R21和第六电阻R22的公共端通过第七电阻R23连接第二运放Op2的正输入端,该正输入端同时通过第四积分电容C22接地,第二运放Op2的负输入端通过第八电阻R24接地,同时通过第三积分电容C21连接第二运放Op2的输出端,输出信号vLB,所述第二复位开关S20并联于第三积分电容C21两端。
进一步地,在其中一个实施例中,所述减法器电路103即302模块包括第九电阻R31、第十电阻R32、第十一电阻R33、第十二电阻R34及第三运放Op3;所述输出信号vLB、输出信号vLA分别通过第九电阻R31、第十电阻R32分别连接第三运放Op3的负输入端和正输入端,第三运放Op3的负输入端同时通过第十二电阻R34连接其输出端,输出信号 vAMB,第三运放Op3的正输入端同时通过第十一电阻R33。
这里优选地,所述第九电阻R31、第十电阻R32、第十一电阻R33和第十二电阻R34的阻值相等,即R31=R32=R33=R34。
第三运放Op3的输出vAMB和输入信号vlA和vlB的数学关系如下式(8)所示,
vAMB=vlB-vlA (8)
进一步地,在其中一个实施例中,所述比较器电路104即303模块包括第十三电阻R41、第十四电阻R42和第一比较器Cp1,所述基准电压信号vF、信号vAMB分别通过第十三电阻R41、第十四电阻R42分别连接第一比较器Cp1的正、负输入端。所述基准信号由 105模块电路产生,所述比较信号vAMB由302模块电路产生。当所述比较信号vAMB比所述基准信号vF高时,第一比较器Cp1输出信号sgt为低电平,反之为高电平。
进一步地,在其中一个实施例中,所述逻辑及控制电路105的实现,优选数字控制器,模块主要目的是配和主功率电路的功率控制对所述101至104模块进行特定时序管理,并获取标识当前变换器是否存在过载启机。结合图4,逻辑及控制电路105的控制逻辑包括以下步骤:
步骤400,系统初始化;
步骤401,检测输入电压源信号vin是否在设置范围内,若是则执行步骤402,否则继续等待;
步骤402,检测变换器开机启动信号Sst是否由低电平跳变至高电平,若是,则表示变换器准备启动,执行步骤403,否则继续等待;
步骤403,设置比较器基准电压信号vF;
步骤404,置高积分启动信号St;
步骤405,开始延时计时;
步骤406,检测是否到达延时时间Td,若是,则执行步骤407,否则继续等待;
这里,需要指出的是,延时时间Td的选择需要保证图3的300和301模块积分电容C11和C21的电荷充分释放,该时间通常在10μs左右。
步骤407,检测第一比较器Cp1的输出信号Sgt是否为低电平,若是则执行步骤408,否则执行步骤409;
步骤408,置高过载保护标识信号Spt,之后执行步骤411;
这里,标识信号Spt通知图1所示的变换器控制电路,以采取下一步动作,关闭变换器或者其他保护性操作;
步骤409,检测变换器开机启动信号Sst是否由高电平跳变至低电平,若是则标识变换器完成缓启动,执行步骤410,否则重新执行步骤407,继续检测是否存在启动过程中变换器过载;
步骤410,置低过载保护标识信号Spt,标识变换器启动过程中,不存在负载过载,变换器可以正常运行;
步骤411,等待下次变换器启动过载检测。
以上仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于电感电压积分的变换器过载启机保护电路,其特征在于,所述电路包括同步整流变换器主电路(100)、第一积分器电路(101)、第二积分器电路(102)、减法器电路(103)、比较器电路(104)、逻辑及控制电路(105)和变换器控制电路(106);
所述第一积分器电路(101),用于对第一和第二开关管串联桥臂的中点电压vA和积分启动信号St进行处理,之后将输出信号vLA传输至减法器电路(103);
所述第二积分器电路(102),用于对同步整流变换器主电路(100)的输出电压信号vo和积分启动信号St进行处理,之后将输出信号vLB传输至减法器电路(103);
所述减法器电路(103),用于对所述输出信号vLA和vLB进行处理,之后将输出信号vAMB即当前变换器电感电流值的大小输出至比较器电路(104);
所述比较器电路(104),用于对所述输出信号vAMB和比较器的基准电压信号vF进行处理,之后将输出信号Sgt即过载保护标识信号传输至逻辑及控制电路(105);
所述逻辑及控制电路(105),一方面用于生成所述第一积分器电路(101)、第二积分器电路(102)的启动和清零信号即积分启动信号St,一方面用于生成所述比较器电路(104)的基准电压信号vF,其输入信号包括同步整流变换器主电路(100)的输入电压源信号vin、变换器开机启动信号Sst以及比较器电路(104)的输出信号Sgt,输出信号为Spt,还包括积分启动信号St和基准电压信号vF;
所述变换器控制电路(106),用于控制同步整流变换器主电路(100)工作,实现对输入电压源信号vin进行变压变换和控制,最终稳定输出vo;所述变换器控制电路(106)的输入信号包括输入电压源信号vin、同步整流变换器主电路(100)的输出电压信号vo、逻辑及控制电路(105)的输出信号Spt,输出信号包括变换器开机启动信号Sst,同步整流变换器主电路(100)的第一和第二开关管的驱动信号QS1和QS2。
2.根据权利要求1所述的基于电感电压积分的变换器过载启机保护电路,其特征在于,所述第一积分器电路(101)包括第一电阻(R11)、第二电阻(R12)、第三电阻(R13)、第四电阻(R14)、第一积分电容(C11)、第二积分电容(C12)、第一复位开关(S10)、第一运放(Op1);所述第一和第二开关管串联桥臂的中点电压vA通过串联的第一电阻(R11)和第二电阻(R12)后接地,第一电阻(R11)和第二电阻(R12)的公共端通过第三电阻(R13)连接第一运放(Op1)的正输入端,该正输入端同时通过第二积分电容(C12)接地,第一运放(Op1)的负输入端通过第四电阻(R14)接地,同时通过第一积分电容(C11)连接第一运放(Op1)的输出端,该输出端输出信号vLA,所述第一复位开关(S10)并联于第一积分电容(C11)两端。
3.根据权利要求2所述的基于电感电压积分的变换器过载启机保护电路,其特征在于,所述第三电阻(R13)和第四电阻(R14)阻值相等。
4.根据权利要求2所述的基于电感电压积分的变换器过载启机保护电路,其特征在于,所述第一积分电容(C11)和第二积分电容(C12)容值相等。
5.根据权利要求2所述的基于电感电压积分的变换器过载启机保护电路,其特征在于,所述输出信号vLA需满足:
式中,Vops表示运放的供电电压,Tst表示变换器启动时间,Dmax表示变换器启动过程中主开关管的最大占空比。
6.根据权利要求1所述的基于电感电压积分的变换器过载启机保护电路,其特征在于,所述第二积分器电路(102)包括第五电阻(R21)、第六电阻(R22)、第七电阻(R23)、第八电阻(R24)、第三积分电容(C21)、第四积分电容(C22)、第二复位开关(S20)以及第二运放(Op2);所述同步整流变换器主电路(100)的输出电压信号vo通过串联的第五电阻(R21)和第六电阻(R22)后接地,第五电阻(R21)和第六电阻(R22)的公共端通过第七电阻(R23)连接第二运放(Op2)的正输入端,该正输入端同时通过第四积分电容(C22)接地,第二运放(Op2)的负输入端通过第八电阻(R24)接地,同时通过第三积分电容(C21)连接第二运放(Op2)的输出端,该输出端输出信号vLB,所述第二复位开关(S20)并联于第三积分电容(C21)两端。
7.根据权利要求1所述的基于电感电压积分的变换器过载启机保护电路,其特征在于,所述减法器电路(103)包括第九电阻(R31)、第十电阻(R32)、第十一电阻(R33)、第十二电阻(R34)及第三运放(Op3);所述输出信号vLB、输出信号vLA分别通过第九电阻(R31)、第十电阻(R32)分别连接第三运放(Op3)的负输入端和正输入端,第三运放(Op3)的负输入端同时通过第十二电阻(R34)连接其输出端,该输出端输出信号vAMB,第三运放(Op3)的正输入端同时通过第十一电阻(R33)。
8.根据权利要求7所述的基于电感电压积分的变换器过载启机保护电路,其特征在于,所述第九电阻(R31)、第十电阻(R32)、第十一电阻(R33)和第十二电阻(R34)的阻值相等。
9.根据权利要求1所述的基于电感电压积分的变换器过载启机保护电路,其特征在于,所述比较器电路(104)包括第十三电阻(R41)、第十四电阻(R42)和第一比较器(Cp1),所述基准电压信号vF、信号vAMB分别通过第十三电阻(R41)、第十四电阻(R42)分别连接第一比较器(Cp1)的正、负输入端。
10.根据权利要求1所述的基于电感电压积分的变换器过载启机保护电路,其特征在于,所述逻辑及控制电路(105)的控制逻辑包括以下步骤:
步骤400,系统初始化;
步骤401,检测输入电压源信号vin是否在设置范围内,若是则执行步骤402,否则继续等待;
步骤402,检测变换器开机启动信号Sst是否由低电平跳变至高电平,若是,则表示变换器准备启动,执行步骤403,否则继续等待;
步骤403,设置比较器基准电压信号vF;
步骤404,置高积分启动信号St;
步骤405,开始延时计时;
步骤406,检测是否到达延时时间Td,若是,则执行步骤407,否则继续等待;
步骤407,检测第一比较器(Cp1)的输出信号Sgt是否为低电平,若是则执行步骤408,否则执行步骤409;
步骤408,置高过载保护标识信号Spt,之后执行步骤411;
步骤409,检测变换器开机启动信号Sst是否由高电平跳变至低电平,若是则标识变换器完成缓启动,执行步骤410,否则重新执行步骤407,继续检测是否存在启动过程中变换器过载;
步骤410,置低过载保护标识信号Spt,标识变换器启动过程中,不存在负载过载,变换器可以正常运行;
步骤411,等待下次变换器启动过载检测。
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