CN101752840A - 一种数控电源过压保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种数控电源过压保护电路，包括软启动电路、整流电路、滤波电路、辅助电源和监控电路，交流电经软启动电路输入到整流电路整流，再经滤波电路滤波后，将直流电输入到辅助电源，辅助电源为监控电路提供直流电压，所述监控电路检测所述数控电源的交流电压和/或母线电压并生成过压保护信号；该数控电源过压保护电路还包括过压保护电路，所述过压保护电路用于从监控电路接收过压保护信号和/或从母线获取母线电压，并根据所述监控电路过压保护信号和/或所述母线电压控制所述软启动电路。实施本发明的数控电源过压保护电路，无需外供电源、设计简单，并且可以在获得数字控制器的保护所需时间较长的情况下，由过压保护电路快速进行保护。
Description
技术领域
本发明涉及一种过压保护电路，更具体地说，涉及一种数控电源过压保护电路。
背景技术
AC-DC开关电源在实际应用环境中，经常会遇到电网电压的大范围波动。在中大功率等级，开关电源的前级要求设计有源功率因数校正(PFC)电路，以减少输入电流谐波对电网的污染。不同电源的PFC母线电压可能设计不一，但对于某个特定的电源，母线电压一般不应超过PFC电解电容的耐压允许值。如果交流电压高于电源的输入过压保护点，整流后的母线电压将可能超出电解电容耐压值，使电容和其他半导体器件出现失效。更严重的情况下，电容会出现壳体鼓胀，防爆阀动作等恶性事故，对电源模块本身和系统的安全造成风险。因此，良好的可靠性设计必须在交流电压超过输入过压保护点时，及时跳开输入继电器，使电源与电网短时脱离。
在模控电源中，交流采样和过压保护电路一般都由硬件电路搭建。采样电路通过电阻分压器采得实时的交流电压信号，将其与参考电压相比较。当交流采样值大于参考电压时，比较器翻转，得到继电器动作信号。该信号驱动输入继电器线圈，使触点跳开，电源与电网短时脱离，保证了母线电容电压不再继续上升。
硬件保护电路的优点是实时性非常好，响应及时。由于所用运放或比较器需从辅助电源供电，当电源在交流已过压的条件下上电，从上电起到触点跳开的延迟时间td主要由两部分构成：一是交流上电到辅助电源建立的时间taux(一般为几十到一百多毫秒)；二是继电器动作的机械延迟trelay(一般为几毫秒)。相比而言，逻辑电路的运放或比较器的响应时间很短(一般几微秒)，与前两项相比，可忽略不计。因此，只要合理设计好辅助电源的启动电路参数，使(taux+trelay)＜td并有足够裕量，能保证上电时的可靠保护。
对于数控电源，控制器需要先将各种信号通过AD采样转换为离散的数字量，再由内部指令判断各种逻辑关系。当电源处于工作状态，控制器实时采样交流电压和PFC母线电压。当两者同时出现过压时，控制器发出过压脱离信号。由于过压保护信号是由程序逻辑判断产生的，可称为软件保护。
然而，仅采用软件保护的电源在交流已过压时上电，会面临一个问题。通常，控制器芯片需要电压调整器为其提供特定的工作电压(如3.3V、1.8V等)。而控制器电源的建立时间会带来额外延迟tpset。某些控制器采用的电压监视器芯片还存在复位时间tmset。此外，控制器在首次上电时，需进行内部寄存器复位和初始化，以及程序重载、读取外存数据等一系列动作，这给软件保护又带来新的延迟tcset。如果(tpset+tmset+tcset)设计过大，会给整个保护延迟td带来严重影响，甚至在初始化还未完成前，交流整流后的电压已超出母线电压的安全上限。
为解决该问题，现有的设计是通过硬件保护和软件保护相结合来实现。硬件保护借用模控电源的思想，将交流采样信号与集成比较器(或运放)的设定值相比较，判断交流是否过压，这种方案的缺点是电路较复杂，器件较多，PCB占用面积大，且运放和比较器需外供电源。
因此需要一种无需外供电源、设计简单的数控电源过压保护电路。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的数控电源过压保护电路设计复杂、器件较多、占用面积大，且需外供电源的缺陷，提供一种无需外供电源、设计简单的数控电源过压保护电路。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种数控电源过压保护电路，包括软启动电路、整流电路、滤波电路、辅助电源和监控电路，
交流电经软启动电路输入到整流电路整流，再经滤波电路滤波后，将直流电输入到辅助电源，辅助电源为监控电路提供直流电压，所述监控电路检测所述数控电源的交流电压和/或母线电压并生成过压保护信号；
其中，所述数控电源过压保护电路进一步包括过压保护电路，所述过压保护电路用于从监控电路接收过压保护信号和/或从母线获取母线电压，并根据所述过压保护信号和/或所述母线电压控制所述软启动电路。
在本发明所述的数控电源过压保护电路中，所述软启动电路包括软启动电阻R1、第一电控开关K1和第二电控开关K2，其中所述第二电控开关K2与所述软启动电阻R1串联在同一交流相线，所述第二电控开关K2与所述软启动电阻R1构成的串联电路与所述第一电控开关K1并联。
在本发明所述的数控电源过压保护电路中，所述第一电控开关K1和第二电控开关K2是继电器。
在本发明所述的数控电源过压保护电路中，所述监控电路包括在检测到交流过压或母线过压时生成过压保护信号的数字控制器T1和用于检测所述数字控制器T1的电源是否建立的电压监视器U3。
在本发明所述的数控电源过压保护电路中，所述过压保护电路包括母线过压保护单元和数字控制过压保护单元；所述母线过压保护单元在母线过压时用于控制所述第二继电器K2断开，所述数字控制过压保护单元在接收到所述数字控制器T1发送的过压保护信号时，控制所述第二继电器K2断开。
在本发明所述的数控电源过压保护电路中，所述母线过压保护单元包括：电阻R7、R8、电容C2和电压调整器U1，其中所述电压调整器U1的阳极连接到所述第二电控开关K2的控制端OVERRELAY、阴极接地，所述电阻R7、R8串联后连接到所述滤波电路的电压输出端PFCOVP和地AGND之间，所述电压调整器U1的参考极REF连接到所述电阻R7和R8之间，所述电容C2连接在所述电压调整器U1的参考极REF和地之间。
在本发明所述的数控电源过压保护电路中，所述电压调整器U1包括运算比较器U2、三极管Q3和二极管D5，所述比较器U2的正向输入端连接到所述电压调整器U1的参考极REF，所述比较器U2的反向输入端经参考电压Vref连接到所述电压调整器U1的阳极，所述比较器U2的输出端连接到三极管Q3的基极，所述三极管Q3的发射极连接到所述电压调整器U1的阳极，所述三极管Q3的集电极连接到所述电压调整器U1的阴极，所述二极管D5的阳极连接到所述三极管Q3的发射极、阴极连接到所述三极管Q3的集电极。
在本发明所述的数控电源过压保护电路中，所述数字控制过压保护单元包括：三极管Q2、二极管D4和电阻R9，所述三极管Q2的基极接收所述监控电路的过压保护信号，所述三极管Q2的集电极经电阻R9连接到所述第二电控开关K2的控制端OVERRELAY、发射极接地，所述二极管D4的阳极接地、阴极连接到所述三极管Q2的集电极。
在本发明所述的数控电源过压保护电路中，所述数控电源过压保护电路进一步包括用于采样交流电压信号的交流采样电路。
实施本发明的数控电源过压保护电路，无需外供电源、设计简单，并且可以在获得数字控制器的保护所需时间较长的情况下，可由过压保护电路快速进行保护。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的数控电源过压保护电路的第一实施例的原理框图；
图2是本发明的数控电源过压保护电路的第二实施例的原理框图；
图3是本发明的数控电源过压保护电路的过压保护电路的母线过压保护单元的电路示意图；
图4本发明的数控电源过压保护电路的过压保护电路的数字控制过压保护单元的电路示意图；
图5是本发明的数控电源过压保护电路的电压调整器的原理框图；
图6是本发明的数控电源的第三实施例的电路原理图；
图7是交流415V过压状态从上电到硬件过压脱离的延时示意图；
图8是图7从辅助电源建立到数字控制器电压监视辅助电源完成复位延时示意图；
图9是图7从电压监视器复位后到发出过压保护信号的延时示意图；
图10是图7从母线电压过压保护到数字控制器过压保护的延时示意图；
图11是本发明的数控电源在交流始终过压状态下的间歇工作方式示意图。
具体实施方式
图1是本发明的数控电源过压保护电路的第一实施例的原理框图。如图1所示，本发明的一种数控电源过压保护电路，包括软启动电路1、整流电路2、滤波电路7、辅助电源4、监控电路10和过压保护电路11，交流电经软启动电路1输入到整流电路2整流，再经滤波电路7滤波后，将直流电输入到辅助电源4，辅助电源4为监控电路10提供直流电压，所述监控电路10检测所述数控电源的交流电压和/或母线电压并生成过压保护信号。所述过压保护电路11用于从监控电路10接收过压保护信号和/或从母线获取母线电压，并根据所述监控电路过压保护信号和/或所述母线电压控制所述软启动电路1。
图2是本发明的数控电源过压保护电路的第二实施例的原理框图。如图2所示，所述软启动电路1包括软启动电阻R1、第一电控开关K1和第二电控开关K2，其中所述第二电控开关K2与所述软启动电阻R1串联在同一交流相线，所述第二电控开关K2与所述软启动电阻R1构成的串联电路与所述第一电控开关K1并联。所述监控电路10包括在发生交流过压或母线过压时生成过压保护信号的数字控制器T1和用于检测所述数字控制器T1的电源是否建立的电压监视器U3。所述过压保护电路11包括母线过压保护单元111和数字控制过压保护单元112；所述母线过压保护单元111在母线过压时用于控制所述第二继电器K2断开，所述数字控制过压保护单元112在接收到所述数字控制器T1发送的过压保护信号时，控制所述第二继电器K2断开。在本实施例中，本发明的数控电源过压保护电路进一步包括用于采样交流电压信号的交流采样电路5，所述数字控制器T1可通过所述交流采样电路5获取交流电压。
图3是本发明的数控电源过压保护电路的过压保护电路的母线过压保护单元的电路示意图。图4本发明的数控电源过压保护电路的过压保护电路的数字控制过压保护单元的电路示意图。其中母线过压保护单元采用硬件检测，通过图3所示的电路进行母线电压的检测和过压保护。数字控制过压保护单元采用软件进行保护，通过图4所示的电路接收数字控制器的过压保护信号来对电源进行过压保护。
如图3和4所示，所述过压保护电路11包括：电阻R7、R8、电容C2和电压调整器U1组成的母线过压保护单元111；以及三极管Q2、二极管D4和电阻R9组成的数字控制过压保护单元112。所述电压调整器U1的阳极连接到所述第二电控开关K2的控制端OVERRELAY、阴极接地，所述电阻R7、R8串联后连接到所述滤波电路的电压输出端PFCOVP和地AGND之间，所述电压调整器U1的参考极REF连接到所述电阻R7和R8之间，所述电容C2连接在所述电压调整器U1的参考极REF和地之间。所述三极管Q2的基极接收所述监控电路10的过压保护信号，所述三极管Q2的集电极经电阻R9连接到所述第二电控开关K2的控制端OVERRELAY、发射极接地，所述二极管D4的阳极接地、阴极连接到所述三极管Q2的集电极。
图5是本发明的数控电源过压保护电路的电压调整器的原理框图。如图5所示，所述电压调整器U1包括运算比较器U2、三极管Q3和二极管D5，所述比较器U2的正向输入端连接到所述电压调整器U1的参考极REF，所述比较器U2的反向输入端经参考电压Vref连接到所述电压调整器U1的阳极，所述比较器U2的输出端连接到三极管Q3的基极，所述三极管Q3的发射极连接到所述电压调整器U1的阳极，所述三极管Q3的集电极连接到所述电压调整器U1的阴极，所述二极管D5的阳极连接到所述三极管Q3的发射极、阴极连接到所述三极管Q3的集电极。
图6是本发明的数控电源的第三实施例的电路原理图。如图6所示，第一电控开关K1和第二电控开关K2均为继电器。其工作原理如下.
第一继电器K1为常开触点，第二继电器K2为常闭触点。电源上电前，第一继电器K1的线圈控制端MAINRELAY和第二继电器K2的线圈控制端OVERRELAY都为悬空态。上电后，交流通过软启动电阻R1、第二继电器K2的常闭触点和整流桥B1向电容C1充电。当电容C1两端电压PFCOUT升高到某一设定值，从PFCOUT取电的辅助电源开始启动。交流上电后经过taux延迟，辅助电源4输出电压完全建立。
本实施例中，辅助电源4的输出经电压调整后进一步降低，达到数字控制器T1允许的电压范围。本实施例所用的数字控制器为TITMS320F280x，供电电压为3.3V和1.8V。在控制器初始化前，由电压监视器U3监测数字控制器TI电源是否已建立。交流上电后经过(taux+tpset+tmset)延迟，电压监视器U3复位完成。
电压监视器U3复位后，数字控制器T1开始初始化，完成寄存器复位、程序重载及外设访问等操作。如果交流电压正常，数字控制器T1发出第一继电器K1吸合信号，将软启动电阻R1和第二继电器K2短路，电源开始正常工作。若检测到交流过压或母线过压，数字控制器T1则发出过压保护信号。OV_RE端电压由低变高，三极管Q2导通，第二继电器K2的线圈流过电流，触点脱开。可见，如果上电前交流已过压，则上电后需经过(taux+tpset+tmset+tcset+trelay)延迟，电源才能与电网完全脱离。
以上可知，初始化引入的延迟时间(tpset+tmset+tcset)对可靠性非常重要。如果延迟时间太长，在数字控制器T1在发出过压保护信号前，母线可能就已严重过压。为避免该风险，所述过压保护电路11还包括一个如图3所示的母线过压保护单元。所述母线过压保护单元进一步包括电压调整器U1。所述电压调整器U1的原理框图参见图5。该电压调整器U1通过将母线电压采样值PFCOVP与内部基准源Vref相比较，控制三极管Q3是否开通或关断。当母线电压超过保护点，比较器U2输出高电平，内置三极管Q3导通，将OVREERELAY信号由高电平拉低，第二继电器K2常闭触点脱开。由于比较器U2和三极管Q3集成在一体，与传统运放/比较器电路相比，外部器件极少，占用PCB面积很小，且不需外供电源。
本领域技术人员可以理解，图3和4示出的过压保护电路11的母线过压保护单元111和数字控制过压保护单元112，其是电气上并联的构成逻辑“或”关系。也就是，不论检测到母线过压，还是数字控制器发出过压保护信号，都会使OVERRELAY由高变低，使第二继电器K2常闭触点脱开。
采用图3示出的母线过压保护单元111，可以显著减小在交流已过压时上电后数字控制过压保护单元112的软件保护所引入的延迟。一般地，上电后经过(taux+trelay)延迟，电源就能与电网脱离。在交流恢复正常前，第一继电器K1触点处于常开状态。当第二继电器K2脱开后，母线电压逐渐下降。当母线电压跌至辅助电源不足以继续吸合第二继电器K2的触点时，第二继电器K2的常闭触点再次吸合，母线电压又重新上升。如果交流始终处于过压，电源将工作在“打嗝”状态。在该模式下，电源在交流过压恢复后，能自行回到正常工作。
图7-11示出了图6示出的实施例在交流415V过压状态下，上下电后各种逻辑时序，其中母线电容300uF，软启动限流电阻R1为220Ω。其中，图7示出的交流415V过压状态从上电到母线过压脱离的时间延迟taux+trelay约为224ms。图8示出的辅助电源建立到数字控制器电压监视辅助电源完成复位的延迟tpset+tmset约为176ms。图9示出的从电压监视器复位后到发出过压保护信号的延迟tcset约为20ms。图10示出的从母线过压保护到数字控制器过压保护的延迟tpset+tmset+tcset约为196ms。
采用本发明的电压调整器U1，由于内置比较器U2输出没有外部引脚，无法实现滞环功能。因此，由图3示出的过压保护电路的母线过压保护单元111的硬件保护会使第二继电器K2出现短时频繁动作。为减少第二继电器K2动作次数，延长其使用寿命，在数字控制器T1初始化完成后，可仅由数字控制器T1进行过压保护。通常，数字控制器T1采用的软件保护的设定点比母线过压保护单元采用的硬件保护的设定点略低，并做滞环设计，因此软件保护不会使第二继电器K2继续频繁动作。
对于处于正常工作中的电源模块，数字控制器T1会实时监测交流电压和母线电压。一旦出现两者同时过压，可以及时响应，将第一继电器K1和第二继电器K2都脱开，不再需要母线过压保护单元111进行保护。
图3和4示出的过压保护电路11的母线过压保护单元111和数字控制过压保护单元112，其是电气上并联的构成逻辑“或”关系。所以当数字控制器的软件保护不起作用或失效时，母线电压检测部份硬件保护能够实现输入过压保护功能。
虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。
Claims (9)
1.一种数控电源过压保护电路，包括软启动电路(1)、整流电路(2)、滤波电路(7)、辅助电源(4)和监控电路(10)，
交流电经软启动电路(1)输入到整流电路(2)整流，再经滤波电路(7)滤波后，将直流电输入到辅助电源(4)，辅助电源(4)为监控电路(10)提供直流电压，所述监控电路(10)检测所述数控电源的交流电压和/或母线电压并生成过压保护信号；
其特征在于，
所述数控电源过压保护电路进一步包括过压保护电路(11)，所述过压保护电路(11)用于从监控电路(10)接收过压保护信号和/或从母线获取母线电压，并根据所述过压保护信号和/或所述母线电压控制所述软启动电路(1)。
2.根据权利要求1所述的数控电源过压保护电路，其特征在于，所述软启动电路(1)包括软启动电阻R1、第一电控开关K1和第二电控开关K2，其中所述第二电控开关K2与所述软启动电阻R1串联在同一交流相线，所述第二电控开关K2与所述软启动电阻R1构成的串联电路与所述第一电控开关K1并联。
3.根据权利要求2所述的数控电源过压保护电路，其特征在于，所述第一电控开关K1和第二电控开关K2是继电器。
4.根据权利要求1所述的数控电源过压保护电路，其特征在于，所述监控电路(10)包括在检测到交流过压或母线过压时生成过压保护信号的数字控制器T1和用于检测所述数字控制器T1的电源是否建立的电压监视器U3。
5.根据权利要求4所述的数控电源过压保护电路，其特征在于，所述过压保护电路(11)包括母线过压保护单元(111)和数字控制过压保护单元(112)；所述母线过压保护单元(111)在母线过压时用于控制所述第二继电器K2断开，所述数字控制过压保护单元(112)在接收到所述数字控制器T1发送的过压保护信号时，控制所述第二继电器K2断开。
6.根据权利要求5所述的数控电源过压保护电路，其特征在于，所述母线过压保护单元(111)包括：电阻R7、R8、电容C2和电压调整器U1，其中所述电压调整器U1的阳极连接到所述第二电控开关K2的控制端OVERRELAY、阴极接地，所述电阻R7、R8串联后连接到所述滤波电路的电压输出端PFCOVP和地AGND之间，所述电压调整器U1的参考极REF连接到所述电阻R7和R8之间，所述电容C2连接在所述电压调整器U1的参考极REF和地之间。
7.根据权利要求6所述的数控电源过压保护电路，其特征在于，所述电压调整器U1包括运算比较器U2、三极管Q3和二极管D5，所述比较器U2的正向输入端连接到所述电压调整器U1的参考极REF，所述比较器U2的反向输入端经参考电压Vref连接到所述电压调整器U1的阳极，所述比较器U2的输出端连接到三极管Q3的基极，所述三极管Q3的发射极连接到所述电压调整器U1的阳极，所述三极管Q3的集电极连接到所述电压调整器U1的阴极，所述二极管D5的阳极连接到所述三极管Q3的发射极、阴极连接到所述三极管Q3的集电极。
8.根据权利要求5所述的数控电源过压保护电路，其特征在于，所述数字控制过压保护单元(112)包括：三极管Q2、二极管D4和电阻R9，所述三极管Q2的基极接收所述监控电路(10)的过压保护信号，所述三极管Q2的集电极经电阻R9连接到所述第二电控开关K2的控制端OVERRELAY、发射极接地，所述二极管D4的阳极接地、阴极连接到所述三极管Q2的集电极。
9.根据权利要求1所述的数控电源过压保护电路，其特征在于，所述数控电源过压保护电路进一步包括用于采样交流电压信号的交流采样电路(5)。
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