CN102457054A

CN102457054A - 一种电流采样电路防浪涌保护装置和方法

Info

Publication number: CN102457054A
Application number: CN2010105203682A
Authority: CN
Inventors: 雷彦; 张锁成
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2010-10-22
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2012-05-16

Abstract

本发明提供一种电流采样电路防浪涌保护装置，包括采样单元、信号处理单元和控制单元，还包括：与采样单元并联的第一浪涌防护单元，和/或，与信号处理单元并联的第二浪涌防护单元，其中：所述第一浪涌防护单元或第二浪涌防护单元在其两端压降低于触发导通电压时截止；在采样端口两端压降高于所述触发导通电压时导通，将与其并联的采样单元或信号处理单元两端的电压钳位于一钳位电压。本发明提供一种电流采样电路防浪涌保护方法。本发明对采样单元和信号处理单元进行电压钳位保护，有效的抑制浪涌电流在采样电路上形成的瞬间电压，保护电路在浪涌时能够安全可靠地工作。

Description

一种电流采样电路防浪涌保护装置和方法

技术领域

本发明涉及防浪涌保护领域，尤其涉及直接耦合电流采样电路的防浪涌保护方法和装置。

背景技术

浪涌是指超过正常工作电压的瞬间过电压，其出现容易造成电路损坏。随着电子技术的快速发展，集成电路等对电压和电流的敏感程度越来越高，浪涌发生时产生的过电压和电流成为造成电子设备损坏和工作中断的主要因素之一。因此对于浪涌的防护已经成为目前通信等电子行业重点关注和防范的问题。

目前，在各类设备系统中，为了更好地把握系统的实际工作情况，提高其稳定性、可靠性，通常会对工作电流进行采样监控，实时控制系统运作。常见的电流直接耦合采样电路中，通常由采样电阻、电压处理电路和控制电路组成，其原理如附图1-1所示，首先是选用合适的功率电阻串接在电路中的采样端口，对负载电流进行采样，该电阻可以串接在电路的输入部分也可以串接在电源的输出部分。然后通过电压处理电路将采样信号和参考信号相比较处理输出信号，最后控制电路将电压处理电路的输出信号转化成控制信号来控制主电路开关管以减小负载电流或关断电路，从而起到保护的作用。

尤其如专利EP2187514A1所揭示的那样，如图1-2所示的开关电源装置中的过电流保护电路主要由采样电阻、电压处理电路和控制电路组成。图中电阻R7串接在次级电路中对负载电流进行采样；输入端的晶体管Q4和输出端的晶体管Q3组成的第一个镜像电流电路的作用是：提供参考电压；由晶体管Q5和晶体管Q6组成的第二个镜像电流电路主要作用是：对流过晶体管Q3的电流因温度而产生的误差进行补偿。图中控制电路的输入是采样电压同参考电压相比较后所得的信号，而控制电路的输出则主要用于控制初级开关的开通和关断以实现对电路的限流或关断目的。该电路增加晶体管Q5和晶体管Q6来实现对补偿采样信号因温度引起的偏差，使得采用这种晶体管组成的比较器精度大大提高，适合于对电流采样高精度要求的场合。该电流采样信号的补偿方式在各种电路的拓扑结构中均可应用。

但是现有技术中的电路设置有其局限性，如若瞬间有大浪涌电流Δi流过采样电阻时，电阻所承受的瞬间功耗较大，当远超过电阻额度功耗时，电阻可能烧毁；同时电阻两端的电压Δv＝Δi×R瞬间增大，当该电压大于比较器采样输入端所能承受的电压时，采样电路会遭到损坏，其后端的控制电路大多采用集成的控制芯片管脚之间的耐压有限，此时会损坏芯片。

针对这种损坏，目前对于电流采样的浪涌保护主要依赖于电源输入Vi端口设置防雷装置吸收瞬间能量，当大部分能量被防雷装置吸收后，流过采样电阻的电流大为减少，电阻的瞬间功耗和两端电压相应减小从而保护控制电路不被损坏。但是目前电压处理电路大多采用集成的比较器或晶体管器件搭建的比较器来实现，控制电路大多由DSP等集成的控制芯片组成，因此无论是电压处理电路或控制电路所能承受的电压都比较小，对于过电压、过电流，尤其是浪涌发生时的抗损坏性要求较高，一旦前级防雷装置出现可靠性问题时或者出现防雷装置不能完全吸收的浪涌时，流过电阻的浪涌电流很容易把电压处理电路和控制电路损坏。

因此，为了维护设备的安全，保护设备稳定运行，对于采样电路的防浪涌保护提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中缺乏对采样电路进行单独浪涌保护导致损坏的问题，提供一种对电流采样电路实行单独防浪涌保护的方法和装置，有效的抑制浪涌电流在采样电路上形成的瞬间电压，保护电路在浪涌时能够安全可靠地工作。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电流采样电路防浪涌保护装置，包括采样单元，连接在采样端口之间，用于对电路的负载电流采样，产生采样信号，供信号处理单元使用；信号处理单元，与所述采样单元并联，用于将所述采样信号与基准信号对比，并输出对比信号到控制单元；控制单元，用于根据所述信号处理单元输出的所述对比信号输出控制信号控制所述电路的负载电流；其中：

所述装置还包括：与所述采样单元并联的第一浪涌防护单元，和/或，与所述信号处理单元并联的第二浪涌防护单元，其中：

所述第一浪涌防护单元或第二浪涌防护单元在其两端压降低于触发导通电压时截止；在采样端口两端压降高于所述触发导通电压时导通，将与其并联的采样单元或信号处理单元两端的电压钳位于一钳位电压。

进一步地，所述第一浪涌防护单元或第二浪涌防护单元由至少两个二极管并联组成，且所述两个二极管导通方向相反。

进一步地，所述第一浪涌防护单元或第二浪涌防护单元由至少两个单向瞬变电压抑制二极管反向串联构成；或者，由至少一个双向瞬变电压抑制二极管构成。

进一步地，所述二极管的正向导通压降大于所述采样单元正常工作时其两端电压。

进一步地，所述钳位电压小于所述信号处理单元输入端的最大承受电压。

本发明还提供一种电流采样电路防浪涌保护方法，所述电流采样电路上包括采样单元、信号处理单元、控制单元，其特征在于，在所述采样单元上并联第一浪涌防护单元，和/或，在所述信号处理单元上并联第二浪涌防护单元，其中：

所述第一浪涌防护单元或第二浪涌防护单元在其两端压降低于触发导通电压时截止；在其两端压降高于所述触发导通电压时导通，将与其并联的采样单元或信号处理单元两端的电压钳位于一钳位电压。

本发明具有以下有益效果：

充分考虑浪涌瞬间，流过采样电阻的大电流引起的瞬间过功率和过电压对电阻本身和采样电路造成的损坏，大大提高电路的可靠性；

采用分离器件单独对控制电路做防浪涌设计，对前级防雷装置的依赖大为减小，防浪涌设计更加灵活；

防护器件简单，在成本上有较大优势，对于系统整体方案来说有很好的竞争力。

附图说明

图1-1是现有电流采样电路结构框图；

图1-2是背景技术EP2187514A1的采样电路图；

图2是本发明电流采样装置框图；

图3是本发明实施例1的具体电路图；

图4是本发明实施例2的具体电路图；

图5是本发明实施例3的具体电路图；

图6是本发明实施例4的具体电路图。

具体实施方式

本发明的核心思想是：在采样电路中接入浪涌防护单元，对采样单元、信号处理单元进行单独的浪涌防护，以克服现有技术中缺乏对采样电路进行单独浪涌保护，以致由于主电路浪涌的余涌损坏采样电路。

下面将结合说明书附图及实施例对本发明做进一步的说明：

实施例1

如附图3所示，端口308即为本发明中的第一采样端口，端口309为本发明的第二采样端口，所述电路包括采样单元301、信号处理单元302、控制单元303和浪涌防护单元304，其中，所述浪涌防护单元304由二极管VD1，VD2组成，所述采样单元由一电阻组成，与所述信号处理单元302并联。在正常工作时，第一采样端口与第二采样端口间电压低于浪涌防护单元304的触发导通电压，该单元处于截止状态；在出现浪涌时，瞬间的浪涌电流在通过系统端口时防雷装置和变压器后还会有一部分电流流经采样单元301。此时，采样端口之间电压迅速升高，触发所述浪涌防护单元304。

具体来说，浪涌防护过程分两步：

在浪涌电压没有达到触发电压前，浪涌防护单元304内的二极管VD1或VD2的截止，浪涌电流流过采样单元301；

当浪涌电压迅速升高到触发导通电压后，此时浪涌防护单元304内的二极管VD1或VD2被触发导通，此时大部分电流I_VD1或I_VD2流过二极管VD1或VD2，仅有少量电流流经采样单元301。当第一采样端口308端的电压高于第二采样端口309端的电压，且压降达到所述触发导通电压时，二极管VD1导通，大量浪涌电流从第一采样端口308处通过二极管VD1流向第二采样端口309处，只有少量电流流过采样单元301；反之则二极管VD2导通，大量浪涌电流从第二采样端口309处通过二极管VD2流向第一采样端口308处。同时，浪涌防护单元304导通后，采样单元301上的电压从浪涌电流在电阻上产生的电压降变为二极管VD1或VD2正常导通时的电压，该电压被钳位在二极管正常导通时的电压值。该钳位电压大小由所选用的二极管VD1和VD2本身的正向导通压降决定，为ΔV。在实际使用中二极管的选用既需考虑正常使用时不影响采样电流的精度，也需在瞬间对信号处理单元起到有效的保护，因此二极管的正向导通压降ΔV要大于正常工作时电阻上的电压小于信号处理单元输入端的最大承受电压。

采样单元301中的实际浪涌电流是两个方向，I_VD1、I_VD2则分别表示来自两个不同方向的浪涌电流。

实施例2

如附图4所示，端口408即为本发明中的第一采样端口，端口409为本发明的第二采样端口，所述电路包括采样单元401、信号处理单元402、控制单元403和浪涌防护单元404，其中，所述浪涌防护单元404由二极管VD1，VD2组成，所述采样单元由一电阻组成，与所述信号处理单元402并联。

本实施例中，主电路是典型的非隔离的降压电路。

在正常工作时，第一采样端口与第二采样端口间电压低于浪涌防护单元404的触发导通电压，该单元处于截止状态；在出现浪涌时，瞬间的浪涌电流在通过系统端口时防雷装置和变压器后还会有一部分电流流经采样单元401。此时，采样端口之间电压迅速升高，触发所述浪涌防护单元404。

在浪涌电压没有达到触发导通电压前，浪涌防护单元404内的二极管VD1或VD2的截止，浪涌电流流过采样单元401；

当浪涌电压迅速升高到触发导通电压后，此时浪涌防护单元404内的二极管VD1或VD2被触发导通，此时大部分电流I_VD1或I_VD2流过二极管VD1或VD2，仅有少量电流流经采样单元401。当第一采样端口408端的电压高于第二采样端口409端的电压，且压降达到所述触发导通电压时，二极管VD1导通，大量浪涌电流从第一采样端口408处通过二极管VD1流向第二采样端口409处，只有少量电流流过采样单元401；反之则二极管VD2导通，大量浪涌电流从第二采样端口409处通过二极管VD2流向第一采样端口408处。同时，浪涌防护单元404导通后，采样单元401上的电压从浪涌电流在电阻上产生的电压降变为二极管VD1或VD2正常导通时的电压，该电压被钳位在二极管正常导通时的电压值。该钳位电压大小由所选用的二极管VD1和VD2本身的正向导通压降决定，为ΔV。在实际使用中二极管的选用既需考虑正常使用时不影响采样电流的精度，也需在瞬间对信号处理单元起到有效的保护，因此二极管的正向导通压降ΔV要大于正常工作时电阻上的电压小于信号处理单元输入端的最大承受电压。

在本实施例中，所述浪涌防护单元重点保护的是采样单元401。

实施例3

如附图5所示，端口508即为本发明中的第一采样端口，端口509为本发明的第二采样端口，所述电路包括采样单元501、信号处理单元502、控制单元503和第二浪涌防护单元504，其中，所述浪涌防护单元504由二极管VD1，VD2组成，所述采样单元501由一电阻组成，与所述信号处理单元502并联，所述信号处理单元502为一比较器电路。

第二浪涌防护单元504并联在了信号处理单元502输入端和参考端之间，所述输入端为第一采样端口508，所述参考端为第二采样端口509。

在正常工作时，第一采样端口与第二采样端口间电压低于第二浪涌防护单元504的触发导通电压，该单元处于截止状态；在出现浪涌时，瞬间的浪涌电流在通过系统端口时防雷装置和变压器后首先流经所述采样单元501，该采样单元上会产生一定的电压，当该电压达到二极管正向导通电压时二极管导通，此时浪涌电流流过二极管，而比较器不会因大的浪涌电流而损坏，从而得到保护。

与实施例2相比较，该方案重点保护的是信号处理单元502，对电阻的瞬间浪涌抑制相对实施例2的方案作用会小些。因此本方案中采样电阻的功率应该尽可能的选大，以免浪涌时电阻过功率损坏。当然，也可以在采样电阻上同样增加一个浪涌防护单元，即各用一个浪涌防护单元分别对信号处理单元和采样电阻进行浪涌防护。

实施例4

如图6所示，本实施例与实施例2的主电路一致。端口608即为本发明中的第一采样端口，端口609为本发明的第二采样端口，所述电路包括采样单元601、信号处理单元602、控制单元603和浪涌防护单元604，其中，所述浪涌防护单元604采用双向瞬变电压抑制二极管(TVS)作为防浪涌电路器件，也可以采用两个单向TVS管反向串连组成。瞬变电压抑制二极管导通后的钳位电压要小于信号处理单元602输入端的最大承受电压。

在正常工作时，第一采样端口608与第二采样端口609间电压低于浪涌防护单元604的触发导通电压，该单元处于截止状态；在出现浪涌时，瞬间的浪涌电流在通过系统端口时防雷装置和变压器后还会有一部分电流流经采样单元601。此时，采样端口之间电压迅速升高至所述触发导通电压时，触发所述浪涌防护单元604。具体为当浪涌电压迅速升高到触发导通电压后，此时浪涌防护单元604内的双向瞬变电压抑制二极管(TVS)被触发导通，此时浪涌电流I_VD1或I_VD2流过双向瞬变电压抑制二极管(TVS)，同时TVS两端的电压被嵌位在一定的范围内，从而使得该采样单元上的电压被钳位在一个预定电压值。

本实施例与实施例3的区别在于，所述浪涌防护单元604采用双向瞬变电压抑制二极管(TVS)作为防浪涌电路器件，也可以采用两个单向TVS管反向串连组成。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：

采用本发明实施例提供的装置或方法，在采样电路中构建了单独的浪涌防护单元，能够在浪涌发生时，触发该单元导通，疏导浪涌能量，对采样电路实行单独的浪涌保护，避免采样单元、信号处理单元不被主电路中的浪涌能量损坏。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电流采样电路防浪涌保护装置，包括采样单元，连接在采样端口之间，用于对电路的负载电流采样，产生采样信号，供信号处理单元使用；信号处理单元，与所述采样单元并联，用于将所述采样信号与基准信号对比，并输出对比信号到控制单元；控制单元，用于根据所述信号处理单元输出的所述对比信号输出控制信号控制所述电路的负载电流；其特征在于：

2.如权利要求1所述的采样电路浪涌防护装置，其特征在于：所述第一浪涌防护单元或第二浪涌防护单元由至少两个二极管并联组成，且所述两个二极管导通方向相反。

3.如权利要求1所述的采样电路浪涌防护装置，其特征在于，所述第一浪涌防护单元或第二浪涌防护单元由至少两个单向瞬变电压抑制二极管反向串联构成；或者，由至少一个双向瞬变电压抑制二极管构成。

4.如权利要求2所述的采样电路浪涌防护装置，其特征在于：所述二极管的正向导通压降大于所述采样单元正常工作时其两端电压。

5.如权利要求2或3或4所述的采样电路浪涌防护装置，其特征在于，所述钳位电压小于所述信号处理单元输入端的最大承受电压。

6.一种电流采样电路防浪涌保护方法，所述电流采样电路上包括采样单元、信号处理单元、控制单元，其特征在于，在所述采样单元上并联第一浪涌防护单元，和/或，在所述信号处理单元上并联第二浪涌防护单元，其中：

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述第一浪涌防护单元或第二浪涌防护单元由至少两个二极管并联组成，且所述两个二极管导通方向相反。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一浪涌防护单元或第二浪涌防护单元由至少两个单向瞬变电压抑制二极管反向串联构成；或者，由至少一个双向瞬变电压抑制二极管构成。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述二极管的正向导通压降大于所述采样单元正常工作时其两端电压。

10.如权利要求7或8或9所述的方法，其特征在于，所述钳位电压小于所述信号处理单元输入端的最大承受电压。