CN103840433B

CN103840433B - 一种动态限流保护装置及方法

Info

Publication number: CN103840433B
Application number: CN201210471989.5A
Authority: CN
Inventors: 陈洲; 鲍胜华; 刘溪川; 王陶
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2016-12-28
Anticipated expiration: 2032-11-20
Also published as: CN103840433A

Abstract

本发明公开了一种动态限流保护装置及方法，其中，所述装置包括：回缩曲线拟合模块，用于计算当前输出电压条件下的回缩限流值；异常电流保护模块，用于对检测到的异常电流进行初步保护，并将异常电流标志位置位；限流回缩环给定计算模块，用于根据所述回缩限流值、异常电流标志位、以及输出电压检测信号，计算限流回缩环给定电流值；限流回缩环路补偿模块，用于计算并输出功率管给定频率及脉宽值，控制功率管的开通及关断。采用本发明所述装置及方法，能对功率管进行实时并且快速的保护，降低了输出过流甚至短路时功率管的电流应力，避免了功率管损坏，提高了系统可靠性，并且当负载恢复正常时，能立即恢复正常输出，缩短了故障恢复时间。

Description

一种动态限流保护装置及方法

技术领域

本发明涉及开关电源的限流保护技术，尤其涉及一种动态限流保护装置及方法。

背景技术

可靠性是开关电源的一项重要指标，而输出短路则是开关电源常见的输出故障，如果输出短路保护不得当，容易造成开关电源内的功率管电流应力超标甚至损坏。

目前，常用的短路保护控制策略包括以下几种：

第一种，当输出短路时，输出电流值会迅速增大，超过设定阀值后即进行短路保护，关闭输出功率管；但是，这种保护需要重新上电才可恢复。

第二种，当输出短路时，利用限流补偿环路通过降低输出电压对输出电流进行限制，当输出电压低于设定阀值时，判断为短路，关闭输出功率管，延时一段时间后再恢复输出，并继续判断短路故障是否仍然存在；但是，这种保护的恢复仍然需要一定的延时时间，无法实现输出电压和输出电流立即恢复。

第三种，当输出短路时，先利用限流补偿环路通过降低输出电压对输出电流进行限制，当输出电压低于设定阀值时，限流点基准开始随输出电压降低而降低，直至输出电压为零；当短路故障解除时，限流点基准也会立即随输出电压增大而提高，直至设定阀值，此时输出电压及电流恢复正常；但是，这种保护对限流补偿环路实时性要求较高，当其应用于数字控制系统时，由于电流、电压信号采样及数字环路计算存在延时，容易出现环路补偿不及时，导致功率管电流应力超标甚至功率管损坏等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种动态限流保护装置及方法，能解决数字控制系统中开关电源输出过流甚至短路时容易造成功率管电流应力超标或损坏的问题，并能在负载恢复正常后立即恢复输出。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种动态限流保护装置，该装置包括：回缩曲线拟合模块、异常电流保护模块、限流回缩环给定计算模块和限流回缩环路补偿模块；其中，

所述回缩曲线拟合模块，用于计算当前输出电压条件下的回缩限流值；

所述异常电流保护模块，用于对检测到的异常电流进行初步保护，并将异常电流标志位置位；

所述限流回缩环给定计算模块，用于根据所述回缩限流值、异常电流标志位、以及输出电压检测信号，计算限流回缩环给定电流值；

所述限流回缩环路补偿模块，用于根据限流回缩环给定电流值及输出电流检测值，计算并输出功率管给定频率及脉宽值，控制功率管的开通及关断。

上述方案中，所述回缩曲线拟合模块，根据输出电压检测值、拟合曲线的斜率和零偏值计算回缩限流值。

上述方案中，所述异常电流保护模块进行初步保护为：对输出电流检测值与设定阀值进行比较，如果超过设定阀值，则立即关闭功率管驱动信号，待下一控制周期再开启，同时将异常电流标志位置位；如果小于所述设定阀值，则不作处理。

上述方案中，所述异常电流保护模块为比较器电路、或数字信号控制器DSC的逐波限流模块。

上述方案中，所述限流回缩环路补偿模块通过补偿控制器计算并输出功率管给定频率及脉宽值；所述补偿控制器为单零点单极点PI控制器、或双零点单极点补偿控制器、或双零点双极点补偿控制器、或单零点双极点补偿控制器。

本发明还提供了一种动态限流保护方法，该方法包括：

计算当前输出电压条件下对应的回缩限流值；

对检测到的异常电流进行初步保护，并将异常电流标志位置位；

根据所述回缩限流值、异常电流标志位、以及输出电压检测信号，计算限流回缩环给定电流值；

根据所述限流回缩环给定电流值以及输出电流检测信号，计算并输出功率管给定频率及脉宽值，控制功率管的开通及关断。

上述方案中，所述计算限流回缩环给定电流值根据回缩限流值、异常电流标志位以及输出电压检测值计算。

上述方案中，所述对检测到的异常电流进行初步保护为：将输出电流检测信号与该异常电流保护模块中预设的过流保护阀值进行比较，如果大于该保护阀值，则立即关闭功率管驱动信号，待下一控制周期再开启功率管驱动信号，实现初步保护，同时将异常电流标志位置位；如果小于该保护阀值，则不作处理。

上述方案中，所述计算并输出功率管给定频率及脉宽值为：通过补偿控制器计算并输出功率管给定频率及脉宽值。

上述方案中，所述补偿控制器为单零点单极点PI控制器、或双零点单极点补偿控制器、或双零点双极点补偿控制器、或单零点双极点补偿控制器。

本发明所提供的动态限流保护装置及方法，通过检测输出电压计算回缩限流值，通过异常电流保护模块进行初步保护，并设置相应异常电流标志位，根据回缩限流值、异常电流标志位以及输出电压检测值，计算动态限流回缩环的给定电流值，并计算出功率管给定频率及脉宽值，最终通过驱动电路控制功率管的开通及关断。本发明能对功率管进行实时且快速的保护，降低了输出过流甚至短路时功率管的电流应力，避免了功率管损坏，提高了系统可靠性；并且，当负载恢复正常时，能通过环路计算立即恢复正常输出，从而缩短了故障恢复时间。

附图说明

图1为现有技术的一种限流保护装置的实现原理框图；

图2为本发明动态限流保护装置的实现原理框图；

图3为本发明动态限流保护方法的实现流程示意图；

图4为本发明动态限流保护方法中各个分步骤的实现流程示意图；

图5为本发明实施例动态限流保护装置的限流轨迹图；

图6为本发明实施例动态限流保护装置输出电流异常时的限流轨迹图。

具体实施方式

现有技术中一种限流保护装置的实现原理如图1所示，电源的输出电流取样信号I_out直接输入到输出电流检测模块104进行分压，输出一个电流检测信号，多级限流控制模块103根据输入的多路控制信号来调节所述的电流检测信号的大小，调节后的电流检测信号输入到比较模块105；

限流点基准模块102提供一个电流基准信号，此信号的大小在输出处于恒流限流段时不变，在回缩段时与输出电压检测模块101输出的电压检测信号成正比，实现回缩的功能，该电流基准信号输入到比较模块105；

输出电流检测模块104与限流点基准模块102各自的输出信号分别输入到比较模块105中的比较器的负端和正端，经比较模块105比较后输出一个限流控制信号，通过该信号控制主控制电路中电压误差放大器输出的大小，来达到输出限流的目的；但是，这种方法对限流补偿环路实时性要求较高，且由于电流、电压信号采样及数字环路计算存在延时，仍会因为环路补偿不及时导致功率管电流应力超标甚至损坏。

鉴于此，本发明的基本思想为：通过检测输出电压计算回缩限流值，通过异常电流保护模块进行初步保护，并设置相应异常电流标志位，根据回缩限流值、异常电流标志位以及输出电压检测值，计算动态限流回缩环的给定电流值，并计算出功率管的给定频率及脉宽值，通过驱动电路控制功率管的开通及关断，从而对功率管进行实时且快速的保护。

图2为本发明动态限流保护装置的实现原理框图，如图2所示，本发明动态限流保护装置包括：回缩曲线拟合模块201、异常电流保护模块202、限流回缩环给定计算模块203和限流回缩环路补偿模块204；其中，

所述回缩曲线拟合模块201，用于计算当前输出电压条件下的回缩限流值；

进一步的，所述回缩曲线拟合模块201可以根据输出电压检测值V_out、预设拟合曲线斜率K、预设回缩限流零偏值I_offset，采用公式I_back=K*V_out+I_offset计算回缩限流值I_back。

所述异常电流保护模块202，用于对检测到的异常电流进行初步保护，并将异常电流标志位置位；

进一步的，所述异常电流保护模块202进行初步保护为：所述异常电流保护模块对输出电流检测值I_out与设定阀值进行比较，如果超过设定阀值，则立即关闭功率管驱动信号，待下一周期再开启；同时将异常电流标志位置位；如果小于所述设定阀值，则不作处理。

这里，所述异常电流保护模块以比较器电路实现为例进行说明，但是并不构成对本发明的限定，还可以通过数字信号控制器（DSC）的逐波限流模块等实现。

所述限流回缩环给定计算模块203，用于根据所述回缩限流值I_back、异常电流标志位Flag、以及输出电压检测信号V_out，计算限流回缩环给定电流值I_{back_ref}；

具体的，限流回缩环给定计算模块203先对异常电流标志位进行判断，当异常电流标志位未被置位时，限流回缩环给定电流值在上一周期基础上累加，并判断累加得到的给定电流值是否大于回缩限流值，如果大于，则将回缩限流值设为限流回缩环给定电流值，否则，将上一周期基础上累加得到的给定电流值作为限流回缩环给定电流值；当异常电流标志位被置位时，先清除异常电流标志位，并开启功率管输出，判断当前输出电压是否大于异常回缩电压阀值，如果大于，则将限流回缩环给定电流值设为第一异常回缩电流值，并对上一周期的限流回缩环PI输出值进行递减；如果小于，则将限流回缩环给定电流值设为第二异常回缩电流值，并将上一周期的限流回缩环PI值设置为其下限值；其中，第一异常回缩电流值大于第二异常回缩电流值。

所述限流回缩环路补偿模块204，用于根据限流回缩环给定电流值及输出电流检测值，计算并输出功率管给定频率及脉宽值，控制功率管的开通及关断。

这里，所述限流回缩环路补偿模块通过补偿控制器计算功率管给定频率及脉宽值；通过驱动电路控制功率管的开通及关断。

具体的，限流回缩环路补偿模块204将限流回缩环给定计算模块203得到的限流回缩环给定电流值与输出电流检测值进行比较，计算得到误差值；然后通过补偿控制器计算得到功率管输出频率及脉宽值，最后通过驱动电路控制功率管的开通及关断。

这里，所述补偿控制器以单零点单极点的PI控制器为例进行说明，本发明不限于此，还可采用双零点单极点补偿控制器、双零点双极点补偿控制器、单零点双极点补偿控制器等其他补偿网络控制器来实现。

所述动态限流保护装置的控制方法包括：将输出电压检测信号V_out送入回缩曲线拟合模块201中，根据预先设置好的拟合曲线的斜率及零偏值，计算当前V_out值下对应的回缩限流值；将输出电流检测信号I_out送入异常电流保护模块202，并与该异常电流保护模块202中预设的过流保护阀值进行比较，大于该保护阀值，则立即关闭功率管驱动信号，待下一控制周期再开启功率管驱动信号，以实现初步保护，同时将异常电流标志位置位；小于该保护阀值，则不作处理；限流回缩环给定计算模块203则根据回缩曲线拟合模块201及异常电流保护模块202输出的回缩限流值和异常电流标志位，以及输出电压检测信号V_out确定限流回缩环给定电流值I_{back_ref}；根据限流回缩环给定计算模块203输出的限流回缩环给定电流值I_{back_ref}以及输出电流检测信号I_out，计算限流回缩环路补偿模块204的值，结果作为功率管的频率及脉宽值，最后通过驱动电路控制功率管的开通及关断。

图3为本发明动态限流保护方法的实现流程示意图，如图3所示，该方法包括以下步骤：

步骤301：计算当前输出电压条件下对应的回缩限流值；

本步骤具体由回缩曲线拟合模块根据输出电压检测值完成；

步骤302：对检测到的异常电流进行初步保护，并将异常电流标志位置位；

本步骤具体由异常电流保护模块根据输出电流检测值完成；

具体的，所述初步保护为：将输出电流检测信号与该异常电流保护模块中预设的过流保护阀值进行比较，如果大于该保护阀值，则立即关闭功率管驱动信号，待下一控制周期再开启功率管驱动信号，实现初步保护，同时将异常电流标志位置位；如果小于该保护阀值，则不作处理；

步骤303：根据所述回缩限流值、异常电流标志位、以及输出电压检测信号，计算限流回缩环给定电流值；

本步骤具体由限流回缩环给定计算模块完成；

步骤304：根据所述限流回缩环给定电流值以及输出电流检测信号，计算并输出功率管给定频率及脉宽值，控制功率管的开通及关断；

本步骤具体由限流回缩环路补偿模块完成。

下面结合图4对该动态限流保护方法的具体控制流程按模块分步骤进行介绍。

步骤301的具体实现如下：

步骤301a：回缩曲线拟合模块201根据公式I_back=K*V_out+I_offset计算当前输出电压条件下回缩限流值I_back，其中，V_out为输出电压检测值，K为预设曲线斜率，I_offset为预设回缩限流零偏值；

步骤301b：然后回缩曲线拟合模块201对该回缩限流值进行限幅，以确保正常输出时回缩限流值比当前限流环给定值大，避免其在正常输出时对限流环产生影响，同时负载过流时能立即通过动态限流回缩进行保护；优选的，正常输出时回缩限流值比当前限流环给定值大10%左右。

这里，所述限幅为：正常工作情况下，输出电压V_out会较大，根据公式I_back=K*V_out+I_offset计算出的回缩限流值I_back也会较大，为起到保护作用，需对回缩限流值进行限幅，即：保证正常输出时回缩限流值比当前限流环给定值大，优选的，保证正常输出时回缩限流值比当前限流环给定值大10%左右。

步骤302的具体实现如下：

步骤302a：异常电流保护模块202将当前输出电流值I_out与预设异常电流值进行比较，

步骤302b：如果大于该预设异常电流值时，立即关闭功率管输出，并将异常电流标志位置位，待下一控制周期再开启功率管；如果小于所述设定阀值，则不作处理。

值得注意的是，在本发明控制方法中，异常电流保护模块以比较器电路实现为例进行说明，但是并不构成对本发明的限定，还可以通过数字信号控制器（DSC）的逐波限流模块等实现。

步骤303的具体实现如下：

步骤303a：首先对异常电流标志位进行判断；

步骤303b：当异常电流标志位未被置位时，其具体步骤如图中303b1~303b4所示，限流回缩环给定电流值在上一周期基础上累加，并判断累加得到的给定电流值是否大于回缩限流值，如果大于，则将回缩限流值设为限流回缩环给定电流值，否则，将上一周期基础上累加得到的给定电流值作为限流回缩环给定电流值；

步骤303c：当异常电流标志位被置位时，其具体步骤如图中303c1~303c5所示，首先清除异常电流标志位，并开启功率管输出，判断当前输出电压是否大于异常回缩电压阀值，如果大于，则将限流回缩环给定电流值设为第一异常回缩电流值，并对上一周期的限流回缩环PI输出值进行递减；如果小于，则将限流回缩环给定电流值设为第二异常回缩电流值，并将上一周期的限流回缩环PI值设置为其下限值；其中，第一异常回缩电流值大于第二异常回缩电流值。

这里，所述下限值是由装置本身来设定的，是根据需要设定的下限，不同的产品对应的下限值是不一样的。

步骤304的具体实现如下：

步骤304a：限流回缩环路补偿模块204将限流回缩环给定计算模块203得到的限流回缩环给定电流值与输出电流检测值进行比较，计算得到误差值；

步骤304b：通过补偿控制器计算得到功率管输出频率及脉宽值，最后通过驱动电路控制功率管的开通及关断。

这里，以单零点单极点的PI补偿控制器为例，单零点单极点的PI补偿控制器计算功率管输出频率的公式如下：

u(t)=K_pe(t)+K_i∫e(t)dt

PI控制方程经过离散化就得到数字PI控制方程，根据离散的方式不同，数字PI可以分为位置式和增量式两种。

本发明以数字增量式的PI为例进行说明，增量式PI的式子如下所示：

u(k)=K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)+u(k-1)

其中，u(k)为这一周期PI的输出量，即功率管输出频率；u(k-1)：上一运算周期PI的输出量；e(k)：这一周期给定值与输出值的误差；e(k-1)：上一周前给定值与输出值的误差；K_p、K_i为PI参数。

值得注意的是，在本发明控制方法中，上述补偿控制器以单零点单极点的PI控制器为例进行说明，本发明不限于此，还可采用双零点单极点补偿控制器、双零点双极点补偿控制器、单零点双极点补偿控制器等其他补偿网络控制器来实现。

功率管的脉宽值可进一步根据计算出的功率管输出频率计算得到。

图5为本发明实施例的动态限流保护装置的限流轨迹图，如图5所示，正常输出条件下，当电源的输出电流I_out小于限流点时，输出电压V_out值不变，处于恒压段，即图5中所示CV段；当输出达到最大功率后，随着输出电流I_out增大，输出电压V_out逐渐降低，使输出功率保持不变，处于恒功率段，即图5中所示CP段；当输出电流I_out增大到限流点时便保持不变，进入限流段，即图5中所示CC段；进入限流段后，随着负载的增加，输出电压逐渐降低，当回缩曲线拟合模块201计算得到的回缩限流值小于限流段的限流值时，进入动态限流回缩段，即图5中所示DCLR段，由于输出限流点降低，输出电压会随之等比例减小，直至负载加大到使输出电压接近0，此时输出电流限制在预设回缩限流零偏值I_offset附近；而当负载逐渐降低恢复正常时，限流点则随输出电压会等比例增大，从而使输出电压恢复正常，输出电流达到默认限流值。

在输出过流时，输出电流值可能超过限流段电流值达到动态限流回缩环给定电流值，此时通过动态限流回缩环的快速响应可先将输出电流限制在动态限流回缩段，如果触发异常电流标志位，则通过降低限流点实现快速保护。

图6为本发明实施例的动态限流保护装置的输出电流异常时的限流轨迹图，如图6所示，当输出负载突变导致过流甚至短路时（图6中用C点表示），会触发异常电流标志位，动态限流回缩环的给定电流值会迅速降低，并且与输出电压有关，当输出电压大于异常回缩电压阀值时（图6中用A点表示），则取第一异常回缩电流值即图6中所示ARCV1作为限流回缩环给定电流值；小于异常回缩电压阀值时（图6中用B点表示），则取第二异常回缩电流值即图6中所示ARCV2作为限流回缩环给定电流值，且第一异常回缩电流值大于第二异常回缩电流值。

当输出负载持续短路时，由于输出电压为零，限流回缩环给定电流值会一直维持在预设回缩限流零偏值I_offset，以实现保护功能；当输出负载恢复正常后，随着限流回缩环的给定电流值的累加，输出电压也会逐渐增大，当累加值大于回缩曲线拟合公式计算出的回缩限流值时，动态限流回缩环的给定电流值会切换到回缩拟合曲线并随该曲线轨迹恢复正常的输出电压和电流，动态回缩限流切换点如图6中D点所示。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims

1.一种动态限流保护装置，其特征在于，所述装置包括：回缩曲线拟合模块、异常电流保护模块、限流回缩环给定计算模块和限流回缩环路补偿模块；其中，

所述限流回缩环路补偿模块，用于根据限流回缩环给定电流值及输出电流检测值，计算并输出功率管给定频率及脉宽值，控制功率管的开通及关断；

所述回缩限流值的计算公式为I_back＝K*V_out+I_offset，其中，I_back为回缩限流值，K表示预设拟合曲线斜率，I_offset表示预设回缩限流零偏值，V_out表示输出电压检测值。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述异常电流保护模块进行初步保护为：对输出电流检测值与设定阀值进行比较，如果超过设定阀值，则立即关闭功率管驱动信号，待下一控制周期再开启，同时将异常电流标志位置位；如果小于所述设定阀值，则不作处理。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述异常电流保护模块为比较器电路、或数字信号控制器DSC的逐波限流模块。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述限流回缩环路补偿模块通过补偿控制器计算并输出功率管给定频率及脉宽值；所述补偿控制器为单零点单极点PI控制器、或双零点单极点补偿控制器、或双零点双极点补偿控制器、或单零点双极点补偿控制器。

5.一种动态限流保护方法，其特征在于，所述方法包括：

计算当前输出电压条件下对应的回缩限流值；

根据所述限流回缩环给定电流值以及输出电流检测信号，计算并输出功率管给定频率及脉宽值，控制功率管的开通及关断；

所述计算当前输出电压条件下对应的回缩限流值包括：

根据以下公式计算当前输出电压条件下对应的回缩限流值：

I_back＝K*V_out+I_offset，其中，I_back为回缩限流值，K表示预设拟合曲线斜率，I_offset表示预设回缩限流零偏值，V_out表示输出电压检测值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对检测到的异常电流进行初步保护为：将输出电流检测信号与设定阀值进行比较，如果超过设定阀值，则立即关闭功率管驱动信号，待下一周期再开启；同时将异常电流标志位置位；如果小于所述设定阀值，则不作处理。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述计算并输出功率管给定频率及脉宽值为：通过补偿控制器计算并输出功率管给定频率及脉宽值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述补偿控制器为单零点单极点PI控制器、或双零点单极点补偿控制器、或双零点双极点补偿控制器、或单零点双极点补偿控制器。