CN103872998B - H桥pwm功率放大器过流保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种H桥PWM功率放大器过流保护电路，它包括一个比较器电路，一个单稳态电路和一个施密特电路。本发明有效地解决了传统过流保护电路输出电流有效值、输出最大电流随电源电压和负载变化影响较大的问题。本发明电路的一致性很好，基本不需调试，便于大批量生产；本发明电路的电流高端变化只有传统限流电路的50％，电流低端变化只有传统限流电路的13％；本发明采用的元器件均为通用的CMOS电路，能在5～20V的电源电压下工作，电路的成本几乎没有增加。本发明电路广泛应用于各种大功率驱动或伺服控制系统。

Description

H桥PWM功率放大器过流保护电路

技术领域

本发明涉及一种过流保护电路，特别涉及一种H桥PWM(脉宽调制)功率放大器过流保护电路。它的直接应用领域为各种大功率驱动或伺服控制系统，在直流电动机驱动，雷达天线驱动、导弹舵机控制、舰艇声纳系统，大型压电驱动等领域有着广泛应用。

背景技术

对于H桥PWM功率放大器大功率电路，如果没有设计完善准确的限流控制电路，很难保证电路工作在安全工作区SOA内，当出现异常错误(如输出短路)时，电路就会发生毁灭性烧毁。因此，需要设计过流保护电路，将电流限制值设置成不超过放大器的最大额定电流，对电路实施安全保护。

传统过流保护电路如图1所示，比较器将来自电流检测电路的电压信号与参考电压比较，当电压信号超过参考电压时，过流保护电路给出一个过流信号来关断PWM功率放大器的输出功率管。但在一些特定的应用中，需要PWM功率放大器出现过流时仍然能够输出一个要求的输出电流有效值，同时又要求输出最大电流限制在一定的范围内。这时传统的过流保护电路就显得无能为力。

本发明就是为了解决上述问题，同时在电源电压发生一定的变化以及负载发生一定的变化时，限流输出的有效值和最大电流不发生较大的变化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于发明一种新的H桥PWM功率放大器过流保护电路。不仅要解决传统过流保护电路不能实现输出电流有效值和输出最大电流可以准确控制的问题，而且还要解决限流输出的有效值和最大电流不随电源电压和负载变化影响的问题，便于批量生产。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案在于发明的H桥PWM放大器过流保护电路包括：

一个比较器电路，对来自外部输入端Vsense的信号进行比较，其输入端与Vsense相连，其输出端Vo1与单稳态电路输入端相连，同时与施密特电路的一个输入端相连，其电源端与外部电源端Vcc相连；和

一个单稳态电路，把比较器电路输出的窄脉冲信号展宽为脉冲宽度一定的输出信号，其输入端与比较器电路的输出端Vo1相连，其输出端与施密特电路的一个输入端Vo2相连，其电源端与外部电源端Vcc相连；和

一个施密特电路，对比较器电路的输出和单稳态电路的输出信号整形后再相与后和输出端相连，其一个输入端与比较器电路的输出端Vo1相连，另一个输入端与单稳态电路的输出端Vo2相连，其输出端与输出信号端SD相连，其电源端与外部电源端Vcc相连。

所述比较器电路包括：

一个比较器U1A，其正电源端与外部电源端Vcc相连，其负电源端与地相连，其输出端与比较电路的输出端Vo1、反馈电阻R3的一端及上拉电阻R2的一端相连，其负向输入端与滤波电容C1的一端及输入电阻R4的一端相连，其正向输入端与偏置电阻R1、R5的一端及反馈电阻R3的一端相连；和

一个输入电阻R4，R4的一端与输入信号Vsense相连，另一端与比较器U1A的负向端相连，一个滤波电容C1，C1的一端接地，C1的另一端与比较器U1A的负向端以及R4的一端相连；和

偏置电阻R1、R5，其中，R1的一端与外部电源端Vcc相连，R1的另一端与R5的一端相连，并与比较器U1A的正向输入端相连，R5的一端与R1的一端相连，并与比较器U1A的正向输入端相连；和

一个反馈电阻R3，R3的一端与比较器U1A的正向端和R1、R5的一端相连，R3的另一端与比较器U1A的输出端、上拉电阻R2的一端和施密特电路的一个输入端相连；和

一个上拉电阻R2，R2的一端与外部电源端Vcc相连，R2的另一端与反馈电阻R3的一端、比较器U1A的输出端相、施密特电路的一个输入端相连。

所述单稳态电路包括：

两个二输入施密特与非门U3C、U2A，U3C的正电源端与外部电源端Vcc相连，U3C的地端与地相连，U3C的一个输入端与比较器电路的输出端Vo1相连，U3C的另一个输入端与单稳态电路的输出端Vo2相连，其输出端与定时电容C4的一端相连，U2A正电源端与外部电源端Vcc相连，U2A的地端与地相连，U2A的两个输入端相连后与定时电容C4的一端及定时电阻R11的一端相连，输出端与输出端Vo2和U3C的一个输入端相连；和

一个定时电阻R11，R11的一端与U2A的两个输入端和定时电容C4的一端相连；和

一个定时电容C4，C4的一端与U3C的输出端相连，另一端与定时电阻R11的一端和U2A的两个输入端相连。

所述施密特电路包括：

两个二输入施密特与非门U3A和U3B，U3A和U3B正电源端与外部电源端Vcc相连，U3A和U3B的地端与地相连，U3A的一个输入端与比较电路的输出端Vo1相连，U3A的另一个输入端与单稳态电路的输出端Vo2相连，U3A的输出端与U3B的两个输入端相连，U3B的两个输入端相连后与U3A的输出端相连，U3B的输出端与施密特电路的输出端和H桥PWM功率放大器过流保护电路输出信号端SD相连。

所述输入电阻R4为常规普通电阻，电阻值为1kΩ。所述偏置电阻R1和R5为常规普通电阻，其中，R1电阻值为36kΩ，R5的电阻值均为300～910Ω。所述上拉电阻R2为常规普通电阻，电阻值为10kΩ。所述反馈电阻R3为常规普通电阻，电阻值为20kΩ。所述定时电阻R11为常规普通电阻，电阻值为10kΩ～100kΩ。

所述滤波电容C1是常规普通电容，电容值为100pF～510pF，所述定时电容C4是常规普通电容，电容值为1000pF。

所述比较器U1A是常规的集电极开路输出比较器，其工作电压≥18V，其响应时间≤1.3μs，输出高电平≥Vcc-2V。

所述二输入施密特与非门U2A、U3A、U3B、U3C是常规的CMOS二输入施密特与非门，可以采用一个4二输入施密特与非门，其工作电压≥18V，其延迟时间≤380ns，输出高电平≥Vcc-1V。

有益效果：

本发明的H桥PWM功率放大器过流保护电路采用一个比较器电路，一个单稳态电路和一个施密特电路相互连接来实现。与传统的H桥PWM功率放大器过流保护电路相比，它具有以下特点：

1.传统过流保护电路采用一个比较器电路，一个RC定时电路和一个施密特电路相互连接来实现。本发明电路采用一个单稳态电路取代RC定时电路。1)有效地解决了传统过流保护电路不能实现输出电流有效值和输出最大电流可以准确控制的问题，而且有效地解决了限流输出的有效值和最大电流不随电源电压和负载变化影响的问题。本发明电路的一致性很好，基本不需调试，便于大批量生产。2)图4～图5是本发明具体实施的过流保护电路与传统过流保护电路的随电源变化的比较图，图6～图7是本发明具体实施的过流保护电路与传统过流保护电路的随负载变化的比较图。由图4～图7的比较可以看出，本发明电路的电流高端变化只有传统限流电路的50％，本发明电路的电流低端变化只有传统限流电路的13％，因此本发明电路大幅拓展了H桥PWM功率放大器过流保护电路的适应范围，可以实现输出电流有效值和输出最大电流的准确控制。

2.本发明采用的单稳态电路采用二输入施密特与非门来实现，没有额外增加其它电路，因此电路的成本几乎没有增加。

3.本发明的H桥PWM功率放大器过流保护电路能在5～20V的电源电压下工作，其输入信号是电流传感电压信号，输出是CMOS电平的关断控制信号，过流时输出信号为CMOS高电平，用来关断H桥的驱动信号，正常时输出信号为CMOS低电平，H桥电路正常工作。

附图说明

图1是传统过流保护电路框图；

图2是本发明的H桥PWM功率放大器过流保护电路框图；

图3是本发明具体实施的H桥PWM功率放大器过流保护电路的电原理图；

图4是本发明具体实施与传统过流保护电路在功率电压变化时电流高端变化图；

图5是本发明具体实施与传统过流保护电路在功率电压变化时电流低端变化图；

图6是本发明具体实施与传统过流保护电路在负载变化时电流高端变化图；

图7是本发明具体实施与传统过流保护电路在负载变化时电流低端变化图；

图8是本发明具体实施Design Entry CIS仿真图。

具体实施方式

本发明说明书中的发明内容就是具体的实施例，这里不再重复叙述。下面仅结合附图进一步说明其工作原理及对各元件参数的要求。

本发明的电路框图如图2所示，本发明的H桥PWM功率放大器过流保护电路包括一个比较器电路、一个单稳态电路和一个施密特电路相互连接来实现。

本发明具体实施的H桥PWM功率放大器过流保护电路的电原理图如图3所示。所述比较器电路的输出由Vsense来控制。其工作原理如下：电源电压Vcc、电阻R1、R6、R3构成比较器正输入端的固定偏置电压，即比较器参考电压；电阻R2构成比较器输出的上拉电阻；电容C4和R11决定单稳态电路的输出低电平脉冲宽度；施密特电路对比较器输出Vo1和单稳态电路输出Vo2整形，并进行相与来产生输出SD信号；正常情况下，Vsense电压较小，比较器输出Vo1为高电平，单稳态电路输出Vo2输出也为高电平，施密特电路输出SD为高电平，PWM功率放大器正常工作。一旦输出过流，Vsense电压变大，超过比较器的参考电平，比较器输出Vo1由高电平变为低电平，同时单稳态电路Vo2的输出变为低电平，Vo2的低电平脉冲宽度大约等于0.7×R4×C11，施密特整形电路输出SD为低电平，关断PWM功率放大器的输出功率管驱动信号。SD低电平的脉冲宽度由Vo1和Vo2两个低电平脉冲宽度较大的一个信号决定。

所述比较器电路，其负向输入端通过输入电阻R4与Vsense相连，C1是Vsense的滤波电容；其正向输入端与偏置电阻R1、R5的一端及反馈电阻R3的一端相连，构成比较器参考电平，R2为比较器输出上拉电阻。Vsense与参考电平比较来决定比较器的输出Vo1的状态，当Vsense大于参考电平时，比较器输出Vo1为低电平；当Vsense小于参考电平时，比较器输出Vo1为高电平。

图3所述输入电阻R4为常规普通电阻，电阻值为1kΩ。所述偏置电阻R1和R5为常规普通电阻，其中，R1电阻值为36kΩ，R5的电阻值均为300～910Ω。所述上拉电阻R2为常规普通电阻，电阻值为10kΩ。所述反馈电阻R3为常规普通电阻，电阻值为20kΩ。所述定时电阻R11为常规普通电阻，电阻值为10kΩ～100kΩ。

所述滤波电容C1为常规普通电容，电容值为100pF～510pF，所述定时电容C4为常规普通电容，电容值为1000pF。

所述比较器U1A是常规的集电极开路输出的比较器，其工作电压≥18V，其响应时间≤1.3μs，输出高电平≥Vcc-2V。

所述单稳态电路，由两个二输入施密特与非门U3C、U2A、定时电容C4和定时电阻R11组成。U3C的正电源端与外部电源端Vcc相连，U3C的地端与地相连，U3C的一个输入端与比较器电路的输出端Vo1相连，U3C的另一个输入端与单稳态电路的输出端Vo2相连，其输出端与定时电容C4的一端相连，U2A正电源端与外部电源端Vcc相连，U2A的地端与地相连，U2A的两个输入端相连后与定时电容C4的一端及定时电阻R11的一端相连，输出端与输出端Vo2和U3C的一个输入端相连。当比较器输出Vo1由高电平变为低电平时，单稳态电路Vo2的输出也从高电平变为低电平，Vo2的低电平脉冲宽度大约等于0.7×R4×C11。

所述定时电阻R11为常规普通电阻，电阻值为10kΩ～100kΩ。

所述滤波电容C1为常规普通电容，电容值为100pF～510pF，所述定时电容C4为常规普通电容，电容值为1000pF。

所述施密特电路，由两个二输入施密特与非门U3A和U3B组成，U3A和U3B正电源端与外部电源端Vcc相连，U3A和U3B的地端与地相连，U3A的一个输入端与比较电路的输出端Vo1相连，U3A的另一个输入端与单稳态电路的输出端Vo2相连，U3A的输出端与U3B的两个输入端相连，U3B的两个输入端相连后与U3A的输出端相连，U3B的输出端与施密特电路的输出端和H桥PWM功率放大器过流保护电路输出信号端SD相连。

所述二输入施密特与非门U2A、U3A、U3B、U3C是常规的CMOS二输入施密特与非门，可以采用一个集成4二输入施密特与非门来实现，其工作电压≥18V，其延迟时间≤380ns，输出高电平≥Vcc-1V。

利用Allegro SPB15.5.1软件，在Design Entry CIS仿真环境下，对本发明的电路原理图进行仿真，仿真电路图如图8所示。本发明电路仿真电源电压与负载变化的仿真结果如图4～图7所示，在仿真过程中主要采用了以下步骤：

对VH变化的仿真：

(1)电路的采用瞬态特性分析(Transient Analysis)仿真，仿真时间0.8ms，步长100ns，数据保存0.2ms～0.8ms；

(2)对外部电源电压VH从80～160V以20V步长进行仿真，得到Min(-I(R23))和Max(-I(R23))数据，然后利用公式Min(-I(R23))/9.99*100-100和(Max(-I(R23))/18.44)*100-100计算出变化率δ。

对负载电感Ldj变化的仿真：

(1)电路的采用瞬态特性分析(Transient Analysis)仿真，仿真时间0.8ms，步长100ns，数据保存0.2ms～0.8ms；

(2)对负载电感Ldj从280μH～360μH以20μH步长进行仿真，得到Min(-I(R23))和Max(-I(R23))数据，然后利用公式Min(-I(R23))/9.99*100-100和(Max(-I(R23))/18.44)*100-100，计算出变化率δ。

本发明电路实测结果图和仿真结果一致，在工作温度为-55℃～85℃条件下，变化率和一致性变化不大，温度稳定性好。

本发明的H桥PWM功率放大器过流保护电路采用标准的MCM(multi-chip module)工艺制造。

Claims (5)

1.一种H桥PWM功率放大器过流保护电路，其特征在于它包括：

一个比较器电路，对来自外部输入端Vsense的信号进行比较，其输入端与Vsense相连，其输出端Vo1与单稳态电路输入端相连，同时与施密特电路的一个输入端相连，其电源端与外部电源端Vcc相连；和

一个单稳态电路，把比较器电路输出的窄脉冲信号展宽为脉冲宽度一定的输出信号，其输入端与比较器电路的输出端Vo1相连，其输出端与施密特电路的一个输入端Vo2相连，其电源端与外部电源端Vcc相连；和

一个施密特电路，对比较器电路的输出和单稳态电路的输出信号整形后再相与后和输出端相连，其一个输入端与比较器电路的输出端Vo1相连，另一个输入端与单稳态电路的输出端Vo2相连，其输出端与输出信号端SD相连，其电源端与外部电源端Vcc相连；

其中，所述比较器电路包括：

一个比较器U1A，其正电源端与外部电源端Vcc相连，其负电源端与地相连，其输出端与比较电路的输出端Vo1、反馈电阻R3的一端及上拉电阻R2的一端相连，其负向输入端与滤波电容C1的一端及输入电阻R4的一端相连，其正向输入端与偏置电阻R1、R5的一端及反馈电阻R3的一端相连；和

一个输入电阻R4，R4的一端与输入信号Vsense相连，另一端与比较器U1A的负向端相连，一个滤波电容C1，C1的一端接地，C1的另一端与比较器U1A的负向端以及R4的一端相连；和

偏置电阻R1、R5，其中，R1的一端与外部电源端Vcc相连，R1的另一端与R5的一端相连，并与比较器U1A的正向输入端相连，R5的一端与R1的一端相连，并与比较器U1A的正向输入端相连；和

一个反馈电阻R3，R3的一端与比较器U1A的正向端和R1、R5的一端相连，R3的另一端与比较器U1A的输出端、上拉电阻R2的一端和施密特电路的一个输入端相连；和

一个上拉电阻R2，R2的一端与外部电源端Vcc相连，R2的另一端与反馈电阻R3的一端、比较器U1A的输出端、施密特电路的一个输入端相连；

所述单稳态电路包括：

两个二输入施密特与非门U3C、U2A，U3C的正电源端与外部电源端Vcc相连，U3C的地端与地相连，U3C的一个输入端与比较器电路的输出端Vo1相连，U3C的另一个输入端与单稳态电路的输出端Vo2相连，其输出端与定时电容C4的一端相连，U2A正电源端与外部电源端Vcc相连，U2A的地端与地相连，U2A的两个输入端相连后与定时电容C4的一端及定时电阻R11的一端相连，输出端与输出端Vo2和U3C的一个输入端相连；和

一个定时电阻R11，R11的一端与U2A的两个输入端和定时电容C4的一端相连；和

一个定时电容C4，C4的一端与U3C的输出端相连，另一端与定时电阻R11的一端和U2A的两个输入端相连；

所述施密特电路包括：

两个二输入施密特与非门U3A和U3B，U3A和U3B正电源端与外部电源端Vcc相连，U3A和U3B的地端与地相连，U3A的一个输入端与比较电路的输出端Vo1相连，U3A的另一个输入端与单稳态电路的输出端Vo2相连，U3A的输出端与U3B的两个输入端相连，U3B的两个输入端相连后与U3A的输出端相连，U3B的输出端与施密特电路的输出端和H桥PWM功率放大器过流保护电路输出信号端SD相连。

2.根据权利要求1所述的H桥PWM功率放大器过流保护电路，其特征在于所述输入电阻R4为常规普通电阻，电阻值为1kΩ；所述偏置电阻R1和R5为常规普通电阻，其中，R1电阻值为36kΩ，R5的电阻值均为300～910Ω；所述上拉电阻R2为常规普通电阻，电阻值为10kΩ；所述反馈电阻R3为常规普通电阻，电阻值为20kΩ；所述定时电阻R11为常规普通电阻，电阻值为10kΩ～100kΩ。

3.根据权利要求1所述的H桥PWM功率放大器过流保护电路，其特征在于所述滤波电容C1是常规普通电容，电容值为100pF～510pF，所述定时电容C4是常规普通电容，电容值为1000pF。

4.根据权利要求1所述的H桥PWM功率放大器过流保护电路，其特征在于所述比较器U1A是常规的集电极开路输出比较器，其工作电压≥18V，其响应时间≤1.3μs，输出高电平≥Vcc-2V。

5.根据权利要求1所述的H桥PWM功率放大器过流保护电路，其特征在于所述二输入施密特与非门U2A、U3A、U3B、U3C是常规的CMOS二输入施密特与非门，可以采用一个4二输入施密特与非门，其工作电压≥18V，其延迟时间≤380ns，输出高电平≥Vcc-1V。