CN105552850A - 非隔离式电源输出机壳接地故障检测和保护系统 - Google Patents

Abstract

非隔离式电源输出机壳接地故障检测和保护系统。一种非隔离式电源，配置成接收输入电压并提供输出电压，并包括供应线，返回线，串联耦合在供应线中的第一半导体开关，以及串联耦合在返回线中的第二半导体开关。第一和第二半导体开关每个配置成操作在开状态和关状态中。差动电流传感器配置成感测供应线和返回线之间的差动电流。故障检测逻辑耦合到差动电流传感器，第一半导体开关和第二半导体开关，并且配置成检测差动电流何时超过预定电流幅值，并且在检测到差动电流超过预定电流幅值时，命令第一和第二半导体开关操作在关状态中。

Description

非隔离式电源输出机壳接地故障检测和保护系统

技术领域

本发明总的来说涉及非隔离式电源，并且更具体地涉及一种用于检测和保护非隔离式电源拓扑中机壳(chassis)接地故障的系统。

背景技术

近些年来，各种工业和技术部门(包括航天，工业，医疗以及市政)转向基于LED的照明系统作为现有照明解决方案的替代物。这至少部分地由于LED可以提供非常高的发光强度的事实，其可以使用适当的功率转换以及驱动器电路而在宽的范围内控制。此外，LED是相对小的，且相对更加可靠。

许多电源拓扑可用来驱动和控制LED的发光强度。绝大多数所提议的拓扑是由AC源供电的，并且因此依赖于前端的功率因数校正(PFC)AC-DC转换器。所使用的一个通常的PFCAC-DC转换器拓扑是升压(boost)转换器，因为其在中到高功率级别下执行良好。然而，这个拓扑的一个不利方面(downside)是输出电压需要高于AC源峰值电压，因而在大多数应用中使另一DC-DC转换器，降压(buck)转换器成为必要，以便减小用来驱动LED的电压水平。在下游DC-DC转换器中添加隔离是可能的，但是其消极地影响整个系统效率，尺寸和重量。因此，非隔离式两级升压和降压(boostandbuck)电源是对于中等功率LED应用的优选拓扑，该中等功率LED应用例如飞行器应用。如现在将被解释的那样，这在飞行器环境中可呈现特定的缺点。

在飞行器电功率系统中，AC返回被连接到机壳。因此，在不可能的事件中，上述非隔离式电源的LED侧变成对机壳短路，源发现通过该短路的低阻抗路径，并且控制器离开约束，导致电源潜在地被损坏。用来保护非隔离式电源的常规技术是测量高侧(供应线)和低侧(返回线)电流两者，并且当差动电流超过预定极限时关掉降压(buck)转换器栅极驱动器。目前使用的技术并不是足够的迅速，并且即使在使用现有的差动电流监测和保护技术的情况下，将不能针对接地故障条件进行保护，因而潜在地损坏电源。

因此，存在对一种检测非隔离式电源输出到机壳(output-to-chassis)短路，并且保护非隔离式电源免受所检测的短路的系统的需要，从而防止对电源的损坏。本发明至少解决了此需求。

发明内容

提供此概述，以用简化的形式来描述所选择的概念，其在详细描述中被进一步描述。此概述并不旨在识别所要求保护主题的关键或必要特征，其也不旨在用作帮助确定所要求保护主题的范围。

在一个实施例中，一种电路，包括非隔离式电源，差动电流传感器，以及故障检测逻辑。该非隔离式电源配置成接收输入电压并提供输出电压，且包括供应线，返回线，串联耦合在该供应线中的第一半导体开关，以及串联耦合在该返回线中的第二半导体开关。第一和第二半导体开关每个被配置成操作在开状态和关状态，在开状态中，电流流过第一和第二半导体开关，在关状态中，电流不流过第一和第二半导体开关。差动电流传感器配置成感测供应线和返回线之间的差动电流。故障检测逻辑被耦合到差动电流传感器，第一半导体开关以及第二半导体开关，并被配置成：检测差动电流何时超过预定电流幅值，并且在检测到差动电流超过预定电流幅值时命令第一和第二半导体开关操作在关状态中。

在另一个实施例中，一种非隔离式电源包括DC-DC转换器，差动电流传感器，返回线电流传感器以及故障检测逻辑。该DC-DC转换器适于接收输入DC电压并提供输出DC电压。该DC-DC转换器包括升压级，降压级，供应线，返回线，串联耦合在该供应线中的第一半导体开关，以及串联耦合在该返回线中的第二半导体开关。第一和第二半导体开关每个被配置成操作在开状态和关状态中，在开状态中，电流流过第一和第二半导体开关，在关状态中，电流不流过第一和第二半导体开关。差动电流传感器配置成感测供应线和返回线之间的差动电流。返回线电流传感器配置成感测返回线电流。故障检测逻辑耦合到差动电流传感器，返回线电流传感器，第一半导体开关以及第二半导体开关，并被配置成：检测差动电流何时超过预定电流幅值，检测返回线电流何时超过预定返回线电流值，并且在检测到(i)差动电流超过预定电流幅值或者(ii)返回线电流超过预定电流值时命令第一和第二半导体开关操作在关状态中。

在又一实施例中，一种非隔离式电源包括DC-DC转换器，差动电流传感器，返回线电流传感器，故障检测逻辑。该DC-DC转换器适于接收输入DC电压并提供输出DC电压，且包括供应线，返回线，串联耦合在该供应线中的第一半导体开关，以及串联耦合在该返回线中的第二半导体开关。第一和第二半导体开关每个被配置成操作在开状态和关状态中，在开状态中，电流流过第一和第二半导体开关，在关状态中，电流不流过第一和第二半导体开关。差动电流传感器配置成感测供应线和返回线之间的差动电流，并包括霍尔传感器。返回线电流传感器配置成感测返回线电流，并包括串联耦合在该返回线中的电阻。故障检测逻辑耦合到差动电流传感器，返回线电流传感器，第一半导体开关以及第二半导体开关。故障检测逻辑包括第一比较器，第二比较器，以及或(OR)逻辑。第一比较器配置成检测差动电流何时超过预定电流幅值并提供其表示的第一输出信号。第二比较器配置成检测返回线电流何时超过预定电流值并提供其表示的第二输出信号。或逻辑耦合到第一和第二比较器，并配置成在接收到第一和第二输出信号中的一个或两个时命令第一和第二半导体开关操作在关状态中。

此外，非隔离式电源保护系统和方法的其它理想特征和特性将根据结合附图和前面的背景技术进行的随后的详细描述以及所附的权利要求而变得明显。

附图说明

下文中将结合下面的附图来描述本发明，其中相似的数字表示相似的元件，并且其中：

图1描绘非隔离式电源的一个实施例的功能性框图；

图2描绘可以用来实现图1的非隔离式电源的DC-DC转换器的详细示意性表示；

图3描绘可以用来实现图1的非隔离式电源的故障检测逻辑的一个实施例的功能性框图；以及

图4-6描绘了可以用来实现图1的非隔离式电源的故障检测逻辑的替换性实施例的功能性框图。

具体实施方式

下面的详细描述在本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明或者本发明的应用和使用。如本文中所使用的，词语“示例性的”表示“用作示例，实例或者例证”。因此，本文作为“示例性的”描述的任何实施例不一定被解释为相比于其它实施例是优选的或有利的。本文中描述的全部实施例是示例性的实施例，其被提供以使得本领域技术人员能够作出或者使用本发明，并且并不限制由权利要求限定的本发明的范围。此外，不存在由在前述技术领域，背景技术，发明内容或者下面的具体实施方式中所提出的任何明确的或者暗示的理论来束缚的意图。

现在参考图1，电路的一个实施例的功能性框图。所描绘的电路包括非隔离式电源，并且描绘了用于检测和保护该电源免受输出到机壳的接地故障的系统。所描绘的非隔离式电源100包括DC-DC转换器102，差动电流传感器104，以及故障检测逻辑106。DC-DC转换器102被耦合以接收输入DC电压，诸如全波整流电压，并配置成基于其接收提供输出DC电压到负载，诸如一个或多个LED110。在所描绘的实施例中，输入DC电压由全波整流器电路108提供，其接收AC电压并被配置成在其接收时提供全波整流输入DC电压到DC-DC转换器102。AC电压可以使用许多AC供应中的任何一个来实现，诸如，例如飞行器中的115VAC供应系统。

DC-DC转换器102包括供应线112，返回线114，串联耦合在供应线112中的第一半导体开关116，以及串联耦合在返回线114中的第二半导体开关118。DC-DC转换器102可以被不同地配置和实现，但是在所描绘的实施例中，其包括升压转换器122和降压转换器124。如通常已知的那样，升压转换器122接收输入DC电压并被配置成在其接收时提供升压的DC电压到降压转换器124。包括第一半导体开关116的降压转换器124被配置成在接收被升压的DC电压时提供输出DC电压到负载110。

为了完整，在图2中示出了DC-DC转换器102的一个实施例的更详细的示意表示，其更清楚地示出升压转换器122和降压转换器124的配置。如图2所描绘的，第一和第二半导体开关116，118每个包括例如MOSFET或者IGBT之类的晶体管。不管第一和第二半导体开关116，118具体如何实现，每个被配置成操作在开状态和关状态中。在开状态中，电流流过第一和第二半导体开关116，118，并且在关状态中，电流不流过第一和第二半导体开关116，118。

在进一步进行之前，注意，半导体开关116和半导体开关118可以被不同地设置在电路中。更具体地，在某些实施例中，半导体开关116在返回线114中串联耦合，并且半导体开关118在供应线112中串联耦合。

现在返回到描述并且再次参考图1，应看到，差动电流传感器104被耦合到供应线112和返回线114。差动电流传感器104被配置成感测供应线112和返回线114之间的差动电流，并且提供表示所感测的差动电流的信号到故障检测逻辑106。将认识到的是，差动电流传感器104可以被不同地配置和实现，但是在特定的优选实施例中，其使用霍尔传感器来实现。

还如图1所示，虽然在某些实施例中，非隔离式电源100可在不具有返回线电流传感器126的情况下实现，但是所描绘的非隔离式电源100还包括返回线电流传感器126。返回线电流传感器126被配置成感测返回线电流，并提供表示其的信号到故障检测逻辑106。将认识到的是，返回线电流传感器126可以被不同地配置和实现，但是在特定的优选实施例中，其使用串联耦合在负载110和返回线114之间的电阻来实现。将另外认识到的是，在某些实施例中，非隔离式电源100可在不具有返回线电流传感器126的情况下实现。

故障检测逻辑106被耦合到差动电流传感器104，第一半导体开关116和第二半导体开关118。故障检测逻辑106配置成检测差动电流何时超过预定电流幅值，并且在检测到差动电流超过预定电流幅值时命令第一和第二半导体开关116，118操作在关状态中。在还包括返回线电流传感器126的那些实施例中，故障检测逻辑106被另外耦合到返回线电流传感器126，并且进一步配置成检测返回线电流何时超过预定电流值，并且在检测到返回线电流超过预定电流值时命令第一和第二半导体开关116，118操作在关状态中。

故障检测逻辑106可被不同地配置成实现上述的功能，但是在图3中描绘的一个实施例中，故障检测逻辑106包括第一比较器302，第二比较器304，和或逻辑306。第一比较器302配置成检测差动电流何时超过预定电流幅值308，并且提供表示其的第一输出信号312。特别地，第一比较器302优选地被配置成使得当差动电流不超过预定电流幅值308时，第一输出信号312是逻辑低，并且当差动电流超过预定电流幅值308时为逻辑高。

第二比较器304被配置成检测返回线电流何时超过预定电流值314，并且提供表示其的第二输出信号316。特别地，第二比较器304优选地被配置成使得当返回线电流不超过预定电流值314时，第二输出信号316是逻辑低，并且当返回线电流超过预定电流值314时为逻辑高。

或逻辑306被耦合到第一和第二比较器302，304并且配置成在接收处在逻辑高状态的第一和第二输出信号312，316中的一个或两个时命令第一和第二半导体开关116，118操作在关状态中。

通过在返回线114中包括第二半导体开关118，保护图1和2中描绘的非隔离式电源100免受所有输入供应条件下的输出到机壳短路。在发生输出到机壳短路的情况下，第一和第二半导体开关116，118将被命令成操作在关状态中，甚至在AC电压的负半周期期间。这是因为第二半导体开关118的体二极管将阻断AC电压的负半周期期间的电流。此外，因为使用了单个差动电流传感器104，所以消除了导致损害差错(nuisancetrips)并且在使用两个单独的电流传感器来感测差动电流时可能出现的相位误差。

将认识到的是，图3中描绘的故障检测逻辑106仅仅是一个实施例的示例，并且其可以在其它实施例中被不同地配置。在图4-6中描绘了某些示例性的替代实施例。在这些替代实施例中，与图3中的部件相同的那些部件被用相似的参考数字标识，并且其描述不被进一步描述。

关于图4中所描绘的实施例，应该注意，当使用此替代故障检测逻辑106时，非隔离式电源100将另外地包括供应线电流传感器402，其被配置成感测供应线电流并且提供表示其的信号到故障检测逻辑106。故障检测逻辑106被另外地配置成检测供应线电流何时超过预定供应线电流值，并且在检测到供应线电流超过预定供应线电流值时命令第一和第二半导体开关操作在关状态中。为了这样做，图4中描绘的故障检测逻辑106另外地包括第三比较器404，其配置成检测供应线电流何时超过预定供应返回电流值406，并且提供表示其的第三输出信号408。特别地，第三比较器404优选地被配置成使得当供应线电流不超过预定供应线电流值406时，第三输出信号408为逻辑低，并且当供应线电流超过预定供应电流值406时为逻辑高。

与图3中所描绘的实施例类似，或逻辑306耦合到第一和第二比较器302，304，但是被另外地耦合到第三比较器404。或逻辑306配置成在接收到处在逻辑高状态的第一，第二，和第三输出信号中的一个或多个时命令第一和第二半导体开关116，118操作在关状态中。

在图5中所描绘的实施例中，第一比较器302配置成将差动电流与参考高电流以及参考低电流进行比较，而不是单个的差动电流幅值。并且在图6中描绘的实施例中，该差动电流根本不被感测。

本文中所述的电路拓扑检测非隔离式电源中的输出到机壳短路，并且保护非隔离式电源免受所检测的短路，从而防止损坏半导体开关和/或电源内的其它部件。

本领域技术人员将认识到的是，结合本文公开的实施例所描述的各种说明性逻辑块，模块，电路，和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。上面在功能和/或逻辑块部件(或模块)以及各种处理步骤方面描述了实施例和实施方式中的一些。然而，应该认识到的是，此类块部件(或者模块)可由配置成执行指定功能的任何数目的硬件，软件和/或固件部件来实现。为了清楚地示出硬件和软件的此可互换性，已经在上面一般性地在它们的功能方面描述了各种说明性部件，块，模块，电路和步骤。此类功能被实现为硬件还是软件取决于强加在整个系统上的特定应用和设计约束。技术人员可以针对每个特定的应用以不同的方式来实现所描述的功能，但是此类实现决策不应被解释为引起偏离本发明的范围。例如，系统或部件的实施例可采用各种集成电路部件，例如，存储器元件，数字信号处理元件，逻辑元件，查找表等，其可以在一个或多个微处理器或其它控制设备的控制下执行多种功能。此外，本领域技术人员将认识到，本文所述的实施例仅仅是示例性的实现。

结合本文公开实施例所描述的各种说明性逻辑块，模块和电路可使用通用处理器，数字信号处理器(DSP)，专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列(FPGA)或者其它可编程逻辑设备，分立门或者晶体管逻辑，分立硬件部件，或者设计成执行本文所述功能的其任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但是作为替代，处理器可以是任何常规处理器，控制器，微控制器，或者状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP和微处理器的组合，多个微处理器，结合DSP核的一个或多个微处理器，或者任何其它此类配置。

在本文献中，诸如第一和第二等的关系术语可仅被用来区分一个实体或动作与另一个实体或动作，而不一定要求或暗示在此类实体或动作之间的任何实际的此类关系或顺序。诸如“第一”，“第二”，“第三”等的数字序数仅表示多个中的不同单个，并且并未暗示任何次序或顺序，除非由权利要求的语言特别限定。权利要求的任何一个中的文本的顺序并未暗示过程步骤必须根据此类顺序来以时间或逻辑次序执行，除非其由权利要求的语言特别地限定。过程步骤可以以任何次序来进行互换，而不脱离本发明的范围，只要此类互换不与权利要求语言矛盾并且不是逻辑荒谬的即可。

此外，取决于上下文，在描述不同元件之间的关系中所使用的诸如“连接”或“耦合到”之类的词语并不暗示在这些元件之间必须进行直接的物理连接。例如，两个元件可彼此物理地、电子地、逻辑地、或者以任何其它的方式，通过一个或多个另外的元件来连接。

虽然已经在本发明的前面详细描述中提出了至少一个示例性实施例，但是应该认识到的是，存在大量的变化。还应该认识到，一个或多个示例性实施例仅仅是示例，并且不旨在以任何方式限制本发明的范围，适用性，或者配置。更确切地说，前面的详细描述将为本领域技术人员提供用于实现本发明的示例性实施例的便利的道路图。应该理解的是，可以在示例性实施例中所描述的元件的功能和布置方面进行各种变化，而不脱离如在所附权利要求中阐述的本发明的范围。

Claims (13)

1.一种电路，包括：

非隔离式电源，配置成接收输入电压并提供输出电压，该非隔离式电源包括供应线，返回线，串联耦合在供应线中的第一半导体开关，以及串联耦合在返回线中的第二半导体开关，第一和第二半导体开关每个配置成操作在开状态和关状态中，在开状态中，电流流过第一和第二半导体开关，在关状态中，电流不流过第一和第二半导体开关；

差动电流传感器，配置成感测供应线和返回线之间的差动电流；以及

故障检测逻辑，耦合到差动电流传感器，第一半导体开关以及第二半导体开关，该故障检测逻辑配置成：

检测差动电流何时超过预定电流幅值，以及

在检测到差动电流超过预定电流幅值时命令第一和第二半导体开关操作在关状态中。

2.权利要求1的电路，还包括：

返回线电流传感器，配置成感测返回线电流，

其中该故障检测逻辑还配置成：

检测返回线电流何时超过预定电流值，以及

在检测到返回线电流超过预定电流值时命令第一和第二半导体开关操作在关状态中。

3.权利要求2的电路，其中：

该差动电流传感器包括霍尔传感器；以及

该返回线电流传感器包括串联耦合在返回线中的电阻。

4.权利要求2的电路，其中该故障检测逻辑包括：

第一比较器，配置成检测差动电流何时超过预定电流幅值并提供表示其的第一输出信号；以及

第二比较器，配置成检测返回线电流何时超过预定电流值并提供表示其的第二输出信号。

5.权利要求4的电路，其中该故障检测逻辑还包括：

或逻辑，耦合到第一和第二比较器，该或逻辑配置成，在接收到第一和第二输出信号中的一个或两个时命令第一和第二半导体开关操作在关状态中。

6.权利要求1的电路，其中第一和第二半导体开关每个包括晶体管。

7.权利要求1的电路，其中该非隔离式电源包括：

升压转换器，适于接收该输入DC电压，并且配置成在其接收时提供升压的DC电压；以及

降压级转换器，被耦合以从该升压转换器接收该升压的DC电压，并配置成在其接收时提供该输出DC电压。

8.权利要求7的电路，其中该降压级转换器包括第一半导体开关。

9.权利要求1的电路，还包括：

整流器电路，适于接收AC电压，并配置成在其接收时提供输入DC电压到DC-DC转换器。

10.权利要求1的电路，还包括：

供应线电流传感器，配置成感测供应线电流；以及

返回线电流传感器，配置成感测返回线电流，

其中该故障检测逻辑还配置成：

检测供应线电流何时超过预定供应线电流值，以及

检测返回线电流何时超过预定返回线电流值，以及

在检测到(i)供应线电流超过预定供应线电流值或者(ii)返回线电流超过预定返回线电流值时命令第一和第二半导体开关操作在关状态中。

11.权利要求10的电路，其中该故障检测逻辑包括：

第一比较器，配置成检测差动电流何时超过预定电流幅值，并提供表示其的第一输出信号；

第二比较器，配置成检测供应线电流何时超过预定供应线电流值，并提供表示其的第二输出信号；以及

第三比较器，配置成检测返回线电流何时超过预定供应返回电流值，并提供表示其的第三输出信号。

12.权利要求11的电路，其中该故障检测逻辑还包括：

或逻辑，被耦合到第一、第二和第三比较器，该或逻辑配置成在接收到第一、第二和第三输出信号中的一个或多个时命令第一和第二半导体开关操作在关状态中。

13.权利要求12的电路，其中：

差动电流传感器包括霍尔传感器；

供应线电流传感器包括串联耦合在供应线中的第一电阻；以及

返回线电流传感器包括串联耦合在返回线中的电阻。