CN106058796B - 一种程控过流保护电路及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种程控过流保护电路及实现方法，属于测试领域。本发明采用差分运算放大器作为输入级，提高了过流保护准确度，避免地噪声等影响；采用保护时长控制电路，合理设计过流保护信号上升时间和保护状态锁定时间，有效消除电流瞬间过冲造成的保护误触发，避免保护抖动现象；采用保护触发清零电路，便于实现保护状态的程控控制；采用保护关断复位电路，实现功率电路的快速关断。

Description

一种程控过流保护电路及实现方法

技术领域

本发明属于测试技术领域，具体涉及一种程控过流保护电路及实现方法。

背景技术

现有的过流保护电路一般是采用电阻进行电流取样，即通过特制的精密取样电阻，将电流信号转变成为电压取样信号，然后将电压取样信号和电流保护点基准电压进行比较，产生过流保护信号，去控制和关断PWM输出，从而达到过流保护功能。目前普遍存在保护点精度不高、误触发以及难以程控等问题。在程控电源中，特别是程控直流电源在提供激励时，后端负载多种多样，有感性负载，也有容性负载，既要精确设定输出电流以及过流保护点，又要避免电流瞬间冲击造成误保护，还要具有可靠的电流保护程控功能，从而保证后端负载的可靠运行。由于自动测试以及高精度程控的需要，现有过流保护电路已经无法满足，因此需要一种可靠而且简单有效的高精度程控过流保护电路及实现方法来解决上述问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种程控过流保护电路及实现方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的推广价值。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种程控过流保护电路，包括电流检测运算电路、过流编程运算电路、电平比较转换电路、保护时长控制电路、门限设定控制电路、保护触发清零电路以及保护关断复位电路；

所述电流检测运算电路，被配置为用于将微弱的电流检测信号进行I-V转换，转换成电压信号；

所述过流编程运算电路，被配置为用于将电压信号和过流编程信号进行比较运算得到过流保护模拟信号；

所述电平比较转换电路，被配置为用于将过流保护模拟信号转换成过流保护数字信号；

所述保护时长控制电路，被配置为用于对过流保护数字信号的触发时间和锁定时间进行控制；

所述门限设定控制电路，被配置为用于对经过保护时长控制电路控制的过流保护数字信号进行电平翻转限定；

所述保护触发清零电路，被配置为用于对经过门限设定控制电路限定的过流保护数字信号的保护状态进行程控控制；

所述保护关断复位电路，被配置为用于产生脉宽调制保护信号，关断功率输出，使电路恢复到起始状态；

电流检测运算电路将微弱的电流检测信号进行I-V转换成电压信号，转换后的电压信号进入过流编程运算电路，和过流编程信号进行比较运算，输出过流保护模拟信号进入电平比较转换电路，电平转换电路将过流保护模拟信号转换成过流保护数字信号，转换后的过流保护数字信号进入保护时长控制电路，保护时长控制电路对过流保护数字信号的触发时间和锁定时间进行控制后送入门限设定控制电路，门限设定控制电路对过流保护数字信号进行电平翻转限定后送入保护触发清零电路，保护触发清零电路对过流保护数字信号的保护状态进行程控控制后送入保护关断复位电路，保护关断复位电路产生脉宽调制保护信号，关断功率输出，使电路恢复到起始状态。

优选地，电流检测运算电路包括第一运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻、第一电容和第二电容；第一电阻采用功率电阻，第二电阻和第四电阻以及第三电阻和第五电阻均采用配对电阻；第二电阻的一端连接至第一运算放大器的反向输入端，第二电阻的另一端和第一电阻的一端组成的公共端连接至+IS，第四电阻的一端和第五电阻的一端组成的公共端连接至第一运算放大器的正向输入端，第四电阻的另一端和第一电阻的另一端组成的公共端连接至-IS，第五电阻的另一端接地，第二电容跨接至第五电阻的两端，第三电阻和第一电容组成的并联电路跨接至第一运算放大器的反相输入端和输出端之间。

优选地，过流编程运算电路包括第二运算放大器、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第三电容和第一二极管；第二运算放大器的同相输入端和第一运算放大器的输出端相连，第六电阻的一端连接至第二运算放大器的同相输入端，第六电阻的另一端连接至第一二极管的阴极，第一二极管的阳极连接至0V，第三电容跨接至第一二极管的两端，第七电阻和第八电阻组成的公共端连接至第二运算放大器的同相输入端，第八电阻的另一端连接至-15V。

优选地，电平比较转换电路包括第二运算放大器和第九电阻，第九电阻的一端连接至第二运算放大器的输出端，另一端连接至+3.3V。

优选地，保护时长控制电路包括第二运算放大器、第九电阻、第十电阻、第四电容和第二二极管；第九电阻和第十电阻为可调电阻，第二二极管的阳极连接至第二运算放大器的输出端，第十电阻相对的两引出端跨接至第二二极管的两端，第十电阻的另一引出端连接至第二运算放大器的输出端，第九电阻的一端连接至第二运算放大器的输出端，相对的另一端连接至+3.3V，第九电阻的另一引出端也连接至+3.3V，第四电容的一端连接至第二二极管的阴极，第四电容的另一端接地。

优选地，门限设定控制电路包括第三运算放大器、第十一电阻和第十二电阻；第三运算放大器的同相输入端和第二二极管的阴极相连，第十一电阻和第十二电阻组成的公共端连接至第三运算放大器的反相输入端，第十一电阻的另一端连接至+3.3V，第十二电阻的另一端接地。

优选地，保护触发清零电路包括第一触发器和第十三电阻；第十三电阻的一端连接至第一触发器的预置端，另一端连接至+3.3V。

优选地，保护关断复位电路包括第二触发器、第十四电阻、第十五电阻和第十六电阻；第二触发器的时钟端连接至第一触发器的输出端，第十四电阻的一端连接至第二触发器的清除端，第十四电阻的另一端接地，第十五电阻和第十六电阻组成的公共端连接至第二触发器的输出端，第十五电阻的另一端连接至+3.3V。

此外，本发明还提到一种程控过流保护实现方法，该方法采用如上所述的一种程控过流保护电路，包括如下步骤：

步骤1：通过电流检测运算电路将微弱的电流检测信号进行I-V转换，转换成电压信号；

步骤2：通过过流编程运算电路将转换的电压信号和过流编程信号进行比较运算得到过流保护模拟信号；

步骤3：通过电平比较转换电路将过流保护模拟信号转换成过流保护数字信号；

步骤4：通过保护时长控制电路对过流保护数字信号的触发时间和锁定时间进行控制；

步骤5：通过门限设定控制电路对经过保护时长控制电路控制的过流保护数字信号进行电平翻转限定；

步骤6：通过保护触发清零电路对经过门限设定控制电路限定的过流保护数字信号的保护状态进行程控控制；

步骤7：通过保护关断复位电路产生脉宽调制保护信号，关断功率输出，使电路恢复到起始状态。

本发明所带来的有益技术效果如下：

1、采用差分运算放大电路和过流编程运算电路相结合，提高了过流保护准确度，避免地噪声等影响。

2、采用保护时长控制电路，合理设计过流保护的触发时间和锁定时间，有效消除电流瞬间过冲造成的保护误触发，避免保护抖动现象。

3、采用保护触发清零电路，便于实现保护状态的编控控制。

4、采用保护关断复位电路，实现保护状态的清除功能：当故障消除后，可解除保护锁定，使电路恢复正常工作，因而有效提高保护控制的灵活性。

本发明具有较高的过电流保护灵敏度和过流保护精度，在各个档位都不存在电流保护过冲问题，电流保护点的程控一致性较高。

附图说明

图1为本发明一种程控过流保护电路的硬件原理框图。

图2为本发明一种程控过流保护电路的电路图。

其中，1-电流检测运算电路；2-过流编程运算电路；3-电平比较转换电路；4-保护时长控制电路；5-门限设定控制电路；6-保护触发清零电路；7-保护关断复位电路。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图1所示的程控过流保护电路，包括电流检测运算电路1、过流编程运算电路2、电平比较转换电路3、保护时长控制电路4、门限设定控制电路5、保护触发清零电路6以及保护关断复位电路7；

电流检测运算电路1，被配置为用于将微弱的电流检测信号进行I-V转换，转换成电压信号；

过流编程运算电路2，被配置为用于将电压信号和过流编程信号进行比较运算得到过流保护模拟信号；

电平比较转换电路3，被配置为用于将过流保护模拟信号转换成过流保护数字信号；

保护时长控制电路4，被配置为用于对过流保护数字信号的触发时间和锁定时间进行控制；

门限设定控制电路5，被配置为用于对经过保护时长控制电路4控制的过流保护数字信号进行电平翻转限定；

保护触发清零电路6，被配置为用于对经过门限设定控制电路5限定的过流保护数字信号的保护状态进行程控控制；

保护关断复位电路7，被配置为用于产生脉宽调制保护信号，关断功率输出，使电路恢复到起始状态；

高精度程控过流保护电路的过流检测输入端采用差分放大器作为前置放大器，将微弱的电流检测信号进行精确的I-V转换，将电流信号转换成电压信号；转换后的电压信号送入过流编程运算电路2，和过流编程信号进行比较运算，再经过电平比较转换电路3，将模拟电路信号转换成数字电平信号，以利于后端数字处理电路进行状态控制；保护时长控制电路4，通过对过流保护信号触发时间和锁定时间的合理设计，一方面有效消除电流瞬间过冲造成的保护误触发，另一方面保证一定的保护状态锁定时间，避免保护抖动现象；门限设定控制电路5，进一步消除瞬间误动作及保护抖动；保护触发清零电路6，便于实现保护状态的编控控制，并获得功率电路的快速关断功能；保护关断复位电路7，可实现保护锁定状态的清除，有效提高保护控制的便于实现保护状态的程控控制，实现功率电路的快速关断。

在图2中，第一运算放大器N401、第一电阻R400、第二电阻R401、第三电阻R402、第四电阻R403和第五电阻R404、第一电容C401和第二电容C402组成差分运算放大电路，通过差分运算放大电路将微弱的电流检测信号进行精确的I-V转换，转换成电压信号。

第一运算放大器N401采用超低输入偏置电流的高精密运算放大器，输入偏置电流仅为50pA；第一电阻R400精密功率电阻，第二电阻R401、第四电阻R403和第三电阻R402、第五电阻R404采用高精度配对电阻；使得漂移、噪声、失调电压及失调电流等降至最低，以提高电路的过流保护点检测精度。

第二电阻R401的一端连接至第一运算放大器N401的反向输入端，第二电阻R401的另一端和第一电阻R400的一端组成的公共端连接至+IS，第四电阻R403的一端和第五电阻R404的一端组成的公共端连接至第一运算放大器N401的正向输入端，第四电阻R403的另一端和第一电阻R400的另一端组成的公共端连接至-IS，第五电阻R404的另一端接地，第二电容C402跨接至第五电阻R404的两端，第三电阻R402和第一电容C401组成的并联电路跨接至第一运算放大器N401的反相输入端和输出端之间。

第六电阻R405、第七电阻R406、第八电阻R407、第三电容C403、第一二极管V401和第二运算放大器N402构成精密程控的过流编程运算电路，通过过流编程运算电路将转换的电压信号和过流编程信号(OC-PROG)进行比较运算，确定电流过流保护点。

第二运算放大器N402的同相输入端和第一运算放大器N401的输出端相连，第六电阻R405的一端连接至第二运算放大器N402的同相输入端，第六电阻R405的另一端连接至第一二极管V401的阴极，第一二极管V401的阳极连接至0V，第三电容C403跨接至第一二极管V401的两端，第七电阻R406和第八电阻R407组成的公共端连接至第二运算放大器N402的同相输入端，第八电阻R407的另一端连接至-15V。

第九电阻R408和第二运算放大器N402构成电平比较转换电路，第九电阻R408的一端连接至第二运算放大器N402的输出端，另一端连接至+3.3V。

第九电阻R408、第十电阻R409、第四电容C405和第二二极管V402构成保护时长控制电路，第九电阻R408和第十电阻R409为可调电阻，第二二极管V402的阳极连接至第二运算放大器N402的输出端，第十电阻R409相对的两引出端跨接至第二二极管V402的两端，第十电阻R409的另一引出端连接至第二运算放大器N402的输出端，第九电阻R408的一端连接至第二运算放大器N402的输出端，相对的另一端连接至+3.3V，第九电阻R408的另一引出端也连接至+3.3V，第四电容C405的一端连接至第二二极管V402的阴极，第四电容C405的另一端接地。

当第二运算放大器N402的1脚输出为高(OC门)时，第四电容C405通过第九电阻R408、第二二极管V402进行充电；当第二运算放大器N402的1脚输出为低时，第四电容C405通过第十电阻R409进行放电；再通过，第十一电阻R410、第十二电阻R411、第三运算放大器N403构成的门限设定控制电路进行电平翻转限定，有效消除电流瞬间过冲造成的保护误触发，并保证一定的保护锁定时间，避免保护抖动现象。

第三运算放大器N403的同相输入端和第二二极管V402的阴极相连，第十一电阻R410和第十二电阻R411组成的公共端连接至第三运算放大器N403的反相输入端，第十一电阻R410的另一端连接至+3.3V，第十二电阻R411的另一端接地。

第一触发器N404B和第十三电阻R412构成保护触发清零电路；第十三电阻R412的一端连接至第一触发器N404B的预置端，另一端连接至+3.3V。

第二触发器N404A、第十四电阻R413、第十五电阻R414和第十六电阻R415构成保护关断复位电路；第二触发器N404A的时钟端连接至第一触发器N404B的输出端，第十四电阻R413的一端连接至第二触发器N404A的清除端，第十四电阻R413的另一端接地，第十五电阻R414和第十六电阻R415组成的公共端连接至第二触发器N404A的输出端，第十五电阻R414的另一端连接至+3.3V。

N404A、N404B采用兼具复位和清零功能的触发器，过流保护信号经过N404B处理后，产生OC-PROT(过流保护)信号，一方面发送给CPU系统，关断程控电流基准信号，实现程控过流保护功能，另一方面发送给N404A触发器，产生PROT-PWM(脉宽调制保护)信号，直接关断功率电路的脉宽调制电路的输出脉冲，进而关断功率输出，实现快速保护功能；PROT-CLR(保护清零)信号同时控制N404A、N404B的保护状态，实现过流保护状态的程控功能。

由样机电路测试数据结果见表1：

表1测试数据

从表1中可以看出，本发明样机电路在10mA～100mA范围内都具有较好的准确度、线性度，电路具有较高的过电流测试灵敏度和精确度；对于高于100mA的较大电流档位，其过电流测量误差更是远低于0.005％。

综上说明本发明电路具有较高的过电流保护灵敏度和过流保护精度，在各个档位都不存在电流保护过冲问题，电流保护点的程控一致性较高，达到了本发明专利的设计目标。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种程控过流保护电路，其特征在于：包括电流检测运算电路、过流编程运算电路、电平比较转换电路、保护时长控制电路、门限设定控制电路、保护触发清零电路以及保护关断复位电路；

所述电流检测运算电路，被配置为用于将微弱的电流检测信号进行I-V转换，转换成电压信号；

所述过流编程运算电路，被配置为用于将电压信号和过流编程信号进行比较运算得到过流保护模拟信号；

所述电平比较转换电路，被配置为用于将过流保护模拟信号转换成过流保护数字信号；

所述保护时长控制电路，被配置为用于对过流保护数字信号的触发时间和锁定时间进行控制；

所述门限设定控制电路，被配置为用于对经过保护时长控制电路控制的过流保护数字信号进行电平翻转限定；

所述保护触发清零电路，被配置为用于对经过门限设定控制电路限定的过流保护数字信号的保护状态进行程控控制；

所述保护关断复位电路，被配置为用于产生脉宽调制保护信号，关断功率输出，使电路恢复到起始状态；

过流编程运算电路包括第二运算放大器、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第三电容和第一二极管；第二运算放大器的同相输入端和第一运算放大器的输出端相连，第六电阻的一端连接至第二运算放大器的同相输入端，第六电阻的另一端连接至第一二极管的阴极，第一二极管的阳极连接至0V，第三电容跨接至第一二极管的两端，第七电阻和第八电阻组成的公共端连接至第二运算放大器的同相输入端，第八电阻的另一端连接至-15V；

电流检测运算电路将微弱的电流检测信号进行I-V转换成电压信号，转换后的电压信号进入过流编程运算电路，和过流编程信号进行比较运算，输出过流保护模拟信号进入电平比较转换电路，电平转换电路将过流保护模拟信号转换成过流保护数字信号，转换后的过流保护数字信号进入保护时长控制电路，保护时长控制电路对过流保护数字信号的触发时间和锁定时间进行控制后送入门限设定控制电路，门限设定控制电路对过流保护数字信号进行电平翻转限定后送入保护触发清零电路，保护触发清零电路对过流保护数字信号的保护状态进行程控控制后送入保护关断复位电路，保护关断复位电路产生脉宽调制保护信号，关断功率输出，使电路恢复到起始状态。

2.根据权利要求1所述的程控过流保护电路，其特征在于：电流检测运算电路包括第一运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻、第一电容和第二电容；第一电阻采用功率电阻，第二电阻和第四电阻以及第三电阻和第五电阻均采用配对电阻；第二电阻的一端连接至第一运算放大器的反向输入端，第二电阻的另一端和第一电阻的一端组成的公共端连接至+IS，第四电阻的一端和第五电阻的一端组成的公共端连接至第一运算放大器的正向输入端，第四电阻的另一端和第一电阻的另一端组成的公共端连接至-IS，第五电阻的另一端接地，第二电容跨接至第五电阻的两端，第三电阻和第一电容组成的并联电路跨接至第一运算放大器的反相输入端和输出端之间。

3.根据权利要求1所述的程控过流保护电路，其特征在于：电平比较转换电路包括第二运算放大器和第九电阻，第九电阻的一端连接至第二运算放大器的输出端，另一端连接至+3.3V。

4.根据权利要求1所述的程控过流保护电路，其特征在于：保护时长控制电路包括第二运算放大器、第九电阻、第十电阻、第四电容和第二二极管；第九电阻和第十电阻为可调电阻，第二二极管的阳极连接至第二运算放大器的输出端，第十电阻相对的两引出端跨接至第二二极管的两端，第十电阻的另一引出端连接至第二运算放大器的输出端，第九电阻的一端连接至第二运算放大器的输出端，相对的另一端连接至+3.3V，第九电阻的另一引出端也连接至+3.3V，第四电容的一端连接至第二二极管的阴极，第四电容的另一端接地。

5.根据权利要求1所述的程控过流保护电路，其特征在于：门限设定控制电路包括第三运算放大器、第十一电阻和第十二电阻；第三运算放大器的同相输入端和第二二极管的阴极相连，第十一电阻和第十二电阻组成的公共端连接至第三运算放大器的反相输入端，第十一电阻的另一端连接至+3.3V，第十二电阻的另一端接地。

6.根据权利要求1所述的程控过流保护电路，其特征在于：保护触发清零电路包括第一触发器和第十三电阻；第十三电阻的一端连接至第一触发器的预置端，另一端连接至+3.3V。

7.根据权利要求1所述的程控过流保护电路，其特征在于：保护关断复位电路包括第二触发器、第十四电阻、第十五电阻和第十六电阻；第二触发器的时钟端连接至第一触发器的输出端，第十四电阻的一端连接至第二触发器的清除端，第十四电阻的另一端接地，第十五电阻和第十六电阻组成的公共端连接至第二触发器的输出端，第十五电阻的另一端连接至+3.3V。

8.一种程控过流保护实现方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的一种程控过流保护电路，包括如下步骤：

步骤1：通过电流检测运算电路将微弱的电流检测信号进行I-V转换，转换成电压信号；

步骤2：通过过流编程运算电路将转换的电压信号和过流编程信号进行比较运算得到过流保护模拟信号；

步骤3：通过电平比较转换电路将过流保护模拟信号转换成过流保护数字信号；

步骤4：通过保护时长控制电路对过流保护数字信号的触发时间和锁定时间进行控制；

步骤5：通过门限设定控制电路对经过保护时长控制电路控制的过流保护数字信号进行电平翻转限定；

步骤6：通过保护触发清零电路对经过门限设定控制电路限定的过流保护数字信号的保护状态进行程控控制；

步骤7：通过保护关断复位电路产生脉宽调制保护信号，关断功率输出，使电路恢复到起始状态。