CN107093883A - 保护电路、无线电能传输系统及过流/短路保护方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种具有使能输出功能的保护电路，包括用以控制待保护单元是否可工作的使能单元，以及用以对使能单元输出使能信号的使能信号输出单元，使能信号输出单元接比较器U2的输出端，以输出高电平或低电平信号，可以对过流短路故障做出迅速反应。还提供一种应用以上保护电路的无线电能传输系统及短路保护方法，将保护电路配合具有使能功能的DC/DC电路协同工作，提出了一种软件与硬件相协同进行过流/短路保护的方法。具有反应速度快的优点，一方面可以可以提高过流短路故障相应速度，降低器件被烧坏的风险；另一方面可以使过流、短路故障具有双重保护。

Description

保护电路、无线电能传输系统及过流/短路保护方法
技术领域
本发明属于电路、无线充电系统技术领域，涉及一种具有过流/短路保护功能的保护电路、一种具有过流/短路保护功能的无线电能传输系统，以及一种过流/短路保护方法。
背景技术
过流、短路问题是电气系统面临的最常见的安全问题之一，会导致电气系统被烧毁的问题，影响电气系统的使用寿命。
以无线充电系统为例。近年来，无线充电技术发展迅速，因其非接触、无电线连接、操作方便等特性，备受各厂商关注，各种各样的无线充电产品也相继问世。从整体上看，一个完整的无线充电系统包括两部分：无线电能发射端和无线电能接收端，而发射端和接收端通过磁场来传递能量，两者之间不用电线连接，发射端要知道接收端状态以进行功率调节，就必须从接收端传送控制讯号到发射端再经解析后进行控制形成一个控制回路，信号的传送则由无线通信系统来完成。
在异常工作状况下，无线电能传输系统会受到损坏。出于安全可靠性考虑，设备需要具备输出过流/短路保护功能，防止出现电流过大时烧毁设备。传统的过流/短路保护多使用保险丝进行保护，但此方法存在不少缺点，首先：一旦出现过流/短路故障，保险丝烧毁，需要人工进行更换保险丝才能继续使用，其次：每次更换新的保险丝又增加了新的成本。现在很多的过流/短路保护采用AD采样的方法，将输出电流进行采样进入MCU，MCU通过软件控制电路的开通关闭，此方法在发生一般的过流情况时基本能够有效的进行电路保护，但当输出发生短路时，一瞬间会产生非常大的电流，此时通过采样再进入MCU进行软件控制往往并不能及时关闭电路，往往还未进行保护器件便已烧毁。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有过流/短路保护功能的保护电路，可应用于电气产品，以在电气产品发生过流或短路故障时，免受损坏。基于以上保护电路，进一步提供了一种无线电能传输系统，可保护无线电能传输系统在发生过流或短路故障时，免受损坏。同时，本发明还提供了一种无线电能传输系统的短路保护方法，结合无线电能传输的控制系统，该保护方法可极大提高系统的安全性能。
本发明的内容为：保护电路，包括用以采集待保护单元输出电流并将其转换为采样电压信号的电流采样电阻Rs，用以将采样电压和基准电压进行比较并输出比较信号的比较器U2信号输入端，用以为保护电路供电的VCC电源信号输入端，进一步包括用以控制待保护单元是否可工作的使能单元，以及用以对使能单元输出使能信号的使能信号输出单元，使能信号输出单元接比较器U2的输出端，以输出高电平或低电平信号。
优选为：进一步包括高电平信号输入端；所述待保护单元使能单元为高电平使能单元；所述使能信号输出单元包括PNP型三极管Q1、NPN型三极管Q2和NPN型三极管Q3；PNP型三极管Q1的发射极接入高电平信号输入端的高电平信号，集电极分别与NPN型三极管Q2的基极、NPN型三极管Q3的基极相连，并进一步接地；NPN型三极管Q2的基极进一步与比较器U2的输出端相接，集电极与高电平信号输入端相接，发射极接地；高电平信号输入端经电阻R10分别连接至使能信号输出端相接和NPN型三极管Q3的集电极；NPN型三极管Q3的发射极接地，集电极作为使能信号输出端。
优选为：电流采样电阻Rs与比较器U2采样电压输入端之间设置有运算放大器U1。
优选为：比较器U2的输出端与NPN型三极管Q2之间进一步串联有二极管D1和电阻R5；PNP型三极管Q1的集电极与NPN型三极管Q2基极之间进一步串联有电阻R7和二极管D2，二极管D2的负极进一步经电阻R6与地相接；高电平信号输入端与NPN型三极管Q2的集电极之间进一步串联有电阻R8和电阻R9。
无线电能传输系统，包括无线发射端和无线接收端，所述无线发射端包括发射端MCU、逆变电路、发射端线圈和无线通信接收模块；所述无线接收端包括接收端线圈、接收端整流滤波电路、接收端MCU、DC/DC变换电路和无线通信发射模块，接收端线圈的输出经接收端整流滤波电路及DC/DC变换电路接负载；无线通信发射模块获取接收端MCU的信号并与无线通信接收模块间进行信号传输，无线通信接收模块将其获得的信号值传递到发射端MCU，发射端MCU发送驱动信号至逆变电路以控制发射端线圈的工作状态；进一步包括以上所述的保护电路；
所述DC/DC变换电路配置有控制其是否可工作的使能单元，所述电流采样电阻Rs的输入端与DC/DC变换电路的输出端相接；所述使能信号输出端与DC/DC变换电路使能单元的输入端相接。
优选为：使能信号输出端进一步与接收端MCU相连。
优选为：所述VCC电源信号信号输入端与接收端整流滤波电路的输出端相接，为保护电路引入电源信号。将整流滤波电路输出电压信号作为保护电路的启动电压信号。
无线电能传输系统过流/短路保护方法，包括以下步骤：
放大器U2基准电压输入端分别输入设定的基准电压Vref和采样电压U；使能信号输出端根据基准电压Vref和采样电压U的比较结果，输出用以控制DC/DC变换电路是否可工作的使能信号。
优选为：放大器U2基准电压输入端分别输入设定的基准电压Vref和采样电压U；使能信号输出端根据基准电压Vref和采样电压U的比较结果，输出用以控制DC/DC变换电路是否可工作的使能信号。
优选为：放大器U2基准电压输入端分别输入设定的基准电压Vref和采样电压U；使能信号输出端根据基准电压Vref和采样电压U的比较结果，输出用以控制DC/DC变换电路是否可工作的使能信号；
使能信号进一步传递至接收端MCU，接收端MCU获取使能信号后，经无线通信发射模块传递至无线通信接收模块，并进一步传递至发射端MCU；发射端MCU根据此信号生产逆变电路的控制信号，以控制无线发射端是否可工作。
优选为：当采样电压U大于基准电压Vref，使能信号输出单元输出低电平信号，DC/DC变换电路停止工作；接收端MCU获取到低电平信号后，传递至发射端MCU，发射端MCU停止向逆变电路传输驱动信号，无线发射端停止工作。
本发明的有益效果为：
(1)提供了一种具有使能输出功能的保护电路，配合待保护单元的使能单元工作，可以迅速使带保护单元关闭工作状态，以对过流短路故障做出迅速反应。
(2)与传统的单纯靠软件来控制过流/短路保护的策略不同，本发明提出了一种软件与硬件相协同进行过流/短路保护的方法。硬件方面：具有硬件电路运作，反应速度快的优点，当发生电流增大超出正常值时能够更及时有效的关闭DC/DC电路的输出；软件方面：在关闭硬件输出的同时，通过MCU软件算法，进一步控制关闭电路。一方面可以可以提高过流短路故障相应速度，降低器件被烧坏的风险；另一方面可以使过流、短路故障具有双重保护。
(3)同时电路具有自锁功能，保证了电路保护后不会进行自启动，不会出现进行保护后大电流消失后恢复工作的现象，而此时电路故障并未消失，从而导致电路不断自启，同样会造成器件毁坏。
附图说明
图1为保护电路结构示意图；
图2为无线电能传输系统结构示意图；
图3保护电路应用于无线电能传输系统结构示意图；
图4为无线电能传输系统短路保护方法工作流程图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚完整地描述。显然，具体实施方式所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供了一种具有过流、短路保护功能的保护电路，用以在电气部件发生过流或短路故障时，保护电路器件不受损坏。
保护电路，包括用以采集待保护单元输出电流并将其转换为采样电压信号的电流采样电阻Rs，用以将采样电压和基准电压进行比较并输出比较信号的比较器U2信号输入端，还包括用以为保护电路输入启动电压信号的VCC电源信号输入单元。进一步包括用以控制待保护单元是否可以工作的使能单元，以及用以对使能单元输出使能信号的使能信号输出单元，使能信号输出单元接比较器U2的输出端，以输出高电平或低电平信号。
其中，待保护单元输出采样电流信号经电流采样电阻Rs之后转变为一反应采样电流大小的采样电压信号，考虑到微弱的采样信号难易被识别，信号误差大，在电流采样电阻Rs与比较器U2采样电压输入端之间设置有运算放大器U1，用以对采样电压进行放大先处理。比较器U2具有两个输入端，一个输入端用以输入参考基准电压Vref，另一个输入端接入采样电压。该比较结果可以反应电路中是否存在过流、短路故障。
为待保护单元(可以为待保护电子器件、电路等)配置使能单元，对该使能单元输入使能信号以控制待保护单元是否可以正常工作。使能信号来源于使能信号输出单元，使能信号输出单元将根据比较器U2的输出端信号来输出高电平或低电平信号。而使能信号为高电平信号还是低电平信号取决于待保护单元自身的特性。
具体参考图1，进一步提供一种具体的使能信号输出单元的电路结构。
所述待保护单元的使能单元为高电平使能单元，即对其输入高电平信号时，待保护单元可正常工作，而输入低电平信号时，待保护单元将停止工作。所述使能信号输出单元包括PNP型三极管Q1、NPN型三极管Q2和NPN型三极管Q3；PNP型三极管Q1的发射极接入高电平信号输入端的高电平信号，集电极分别与NPN型三极管Q2的基极、NPN型三极管Q3的基极相连，并进一步接地；NPN型三极管Q2的基极进一步与比较器U2的输出端相接，集电极与高电平信号输入端相接，发射极接地；高电平信号输入端经电阻R10分别连接至使能信号输出端相接和NPN型三极管Q3的集电极；NPN型三极管Q3的发射极接地，集电极作为使能信号输出端。
更进一步的，为了温流、稳压，使能信号输出单元进一步包括以下辅助的器件结构。运算放大器U1的一个输入端还经电阻R1接地，且该输入端还经电阻R3连接至其输出端。比较器U2的输出端与NPN型三极管Q2之间进一步串联有二极管D1和电阻R5；PNP型三极管Q1的集电极与NPN型三极管Q2基极之间进一步串联有电阻R7和二极管D2，二极管D2的负极进一步经电阻R6与地相接；高电平信号输入端与NPN型三极管Q2的集电极之间进一步串联有电阻R8和电阻R9。
应用时，过流/短路保护电路采样电阻Rs的输入端连接带保护电路的输出端，以采集待保护电路的输出采样电流信号。采样信号首先经过一个运算放大器U1进行信号放大，再通过比较器U2输出高低电平信号，Vref是比较器的基准电压，Vref不是固定值，可根据系统工作需要而设定。当系统发生过流/短路故障时，电流增大，电流采样电阻Rs产生的电流采样信号增大，再经过运算放大器放大进入比较器，此时信号超过比较器基准电压Vref,比较器输出高电平，即NPN型三极管Q2基极高电平，Q2导通，PNP型三极管Q1导通，集电极为高电平，即NPN型三极管Q3基极为高电平，Q3导通导致集电极被拉到地输出低电平信号。即使能信号输出端输出的为低电平信号；待保护单元停止工作，从而达到过流/短路保护的目的。此时电路中没有电流，输出电流采样信号经过运算放大器U1放大后仍达不到比较器跳变的基准，比较器输出低电平，NPN型三极管Q2不导通，PNP型三极管Q1仍导通，集电极为高电平，即NPN型三极管Q3基极为高电平，Q3仍导通从而输出仍然维持在低电平信号，使待保护单元仍处于关闭状态，发射端休眠无能量传输，从而达到自锁功能，防止保护后大电流消失、电路不断自启引起器件发热甚至烧毁。
实施例2
具体参考图2，无线电能传输系统，包括无线发射端和无线接收端，所述无线发射端包括发射端MCU、逆变电路、发射端线圈和无线通信接收模块；所述无线接收端包括接收端线圈、接收端整流滤波电路、接收端MCU、DC/DC变换电路和无线通信发射模块，接收端线圈的输出经接收端整流滤波电路及DC/DC变换电路接负载；无线通信发射模块获取接收端MCU的信号并与无线通信接收模块间进行信号传输，无线通信接收模块将其获得的信号值传递到发射端MCU，发射端MCU发送驱动信号至逆变电路以控制发射端线圈的工作状态。
无线电能传输系统中，发射端整流滤波电路将从电网取的交流电从工频交流电变为直流电；逆变电路使直流电变为高频交流电，用于激励发射端的谐振线圈；发射端MCU控制电路产生PWM驱动信号，以驱动逆变电路工作；接收端线圈通过磁场耦合拾取能量；接收端整流滤波电路将高频交流电转换为直流电输出；DC/DC变换电路输出负载设备所需要电压；接收端和发射端的射频通信模块是为了实现无线电能传输系统的稳定运行，将接收端的状态信息返回给发射端，实现整个系统的闭环控制。在这个过程中，接收端的MCU会采样输出侧的整流电压信号，并经过与之相连射频通信电路模块发送到发射端设备的无线通信模块。发射端的MCU会根据与之相连的射频无线通信模块返回的输出侧整流电压值，调节PWM频率、占空比或相位来稳定输出整流电压。
与传统的无线电能传输系统不同的是，进一步包括实施例1中所述的过流、短路保护电路，且所述DC/DC变换电路配置有控制其是否可工作的使能单元，为具有使能功能的DC/DC变换电路，过流/短路保护电路通过输出端的电流采样信号的变化输出高低电平信号来控制具有使能功能的DC/DC变换电路的开启或关闭。
具体参考图3，NPN型三极管Q3的集电极为使能输出端，保护电路与无线电能传输系统的具体连接结构为：电流采样电阻Rs的输入端与具有使能功能的DC/DC变换电路的输出端相接，对DC/DC变换电路输出电流进行采样；保护电路使能输出端与DC/DC变换电路使能单元的输入端相接。同时，使能信号输出端进一步与接收端MCU相连；VCC电源信号输入单元与接收端整流滤波电路的输出端相接，为保护电路引入使能电压信号。
以上无线电能传输系统具体的工作原理为：
放大器U2基准电压输入端分别输入设定的基准电压Vref和采样电压U；使能信号输出端根据基准电压Vref和采样电压U的比较结果，输出用以控制DC/DC变换电路是否可工作的使能信号。
使能信号进一步传递至接收端MCU，接收端MCU获取使能信号后，经无线通信发射模块传递至无线通信接收模块，并进一步传递至发射端MCU；发射端MCU根据此信号生产逆变电路的控制信号，以控制无线发射端是否可工作。
更进一步的，当采样电压U大于基准电压Vref，使能信号输出单元输出低电平信号，DC/DC变换电路停止工作；接收端MCU获取到低电平信号后，传递至发射端MCU，发射端MCU停止向逆变电路传输驱动信号，无线发射端停止工作。
概括的说，当系统正常工作时，无线发射端以预设频率工作，进行能量传输，将电能从发射端无线传输到接收端，无线接收端将能量输出到负载，使负载正常工作。在此过程中接收端MCU会一直检测过流/短路保护电路的输出状况，若没有检测到过流/短路保护电路输出低电平，则系统正常工作，发射端仍以预设频率工作进行能量传输，若检测到输出低电平时，此时电路中出现输出过流、短路异常工作的情况，接收端MCU通过无线通信将故障信号传送给发射端MCU，发射端MCU控制无线发射端停止能量的传输。
具体的说，具有使能功能的DC/DC变换电路的输出，即无线接收端的输出，连接电流采样电阻Rs进行输出电流采样，采样信号首先经过一个运算放大器U1进行信号放大，再通过比较器U2输出高低电平信号，Vref是比较器的基准电压，根据系统工作需要而设定。当系统发生过流/短路故障时，电流增大，电流采样电阻产生的电流采样信号增大，再经过运算放大器放大进入比较器，此时信号超过比较器基准电压Vref,比较器输出高电平，即NPN型三极管Q2基极高电平，Q2导通，PNP型三极管Q1导通，集电极为高电平，即NPN型三极管Q3基极为高电平，Q3导通导致集电极被拉到地输出低电平信号与具有使能功能的DC/DC变换电路和接收端MCU相连，使高电平使能的DC/DC变换电路关闭停止输出，同时接收端MCU接到低电平信号后通过无线通信传递到发射端MCU使发射端休眠停止能量传输，从而达到过流/短路保护的目的。此时电路中没有电流，输出电流采样信号经过运算放大器U1放大后仍达不到比较器跳变的基准，比较器输出低电平，NPN型三极管Q2不导通，PNP型三极管Q1仍导通，集电极为高电平，即NPN型三极管Q3基极为高电平，Q3仍导通从而输出仍然维持在低电平信号，使具有使能功能的DC/DC变换电路仍处于关闭状态，发射端休眠无能量传输，从而达到自锁功能，防止保护后大电流消失、电路不断自启引起器件发热甚至烧毁。
采用该系统和方法，无线电能传输系统的安全性可极大的提高。

Claims (10)

1.保护电路，包括用以采集待保护单元输出电流并将其转换为采样电压信号的电流采样电阻Rs，用以将采样电压和基准电压进行比较并输出比较信号的比较器U2信号输入端，用以为保护电路供电的VCC电源信号输入端，其特征在于：进一步包括用以控制待保护单元是否可工作的使能单元，以及用以对使能单元输出使能信号的使能信号输出单元，使能信号输出单元接比较器U2的输出端，以输出高电平或低电平信号。
2.如权利要求1所述的保护电路，其特征在于：所述待保护单元使能单元为高电平使能单元；所述使能信号输出单元包括PNP型三极管Q1、NPN型三极管Q2和NPN型三极管Q3；PNP型三极管Q1的发射极接入高电平信号输入端的高电平信号，集电极分别与NPN型三极管Q2的基极、NPN型三极管Q3的基极相连，并进一步接地；NPN型三极管Q2的基极进一步与比较器U2的输出端相接，集电极与高电平信号输入端相接，发射极接地；高电平信号输入端经电阻R10分别连接至使能信号输出端相接和NPN型三极管Q3的集电极；NPN型三极管Q3的发射极接地，集电极作为使能信号输出端。
3.如权利要求1所述的保护电路，其特征在于：电流采样电阻Rs与比较器U2采样电压输入端之间设置有运算放大器U1。
4.如权利要求2所述的保护电路，其特征在于：比较器U2的输出端与NPN型三极管Q2之间进一步串联有二极管D1和电阻R5；PNP型三极管Q1的集电极与NPN型三极管Q2基极之间进一步串联有电阻R7和二极管D2，二极管D2的负极进一步经电阻R6与地相接；高电平信号输入端与NPN型三极管Q2的集电极之间进一步串联有电阻R8和电阻R9。
5.无线电能传输系统，包括无线发射端和无线接收端，所述无线发射端包括发射端MCU、逆变电路、发射端线圈和无线通信接收模块；所述无线接收端包括接收端线圈、接收端整流滤波电路、接收端MCU、DC/DC变换电路和无线通信发射模块，接收端线圈的输出经接收端整流滤波电路及DC/DC变换电路接负载；无线通信发射模块获取接收端MCU的信号并与无线通信接收模块间进行信号传输，无线通信接收模块将其获得的信号值传递到发射端MCU，发射端MCU发送驱动信号至逆变电路以控制发射端线圈的工作状态；其特征在于：进一步包括权利要求1至4中任意一项所述的保护电路；
所述DC/DC变换电路配置有控制其是否可工作的使能单元，所述电流采样电阻Rs的输入端与DC/DC变换电路的输出端相接；所述使能信号输出端与DC/DC变换电路使能单元的输入端相接。
6.如权利要求5所述的无线电能传输系统，其特征在于：使能信号输出端进一步与接收端MCU相连。
7.如权利要求5所述的无线电能传输系统，其特征在于：所述VCC电源信号信号输入端与接收端整流滤波电路的输出端相接，为保护电路引入电源信号。
8.无线电能传输系统过流/短路保护方法，基于权利要5所述的无线电能传输系统而实现，其特征在于，包括以下步骤：
放大器U2基准电压输入端分别输入设定的基准电压Vref和采样电压U；使能信号输出端根据基准电压Vref和采样电压U的比较结果，输出用以控制DC/DC变换电路是否可工作的使能信号。
9.无线电能传输系统过流/短路保护方法，基于权利要6所述的无线电能传输系统而实现，其特征在于：放大器U2基准电压输入端分别输入设定的基准电压Vref和采样电压U；使能信号输出端根据基准电压Vref和采样电压U的比较结果，输出用以控制DC/DC变换电路是否可工作的使能信号；
使能信号进一步传递至接收端MCU，接收端MCU获取使能信号后，经无线通信发射模块传递至无线通信接收模块，并进一步传递至发射端MCU；发射端MCU根据此信号生产逆变电路的控制信号，以控制无线发射端是否可工作。
10.如权利要求8或9所述的无线电能传输系统过流/短路保护方法，其特征在于：当采样电压U大于基准电压Vref，使能信号输出单元输出低电平信号，DC/DC变换电路停止工作；接收端MCU获取到低电平信号后，传递至发射端MCU，发射端MCU停止向逆变电路传输驱动信号，无线发射端停止工作。
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