CN108540113A - 一种基于局部电路自动控制的高频开关电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于局部电路自动控制的高频开关电路，涉及高频开关电路技术领域，解决了现有技术所存在难以在信号资源维持不变的条件下实现保护电路静默截止和余留电荷泄放以创造出无处理器的智能高电源效率安全高频开关电路的技术问题。主要包括脉宽调制电源电路、反馈保护电路、关断采集电路和定时泄放电路。本发明用于设计高频开关。

Description

一种基于局部电路自动控制的高频开关电路

技术领域

本发明涉及高频开关电路技术领域，具体涉及一种基于局部电路自动控制的高频开关电路。

背景技术

随着现代电子科学技术的发展，电子设备让人们的生活越来越美好、便捷。目前，绝大多数的电子设备都具有高频开关，高频开关一般都受到振荡器电路的驱动，由于振荡器电路的不稳定性，通常会利用保护电路对振荡器进行隔离、清除和反馈控制，而处在同一电源内部的保护电路是持续活跃的、具有不可静默特性，并且该保护电路无法在不增加定时器等计时电路结构条件下进行自我静默、截止和关断，这一方面会使得高频开关在没有工作任务时也在进行内部耗能，降低系统的电源效率，影响负载实际获取的电源质量，更为微妙地是，另一方面，在某些应用场景中，一个设备体一般会具有很多高频开关，如在其通讯系统中大量使用该保护电路，当系统进行无线电静默时，大量内部保护电路持续的工作形成的电磁场信号是可以被探测出的，容易暴露出相对地理位置。

此外，高频开关通常都会使用大量电容等充放电储能器件，比如振荡器，会造成电路具有大量余留电荷，余留电荷的存在可能会让部分保护电路失效并在开启瞬间容易造成大量开关击穿，从而进一步导致电路短路的严重后果，及时适时的对电路余留电荷进行泄放是很有必要的。

发明内容

针对上述现有技术，本发明目的在于提供一种基于局部电路自动控制的高频开关电路，解决了现有技术所存在难以在信号资源维持不变的条件下实现保护电路静默截止和余留电荷泄放以创造出无处理器的智能高电源效率安全高频开关电路的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于局部电路自动控制的高频开关电路，包括:

脉宽调制电源电路，接收输入信号；

反馈保护电路，采集脉宽调制电源电路所输出的开关通道电压信号和负载电压信号；

所述脉宽调制电源电路，还接收反馈保护电路所输出的重置信号且选择地调制开关通道电压信号和负载电压信号；

关断采集电路，采集脉宽调制电源电路内的开关信号；

所述反馈保护电路，其开关接收关断采集电路所输出的延时信号；

定时泄放电路，包括与脉宽调制电源电路连接的泄放开关；

所述定时泄放电路，采集脉宽调制电源电路内的开关信号，还与反馈保护电路同步接收关断采集电路所输出的延时信号，且在由开关信号和延时信号时间差所构成的定时区间内持续开启泄放开关。

附图说明

图1为本发明电路示意图；

图2为本发明振荡器的电路示意图；

图3为本发明延时控制器的电路示意图；

图4为本发明部分脉冲信号的相对变化示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合附图对本发明做进一步说明：

一种基于局部电路自动控制的高频开关电路，包括:

脉宽调制电源电路，接收输入信号V_IN；

反馈保护电路，图1中标记的ENC，采集脉宽调制电源电路所输出的开关通道电压信号V_cs和负载电压信号V_o；

所述脉宽调制电源电路，还接收反馈保护电路所输出的重置信号RST且选择地调制开关通道电压信号V_cs和负载电压信号V_o；

关断采集电路，采集脉宽调制电源电路内的开关信号V_pwm；

所述反馈保护电路，其开关接收关断采集电路所输出的延时信号DS；

定时泄放电路，包括与脉宽调制电源电路连接的泄放开关S5；

所述定时泄放电路，采集脉宽调制电源电路内的开关信号V_pwm，还与反馈保护电路同步接收关断采集电路所输出的延时信号DS，且在由开关信号V_pwm和延时信号DS时间差所构成的定时区间内持续开启泄放开关S5。

实施例1

所述脉宽调制电源电路，包括：振荡器电路；D触发器U2，其D端连接电源VCC，接收振荡器电路输出的基准时钟信号；第一与门U3，其输入端口的第一端子连接D触发器U2的Q端且另一端子接收振荡器电路输出的基准时钟信号；隔离器T1；第一场效应管Q1，其栅极连接第一与门U3的输出端、其漏极通过隔离器T1的一次绕组接收输入信号V_IN且源极通过电阻接地，电阻的高电位点输出开关通道电压信号V_cs；复用电容C2，能够防止开启电压过冲，其一端连接第一场效应管Q1的栅极且另一端接地；所述隔离器T1的二次绕组，用于作为负载端口，连接有整流电路。

上述方案中，所述振荡器电路，包括振荡器OSC，采用电容充放电型振荡器；第一反相器U1，用于将振荡器OSC输出的宽上升沿和宽下降沿时钟信号PLS转换为基准时钟信号，其输入端连接振荡器OSC输出端且输出端连接至D触发器U2的时钟端CLK。

上述方案中，所述振荡器OSC，包括：第一电流源I3，其高电势端连接电源VCC；第二电流源I4，其低电势端接地；第一反馈开关S3，其高电位端连接第一电流源I3的低电势端；第二反馈开关S4，其高电位端连接第一反馈开关S3的低电位端且低电位端连接第二电流源I4的高电势端；

第一电流源I3、第二电流源I4、第一反馈开关S3和第二反馈开关S4构成供电电路；

第一充电电容C_osc，其一端接地且另一端连接至第一反馈开关S3和第二反馈开关S4的相连位置所在电位点，该电位点为当前振荡电位base，也是第一反馈开关S3低电位端，还是第二反馈开关S4高电位端；第一比较器U7，其高电位输入端接有预置高电压V_H；第二比较器U8，其低电位输入端接有预置低电压V_L、其高电位输入端连接第一比较器U7的低电位输入端且高电位输入端还连接至第一反馈开关S3和第二反馈开关S4的相连位置所在电位点；第一与非门U9，其输入端口的第一输入端子连接第一比较器U7的输出端；第二与非门U10，其输入端口的第一输入端子连接第二比较器U8的输出端，第二输入端子连接至第一与非门U9的输出端；所述第一与非门U9，其第二输入端子连接至第二与非门U10的输出端且输出端发出时钟信号PLS；所述第一反馈开关S3，其控制端连接第二与非门U10的输出端；所述第二反馈开关S4，其控制端连接第一与非门U9的输出端。

实施例2

所述反馈保护电路，包括：第一比较器电路，接收关断采集电路所输出的延时信号DS；第二比较器电路，连接第一比较器电路且与第一比较器电路同步接收关断采集电路所输出的延时信号DS；第二与门U6，其输入端口分别连接第一比较器电路的输出端和第二比较器电路的输出端且输出端发出重置信号RST至脉宽调制电源电路。

上述方案中，所述第一比较器电路，包括：第三电流源I 1，其高电势端连接电源VCC；第一同步偏置开关S1，其高电位端连接第三电流源I 1的低电势端且控制端接收关断采集电路所输出的延时信号DS；第三比较器U4，其偏置电压输入端连接第一同步偏置开关S1的低电位端、其高电位输入端连接有限幅电压V_LMT、其低电位输入端采集脉宽调制电源电路所输出的开关通道电压信号V_cs且输出端连接至第二与门U6的输入端口。

上述方案中，所述第二比较器电路，包括：第四电流源I2，其高电势端连接电源VCC；第二同步偏置开关S2，其高电位端连接第四电流源I2的低电势端且控制端与第一同步偏置开关S1同步接收关断采集电路所输出的延时信号DS；第四比较器U5，其偏置电压输入端连接第二同步偏置开关S2的低电位端、其低电位输入端与第三比较器U4同步采集脉宽调制电源电路所输出的开关通道电压信号V_cs、高电位输入端连接有与负载电压信号V_o成比例的负载反馈信号V_FB且输出端连接至第二与门U6的输入端口。

实施例3

所述关断采集电路，包括：第二反相器U12，能够使得延时区间更加合理，其输入端采集脉宽调制电源电路内的开关信号V_pwm；延时控制器DTCC，连接第二反相器U12的输出端、还采集脉宽调制电源电路的当前振荡电位且输出延时信号DS。

上述方案中，所述延时控制器DTCC，包括：第三反相器U16，其输入端连接第二反相器U12的输出端；第二场效应管Q2，其栅极连接第三反相器U16的输出端且源极接地；第五电流源I5，其高电势端连接电源VCC且低电势端连接第二场效应管Q2的漏极；第二充电电容C1，其一端连接第五电流源I5的低电势端且另一端接地；RS触发器U9，其S端连接至第二充电电容C1电位变化的一端；第五比较器Ua,其高电位输入端连接有低于预置高电压V_H和高于预置低电压V_L的参考电压V_m且低电位输入端采集脉宽调制电源电路的当前振荡电位；第三与门Ub，其输入端口一端子连接有与开关信号V_pwm成线性关系的时钟信号，即是PLS，另一端子连接第五比较器Ua的输出端且输出端连接至RS触发器U9的R端；第四反相器U11，其输入端连接RS触发器U9的Q端且输出端发出延时信号DS。

实施例4

基于实施例1，所述定时泄放电路，包括：第一定时开关S6，优选为N沟道场效应管，其栅极接收关断采集电路所输出的延时信号DS且源极连接电源VCC；第二定时开关S7，优选为P沟道场效应管，其源极连接第一定时开关S6的漏极且栅极连接复用电容C2电压变化的一端；放大器U_op，其正相输入端接地且具有输出反馈的负相输入端连接第二定时开关S7的漏极；串行反相器奇阵列，其输入端连接放大器U_op的输出端；泄放开关S5，优选为P沟道场效应管，其栅极连接串行反相器奇阵列的输出端、其源极连接复用电容C2电压变化的一端且漏极接地；串行反相器奇阵列处于3个组成的阵列时，放大器U_op的必要性很小。

实施例5

所述振荡器OSC，第一电流源I3和第一反馈开关S3构成充电结构，用于对第一充电电容C_osc进行充电；第二电流源I4和第二反馈开关S4构成与充电结构同电流通道的放电结构，用于对第一充电电容C_osc进行放电；由于第一充电电容C_osc的线性充放电特性，当前振荡电位base会使得第一比较器U7或第二比较器U8阶段性输出电压，进一步通过第一与非门U9和第二与非门U10获得时钟信号PLS，并同时反馈控制充电结构或放电结构的开启或关闭，形成循环的振荡脉冲输出过程。

实施例6

如图4，所述第一同步偏置开关S1和第二同步偏置开关S2同步接收相对开关信号V_pwm具有延迟的延时信号DS，总是会随着开关信号V_pwm的关断而有一定延迟时间T_d1的关断自身；取低于预置高电压V_H和高于预置低电压V_L的参考电压V_m可以对关断采集电路的延时控制器DTCC进行预使能，并且预置高电压V_H、预置低电压V_L和参考电压V_m会控制延迟时间T_d1大小；考虑第二反相器U12、第三反相器U16和第四反相器U11的固有延迟向量△的延时Δ_τ，结合开关信号V_pwm的时间向量函数t₁和当前振荡电位base的时间向量函数t₂可以有函数关系：

T_d1＝f{[2Δ_τ+t₁(V_pWM)],Δ_τ,t₂(V_m,V_L)}；

而冗余持续时间T_d2的大小可以由第五电流源I5的大小和第二充电电容C1的容值进行确定，冗余持续时间T_d2的大小还能够，创造性地，形成不同的反馈保护等级，每种反馈保护等级分别对应一个冗余持续时间T_d2的大小，同时也还会对应一个电能消耗量，例如冗余持续时间T_d2越长，该反馈保护等级的电能消耗量也越小(使用P沟道场效应管的第一同步偏置开关S1和第二同步偏置开关S2)，冗余持续时间T_d2的最大值由第一充电电容C_osc的线性充放电频率决定。

实施例7

所述定时泄放电路，其第一定时开关S6的栅极接收到关断采集电路所输出的延时信号DS时，第二定时开关S7会相对提前处于开启状态，因为第二定时开关S7的栅极连接复用电容C2电压变化的一端，而复用电容C2的电压变化是受到相对延时信号DS提前的开关信号V_pwm大小变化控制的，所述定时泄放电路就会通过第一定时开关S6和第二定时开关S7具有用于触发泄放的工作时间，再通过串行反相器奇阵列的进一步延时，到达泄放触发的工作起始时刻会被充分延后，给予内部电路充分的关断响应时间，然后整个电路由于定时泄放电路的驱动进入泄放阶段，泄放开关S5再工作时间内开启，完成泄放。

具体地，预置复用电容C2的最大电压不会影响第一场效应管Q1的开断，在开关信号V_pwm正常工作时，信号的高低变化只会使得复用电容C2极少量放电，以至于复用电容C2来不及放电至第二定时开关S7的开启电压，复用电容C2再次被充电，不论此时第一定时开关S6是开启或关闭的状态，都会致使定时泄放电路处于电源断开状态，而在开关信号V_pwm关断时，第二定时开关S7由于直接关联开关信号V_pwm和复用电容C2的电压，会相对第一定时开关S6接收到延时信号DS的上升沿时刻快，只要第一定时开关S6导通，定时泄放电路的电源即被激活，进入工作时间，在第一定时开关S6接收延时信号DS的下降沿时刻，不论第二定时开关S7是开启或关闭状态，定时泄放电路的电源都被断开，即定时泄放电路也完成自我关断，整个电路进入最低电磁场量的无串扰静默状态；此外，独特地，定时泄放电路通过脉宽调制电源电路中复用电容C2的充放电性能创造出了一个拒绝频率区间，对于非系统所接受的开关信号(处于拒绝频率区间)，由于不能满足复用电容C2充放电频率要求，总是会导致第二定时开关S7的开启，使得定时泄放电路进入工作时间，从而该非系统所接受的开关信号会被泄放掉，该特性可应用于抗击电异常、低频高压电力线载波信号等电源攻击。

与现有技术相比，本发明主要的有益效果：实现了无处理器的智能高电源效率安全高频开关电路；能够在没有更多控制信号或时钟信号资源时进行反馈保护电路的关断控制；能够在没有更多控制信号或时钟信号资源时进行电路泄放和电路泄放电路的自我关断；创造了拒绝频率区间，以用于抗击对无处理器设备的电力线载波攻击；由于无需再使用可编程设备而成本低且通用性高。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于局部电路自动控制的高频开关电路，其特征在于，包括:

脉宽调制电源电路，接收输入信号V_IN；

反馈保护电路，采集脉宽调制电源电路所输出的开关通道电压信号V_cs和负载电压信号V_o；

所述脉宽调制电源电路，还接收反馈保护电路所输出的重置信号RST且选择地调制开关通道电压信号V_cs和负载电压信号V_o；

关断采集电路，采集脉宽调制电源电路内的开关信号V_pwm；

所述反馈保护电路，其开关接收关断采集电路所输出的延时信号DS；

定时泄放电路，包括与脉宽调制电源电路连接的泄放开关S5；

所述定时泄放电路，采集脉宽调制电源电路内的开关信号V_pwm，还与反馈保护电路同步接收关断采集电路所输出的延时信号DS，且在由开关信号V_pwm和延时信号DS时间差所构成的定时区间内持续开启泄放开关S5。

2.根据权利要求1所述的一种基于局部电路自动控制的高频开关电路，其特征在于，所述脉宽调制电源电路，包括：

振荡器电路；

D触发器U2，接收振荡器电路输出的基准时钟信号；

第一与门U3，其输入端口的第一端子连接D触发器U2的Q端且另一端子接收振荡器电路输出的基准时钟信号；

隔离器T1；

第一场效应管Q1，其栅极连接第一与门U3的输出端、其漏极通过隔离器T1的一次绕组接收输入信号V_IN且源极通过电阻接地；

复用电容C2，其一端连接第一场效应管Q1的栅极且另一端接地；

所述隔离器T1的二次绕组，用于作为负载端口，连接有整流电路。

3.根据权利要求2所述的一种基于局部电路自动控制的高频开关电路，其特征在于，所述振荡器电路，包括

振荡器OSC，采用电容充放电型振荡器；

第一反相器U1，其输入端连接振荡器OSC输出端且输出端连接至D触发器U2的时钟端CLK。

4.根据权利要求3所述的一种基于局部电路自动控制的高频开关电路，其特征在于，所述振荡器OSC，包括：

第一电流源I3，其高电势端连接电源VCC；

第二电流源I4，其低电势端接地；

第一反馈开关S3，其高电位端连接第一电流源I3的低电势端；

第二反馈开关S4，其高电位端连接第一反馈开关S3的低电位端且低电位端连接第二电流源I4的高电势端；

第一充电电容C_osc，其一端接地且另一端连接至第一反馈开关S3和第二反馈开关S4的相连位置所在电位点；

第一比较器U7，其高电位输入端接有预置高电压V_H；

第二比较器U8，其低电位输入端接有预置低电压V_L、其高电位输入端连接第一比较器U7的低电位输入端且高电位输入端还连接至第一反馈开关S3和第二反馈开关S4的相连位置所在电位点；

第一与非门U9，其输入端口的第一输入端子连接第一比较器U7的输出端；

第二与非门U10，其输入端口的第一输入端子连接第二比较器U8的输出端，第二输入端子连接至第一与非门U9的输出端；

所述第一与非门U9，其第二输入端子连接至第二与非门U10的输出端且输出端发出时钟信号PLS；

所述第一反馈开关S3，其控制端连接第二与非门U10的输出端；

所述第二反馈开关S4，其控制端连接第一与非门U9的输出端。

5.根据权利要求1所述的一种基于局部电路自动控制的高频开关电路，其特征在于，所述反馈保护电路，包括：

第一比较器电路，接收关断采集电路所输出的延时信号DS；

第二比较器电路，连接第一比较器电路且与第一比较器电路同步接收关断采集电路所输出的延时信号DS；

第二与门U6，其输入端口分别连接第一比较器电路的输出端和第二比较器电路的输出端且输出端发出重置信号RST至脉宽调制电源电路。

6.根据权利要求5所述的一种基于局部电路自动控制的高频开关电路，其特征在于，所述第一比较器电路，包括：

第三电流源I1，其高电势端连接电源VCC；

第一同步偏置开关S1，其高电位端连接第三电流源I1的低电势端且控制端接收关断采集电路所输出的延时信号DS；

第三比较器U4，其偏置电压输入端连接第一同步偏置开关S1的低电位端、其高电位输入端连接有限幅电压V_LMT、其低电位输入端采集脉宽调制电源电路所输出的开关通道电压信号V_cs。

7.根据权利要求6所述的一种基于局部电路自动控制的高频开关电路，其特征在于，所述第二比较器电路，包括：

第四电流源I2，其高电势端连接电源VCC；

第二同步偏置开关S2，其高电位端连接第四电流源I2的低电势端且控制端与第一同步偏置开关S1同步接收关断采集电路所输出的延时信号DS；

第四比较器U5，其偏置电压输入端连接第二同步偏置开关S2的低电位端、其低电位输入端与第三比较器U4同步采集脉宽调制电源电路所输出的开关通道电压信号V_cs、高电位输入端连接有与负载电压信号V_o成比例的负载反馈信号V_FB。

8.根据权利要求1所述的一种基于局部电路自动控制的高频开关电路，其特征在于，所述关断采集电路，包括：

第二反相器U12，其输入端采集脉宽调制电源电路内的开关信号V_pwm；

延时控制器DTCC，连接第二反相器U12的输出端、还采集脉宽调制电源电路的当前振荡电位且输出延时信号DS。

9.根据权利要求8所述的一种基于局部电路自动控制的高频开关电路，其特征在于，所述延时控制器DTCC，包括：

第三反相器U16，其输入端连接第二反相器U12的输出端；

第二场效应管Q2，其栅极连接第三反相器U16的输出端且源极接地；

第五电流源I5，其高电势端连接电源VCC且低电势端连接第二场效应管Q2的漏极；

第二充电电容C1，其一端连接第五电流源I5的低电势端且另一端接地；

RS触发器U9，其S端连接至第二充电电容C1电位变化的一端；

第五比较器Ua,其高电位输入端连接有低于预置高电压V_H和高于预置低电压V_L的参考电压V_m且低电位输入端采集脉宽调制电源电路的当前振荡电位；

第三与门Ub，其输入端口一端子连接有与开关信号V_pwm成线性关系的时钟信号、另一端子连接第五比较器Ua的输出端且输出端连接至RS触发器U9的R端；

第四反相器U11，其输入端连接RS触发器U9的Q端且输出端发出延时信号DS。

10.根据权利要求2所述的一种基于局部电路自动控制的高频开关电路，其特征在于，所述定时泄放电路，包括：

第一定时开关S6，其栅极接收关断采集电路所输出的延时信号DS且源极连接电源VCC；

第二定时开关S7，其源极连接第一定时开关S6的漏极且栅极连接复用电容C2电压变化的一端；

放大器U_op，其正相输入端接地且具有输出反馈的负相输入端连接第二定时开关S7的漏极；

串行反相器奇阵列，其输入端连接放大器U_op的输出端；

泄放开关S5，其栅极连接串行反相器奇阵列的输出端、其源极连接复用电容C2电压变化的一端且漏极接地。