CN110581542A - 自激振荡双向限流电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自激振荡双向限流电路，涉及电路保护领域。包括：第一控制器、第二控制器、第一限流电路、第二限流电路、第一续流电路、第二续流电路和电感，以第一控制器为例，第一控制器用于获取第一限流电路的第一电压值，当第一电压值大于第一预设电压时，控制第一限流电路进行限流，通过第一续流电路进行续流；还用于获取第一续流电路的第二电压值，当第二电压值小于第二预设电压时，控制第一限流电路停止限流。本发明提供的限流电路，实现了无需外部时钟信号的自激振荡限流，适合频繁加断电，在上电、过载和短路时均能提供限制电流的作用，还可以实现双向输入输出的限流，具有集成度高、损耗小等优点。

Description

自激振荡双向限流电路及方法

技术领域

本发明涉及电路保护领域，尤其涉及自激振荡双向限流电路及方法。

背景技术

在电路设计领域，为提高供电的质量和可靠性，输入电压纹波过大、载荷启动瞬间的电流冲击、正常工作过程中的过载和短路等问题，均需要设计相应的电路、采取相关措施来解决。

目前，为解决容性负载加电瞬间的电流冲击问题，采用的方案通常是在容性负载前端串接限流电阻限制冲击电流，或者利用半导体器件工作于恒流区实现冲击电流的抑制。

然而，上述电路能量损耗大，不适合频繁加断电。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种自激振荡双向限流电路，以及使用该电路进行限流保护的方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种自激振荡双向限流电路，包括：

第一控制器、第二控制器、第一限流电路、第二限流电路、第一续流电路、第二续流电路和电感，其中：

所述第一限流电路的一端作为第一输入输出端，另一端分别与所述电感的一端和所述第一续流电路的一端连接，所述第一续流电路的另一端作为第二输入输出端；

所述第二限流电路的一端作为第三输入输出端，另一端分别与所述电感的另一端和所述第二续流电路的一端连接，所述第二续流电路的另一端作为第四输入输出端，所述第二续流电路的另一端还与所述第一续流电路的另一端连接；

所述第一控制器用于获取所述第一限流电路的第一电压值，当所述第一电压值大于第一预设电压时，控制所述第一限流电路进行限流，通过所述第一续流电路进行续流；还用于获取所述第一续流电路的第二电压值，当所述第二电压值小于所述第二预设电压时，控制所述第一限流电路停止限流；

所述第二控制器用于获取所述第二限流电路的第三电压值，当所述第三电压值大于第三预设电压时，控制所述第二限流电路进行限流，通过所述第二续流电路进行续流；还用于获取所述第二续流电路的第四电压值，当所述第四电压值小于所述第四预设电压时，控制所述第二限流电路停止限流。

本发明的有益效果是：本发明提供的电路，通过控制器控制限流电路的开启和关断，当限流电路进行限流时，电感上的电流通过续流电路续流，电感上的电流逐渐变小，在续流电路产生电压，然后控制器再根据产生的电压判断是否控制限流电路停止限流，实现了无需外部时钟信号的自激振荡限流，适合频繁加断电，在上电、过载和短路时均能提供限制电流的作用。由于采用了左右电路的对称设计，因此可以实现双向输入输出的限流，具有集成度高、损耗小等优点。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种自激振荡双向限流方法，使用如上述技术方案所述的自激振荡双向限流电路进行限流。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为现有技术的电路结构示意图；

图2为本发明自激振荡双向限流电路的实施例提供的电路结构示意图；

图3为本发明自激振荡双向限流电路的其他实施例提供的电路结构示意图；

图4为本发明自激振荡双向限流电路的其他实施例提供的波形对比示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，为现有技术的电路结构示意图，该方案在容性负载前端串接限流电阻限制冲击电流。上电瞬间通过电阻R1限制给电容C1的充电电流，当C1上的电压冲到一定程度时，通过SCR驱动器开通晶闸管Q1，短接电阻R1从而实现限制冲击电流的目的。短接电阻R1的可以是晶闸管、场效应管等半导体器件，也可以是继电器、接触器和可控断路器等机电器件。

然而，在该方案中，电阻R1被短接时，存在二次冲击电流，带负载启动时，冲击电流尤为严重，并且该方案只能在上电瞬间起限制冲击电流的作用，正常工作时不具备限流能力。该方案还需要在该电路中增加电压检测电路，以确定短接限流电阻的时刻。并且，该方案具有限流电阻能量损耗大，不适合频繁加断电操作的缺点。

基于此，本发明提供了一种损耗小、适合频繁加断电，在上电、过载和短路时均能提供限制电流的作用的自激振荡双向限流电路。

如图2所示，为本发明自激振荡双向限流电路的实施例提供的电路结构示意图，该电路包括：第一控制器1、第二控制器2、第一限流电路3、第二限流电路4、第一续流电路5、第二续流电路6和电感L1，其中：

第一限流电路3的一端作为第一输入输出端，另一端分别与电感L1的一端和第一续流电路5的一端连接，第一续流电路5的另一端作为第二输入输出端；

第二限流电路4的一端作为第三输入输出端，另一端分别与电感L1的另一端和第二续流电路6的一端连接，第二续流电路6的另一端作为第四输入输出端，第二续流电路6的另一端还与第一续流电路5的另一端连接；

第一控制器1用于获取第一限流电路3的第一电压值，当第一电压值大于第一预设电压时，控制第一限流电路3进行限流，通过第一续流电路5进行续流；还用于获取第一续流电路5的第二电压值，当第二电压值小于第二预设电压时，控制第一限流电路3停止限流；

第二控制器2用于获取第二限流电路4的第三电压值，当第三电压值大于第三预设电压时，控制第二限流电路4进行限流，通过第二续流电路6进行续流；还用于获取第二续流电路6的第四电压值，当第四电压值小于第四预设电压时，控制第二限流电路4停止限流。

应理解，限流电路只是为了实现可控的限流功能，因此，限流电路可以为具有可控限流功能的电路、设备、器件等，例如，可以为晶闸管、场效应管等半导体器件，也可以是继电器、接触器和可控断路器等机电器件。

优选地，限流电路可以为桥式谐振电路，通过电压钳位实现电流限制的功能。

应理解，续流电路只是为了实现续流功能，因此，续流电路可以选择二极管等具有续流功能的电路、设备、器件等。

应理解，控制器可以包括电荷泵电路和金氧半场效晶体管驱动电路。

本实施例提供的电路，通过控制器控制限流电路的开启和关断，当限流电路进行限流时，电感L1上的电流通过续流电路续流，电感L1上的电流逐渐变小，在续流电路产生电压，然后控制器再根据产生的电压判断是否控制限流电路停止限流，实现了无需外部时钟信号的自激振荡限流，适合频繁加断电，在上电、过载和短路时均能提供限制电流的作用。由于采用了左右电路的对称设计，因此可以实现双向输入输出的限流，具有集成度高、损耗小等优点。

可选地，在一些实施例中，如图3所示，为本发明自激振荡双向限流电路的其他实施例提供的电路结构示意图，限流电路采用场效应管，续流电路采用二极管。

该电路包括：第一控制器1、第二控制器2、第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一二极管D1、第二二极管D2和电感L1，其中：

第一场效应管Q1的漏极与第一控制器1的第一端连接，作为第一输入输出端，第一场效应管Q1的栅极与第一控制器1的第二端连接，第一场效应管Q1的源极分别与第一电阻R1的一端和第一控制器1的第三端连接，第一电阻R1的另一端分别与电感L1的一端和第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端分别与第一控制器1的第四端和第一二极管D1的负极连接，第一二极管D1的正极与第一控制器1的第五端连接，作为第二输入输出端；

第二场效应管Q2的漏极与第二控制器2的第一端连接，作为第三输入输出端，第一场效应管Q1的栅极与第二控制器2的第二端连接，第二场效应管Q2的源极分别与第三电阻R3的一端和第二控制器2的第三端连接，第三电阻R3的另一端分别与电感L1的另一端和第四电阻R4的一端连接，第四电阻R4的另一端分别与第二控制器2的第四端和第二二极管D2的负极连接，第二二极管D2的正极与第二控制器2的第五端连接，作为第四输入输出端，第二二极管D2的正极还与第一二极管D1的正极连接；

第一控制器1用于检测第一电阻R1的电压值，即限流电路的第一电压值，当第一电压值大于第一预设电压时，关断第一场效应管Q1，进行限流，此时电感L1上的电流通过第一二极管D1续流，第二电阻R2产生电压信号；还用于检测第二电阻R2的电压值，即续流电路的第二电压值，当第二电压值小于第二预设电压时，打开第一场效应管Q1，停止限流；

第二控制器2用于检测第二电阻R2的电压值，即限流电路的第三电压值，当第三电压值大于第三预设电压时，关断第二场效应管Q2，进行限流，此时电感L1上的电流通过第二二极管D2续流，第四电阻R4产生电压信号；还用于检测第四电阻R4的电压值，即续流电路的第四电压值，当第四电压值小于第四预设电压时，打开第二场效应管Q2，停止限流。

其中，第一场效应管Q1和第二场效应管Q2均可以为NMOS管。

下面结合图4，以从左边输入信号，右边输出信号为例，即左边接电源，右边接负载，对本电路工作原理进一步说明。

加电启动过程如下：在t0时刻，电感L1的电流达到设定上限，假设设定上限为ih，此时第一控制器1控制第一场效应管Q1关断，通过第一二极管D1给电感L1续流，电感L1的电流下降，当电流下降到设定下限时，假设设定下限为il，第一场效应管Q1开通，然后重复上述过程。在t8时刻，输出电压U_out与输入电压U_in相等，经过一段短暂时间的振荡，电感L1电流与负载电流相等，输出电压与输入电压相等，第一场效应管Q1和第二场效应管Q2保持开通状态，上电过程结束。

应理解，带载启动时，电感L1的上限ih和下限il应满足：im>iload，im＝(ih+il)/2，其中，im为平均电流，iload为带载电流。

当出现短路或过载时，iload>im，输出电压下降，电感L1的电流上升斜率变大，达到设定上限ih的时间变短，电感L1电流下降斜率变小，达到设定下限il的时间变长，电源功耗得到了有效控制，从而保证了负载和限流电路的安全。

需要说明的是，上述对于电感L1电流上下限的判断，可以通过第一控制器1检测第一电阻R1上的第一电压值，将第一电压值与第一控制器1内部设定的第一预设电压比较，若大于第一预设电压，则输出翻转，向第一场效应管Q1的栅极发送控制信号，使第一场效应管Q1关断。

还可以通过第一控制器1检测第二电阻R2上的第二电压值，将第二电压值与第一控制器1内部设定的第二预设电压比较，若小于第二预设电压，则输出翻转，向第一场效应管Q1的栅极发送控制信号，使第一场效应管Q1开启。

第二控制器2同理，不再赘述。

应理解，电流从右边输入，左边输出时，过程类似，不再赘述。

可选地，在一些实施例中，第一限流电路3包括n个并联的第一场效应管Q1，第二限流电路4包括m个并联的第二场效应管Q2，n＞1，m＞1，其中：

n个第一场效应管Q1并联的漏极作为第一输入输出端，并联的源极与第一电阻R1的一端连接，n个栅极分别与第一控制器1连接；

m个第二场效应管Q2并联的漏极作为第三输入输出端，并联的源极与第三电阻R3的一端连接，m个栅极分别与第二控制器2连接。

应理解，n和m的值可以根据实际需求设置，可以相同也可以不同，优选地，m＝n。

以2个场效应管并联为例，2个场效应管的漏极连接，共同作为第一输入输出端，2个场效应管的源极连接，共同与第一电阻R1的一端连接，栅极分别与控制器连接，控制器可以分别向每个场效应管的栅极发送驱动信号，以分别控制每个场效应管的开启和关断。

通过对开关管驱动信号的同步，可以实现多个场效应管的交错并联，降低启动时电流纹波，实现限流电路的扩容。

可选地，在一些实施例中，第一控制器1包括：第一电荷泵电路，第一电荷泵电路与第一场效应管Q1的栅极连接，用于生成第一驱动信号，驱动第一场效应管Q1。

可选地，在一些实施例中，第二控制器2包括：第二电荷泵电路，第二电荷泵电路与第二场效应管Q2的栅极连接，用于生成第二驱动信号，驱动第二场效应管Q2。

可选地，在一些实施例中，当输出电压达到预设范围时，第一控制器1还用于控制第一场效应管Q1工作在饱和区，第二控制器2还用于控制第二场效应管Q2工作在饱和区，对电路中的电流进行纹波衰减。

当容性启动过程结束，或过载、短路故障消除后，电路进入有源滤波工作模式。在这一工作模式下，第一场效应管Q1等效为可变电阻，当输入电压中包含高次谐波时，控制电路将高次谐波检出，与输入电压平均值比较，通过负反馈电路控制第一场效应管Q1的导通电阻值，从而将输入电压中包含的高次谐波滤除，从而抑制输入电压中的纹波。

本实施例中，通过控制器控制场效应管工作在饱和区，还可以使该电路构成纹波衰减电路，在限流的基础上实现纹波衰减功能，实现了限流模式和纹波衰减模式自然切换，动作迅速无延时，通过限流电路还能实现纹波衰减电路的功能，通过将限流电路与纹波衰减电路合并，节省了系统的体积和重量，适合多种领域的应用，尤其是航空航天领域。

可选地，在一些实施例中，第一控制器1还用于设定第一限流值，第二控制器2还用于设定第二限流值，根据第一限流值和第二限流值对电路中的能量传输比例进行控制。

当能量双向流动时，通过设定两个控制器相同或不同的电流上下限，可以控制能量左右传输的比率，在特定应用场合，可以控制能量实现单向传输。

优选地，还可以在限流电路中增加辅助谐振电路，实现限流电路的软开关，进一步降低功耗，提高可靠性。

可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施例中的部分或全部可选实施方式。

在本发明的其他实施例中，还提供一种自激振荡双向限流方法，使用如上述任意实施例所述的自激振荡双向限流电路进行限流。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法仅仅是示意性的，可以通过其它的方式实现。

以上，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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种自激振荡双向限流电路，其特征在于，包括：第一控制器、第二控制器、第一限流电路、第二限流电路、第一续流电路、第二续流电路和电感，其中：

所述第一限流电路的一端作为第一输入输出端，另一端分别与所述电感的一端和所述第一续流电路的一端连接，所述第一续流电路的另一端作为第二输入输出端；

所述第二限流电路的一端作为第三输入输出端，另一端分别与所述电感的另一端和所述第二续流电路的一端连接，所述第二续流电路的另一端作为第四输入输出端，所述第二续流电路的另一端还与所述第一续流电路的另一端连接；

所述第一控制器用于获取所述第一限流电路的第一电压值，当所述第一电压值大于第一预设电压时，控制所述第一限流电路进行限流，通过所述第一续流电路进行续流；还用于获取所述第一续流电路的第二电压值，当所述第二电压值小于所述第二预设电压时，控制所述第一限流电路停止限流；

所述第二控制器用于获取所述第二限流电路的第三电压值，当所述第三电压值大于第三预设电压时，控制所述第二限流电路进行限流，通过所述第二续流电路进行续流；还用于获取所述第二续流电路的第四电压值，当所述第四电压值小于所述第四预设电压时，控制所述第二限流电路停止限流。

2.根据权利要求1所述的自激振荡双向限流电路，其特征在于，所述第一限流电路包括第一场效应管和第一电流检测电阻，所述第二限流电路包括第二场效应管和第二电流检测电阻，其中：

所述第一场效应管的漏极作为第一输入输出端，源极与所述第一电流检测电阻的一端连接，所述第一电流检测电阻的另一端分别与所述电感的一端和所述第一续流电路的一端连接，栅极与所述第一控制器连接；

所述第二场效应管的漏极作为第三输入输出端，源极与所述第二电流检测电阻的一端连接，所述第二电流检测电阻的另一端分别与所述电感的另一端和所述第二续流电路的一端连接，栅极与所述第二控制器连接。

3.根据权利要求1所述的自激振荡双向限流电路，其特征在于，所述第一限流电路包括n个并联的第一场效应管，所述第二限流电路包括m个并联的第二场效应管，n＞1，m＞1，其中：

n个第一场效应管并联的漏极作为第一输入输出端，并联的源极分别与所述电感的一端和所述第一续流电路的一端连接，n个栅极分别与所述第一控制器连接；

m个第二场效应管并联的漏极作为第三输入输出端，并联的源极分别与所述电感的另一端和所述第二续流电路的一端连接，m个栅极分别与所述第二控制器连接。

4.根据权利要求2所述的自激振荡双向限流电路，其特征在于，所述第一控制器包括：第一电荷泵电路，所述第一电荷泵电路与所述第一场效应管的栅极连接，用于生成第一驱动信号，驱动所述第一场效应管。

5.根据权利要求2所述的自激振荡双向限流电路，其特征在于，所述第二控制器包括：第二电荷泵电路，所述第二电荷泵电路与所述第二场效应管的栅极连接，用于生成第二驱动信号，驱动所述第二场效应管。

6.根据权利要求2所述的自激振荡双向限流电路，其特征在于，当输出电压达到预设范围时，所述第一控制器还用于控制所述第一场效应管工作在饱和区，所述第二控制器还用于控制所述第二场效应管工作在饱和区，对电路中的电流进行纹波衰减。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的自激振荡双向限流电路，其特征在于，所述第一控制器还用于设定第一限流值，所述第二控制器还用于设定第二限流值，根据所述第一限流值和所述第二限流值对电路中的能量传输比例进行控制。

8.一种自激振荡双向限流方法，其特征在于，使用如权利要求1至7中任一项所述的自激振荡双向限流电路进行限流。