CN114384302A - 一种电源自适应负载检测及保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电源自适应负载检测及保护电路，至少包括：第一负载开关，其串联于电源的输出端；采样电阻Rs，其串联于第一负载开关的输出端；差分采样放大电路，其并联于采样电阻Rs两端以接收及发送采样电阻Rs两端电压差；并联于采样电阻Rs输出端的至少一个第二负载开关，至少一个第二负载开关的输出端串联有至少一个第二负载；MCU，其能够根据差分采样放大电路的输出信号来控制至少一个第一负载开关和/或第二负载开关的通断。本发明的优势在于可实现负载电流的精准检测，不受器件参数影响，同时利用负载开关保证电源系统的可靠性，避免了由于电子元器件参数的差异性导致测试结果的偏差。

Description

一种电源自适应负载检测及保护电路

技术领域

本发明涉及电子电力技术领域，尤其涉及一种电源自适应负载检测及保护电路。

背景技术

电源电路应用中通常会需要设计带多路负载，针对负载的变化需要准确测量负载电流的大小，并根据负载情况及时切断异常负载，常规电阻式直接采样电路会受到电子元器件参数离散性的影响，导致不同应用存在差异性，并且如果发生负载短路等异常情况，无法切断的异常负载会影响其他正常负载的工作，导致整个电源系统工作异常。现有的解决方案中，利用电流互感器串联在负载电路中，通过互感器输出的电压进行差分放大，通过放大电压进行负载电流推算。

中国专利CN 110208597B公开了一种基于单绕组电流互感器的自供电无线电流监测系统，包括采集元件和监测电路，监测电路包括滤波整流及电流采样模块、充电控制及储能模块、信号调理模块、微控制器以及无线发射模块，采集元件生成交流电流输出给滤波整流及电流采样模块，滤波整流及电流采样模块生成直流电压和两路模拟电压信号输出，充电控制及储能模块为信号调理模块、微控制器和无线发射模块供电，信号调理模块对两路模拟电压信号处理后得到一路模拟电压信号输出给微控制器，微控制器监测控制充电控制及储能模块充电，并生成电流监测信号发送给无线发射模块进行无线发射；优点是采用一个常规的单绕组电流互感器同时进行电能获取与电流传感，成本较低，且体积较小。

上述专利的缺点在于：(1)电流互感器针对小电流采样时精度较差(2)电流互感器的耦合程度容易受到外界干扰，直接影响电流采样的精度(3)电流互感器本身参数差异将直接影响采样结果。

为此，本发明提出了一种负载检测及保护电路，旨在解决电源负载检测的一致性，保护电源工作的可靠性。本发明通过设计一种自适应负载检测电路，通过检测负载接入前后的采样电压值，自主计算实际的负载电流，同时电路中设计不同的负载开关，可控的切断异常负载。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供了一种电源自适应负载检测及保护电路，旨在解决现有技术中存在的至少一个或多个技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种电源自适应负载检测及保护电路，至少包括：

第一负载开关，其串联于电源的输出端；

采样电阻Rs，其串联于该第一负载开关的输出端；

差分采样放大电路，其并联于采样电阻Rs两端以接收及发送该采样电阻Rs两端电压差；

并联于采样电阻Rs输出端的至少一个第二负载开关，且至少一个第二负载开关的输出端串联有至少一个第二负载；

MCU，其能够根据差分采样放大电路的输出信号来控制至少一个第一负载开关和/或第二负载开关的通断。

优选地，本发明提供了一种基于上述电源自适应负载检测及保护电路的检测方法，该方法包括：MCU将电源电路开始带载工作前的经由差分采样放大电路输出的用于表征采样电阻Rs两端电压差的电压信号记为初始采样信号；MCU将电源电路开始带载工作后的经由差分采样放大电路输出的用于表征采样电阻Rs两端电压差的电压信号记为二次采样信号；MCU将二次采样信号与初始采样信号经差值计算获取一电压差Δu，并结合电压差Δu与采样电阻Rs的阻值以求得实际增加的负载电流ΔI。

优选地，该检测方法还包括：MCU能够根据电压差Δu和/或负载电流ΔI的数值变化判断电路中是否存在负载异常之状态，并在任一第二负载出现异常之时控制与之对应的第二负载开关的通断。

优选地，MCU根据电压差Δu和/或负载电流ΔI的数值变化判断电路中是否存在负载异常之步骤包括：当电压差Δu和/或负载电流ΔI任一不处于标准负载电压和/或电流的阈值范围之时，MCU判定电路中存在负载异常。

优选地，当MCU根据电压差Δu和/或负载电流ΔI判定电路中存在负载异常之时，能够基于各负载端的检测电压和/或电流与标准阈值电压和/或电流间的差值确定异常负载所在回路。

优选地，差分采样放大电路包括多个分压电阻和至少一运算放大器。

优选地，电源电路开始带载工作前的状态为：第一负载开关为开通状态，且第二负载开关为断开状态，电路中无任一第二负载接入。

优选地，电源电路开始带载工作后的状态为：第一负载开关为开通状态，且至少一个第二负载开关为开通状态，电路中接入至少一个第二负载。

优选地，负载异常之状态包括至少一个第二负载断开、过载以及短路。

优选地，负载断开表现为任一负载端的负载电流降低，且负载电压升高。

优选地，负载过载以及短路表现为与采样电阻Rs相关的负载电流升高和/或负载电压降低，负载断开表现为与采样电阻Rs相关的负载电流降低和/或负载电压升高。

本发明的优势在于可实现负载电流的精准检测，不受器件参数影响，同时利用负载开关保证电源系统的可靠性。本发明解决问题从采样差值入手，关注点为采样结果的差异性，利用负载开关的控制，进行电源带载前和电源带载后的负载检测，自动计算负载电流，真正实现负载电流的准确检测，避免了由于电子元器件参数的差异性导致测试结果的偏差，同时可控制负载开关进行异常负载的切断，保证电源系统整体的稳定性。

附图说明

图1是本发明提供的一种优选实施方式的差分采样放大电路的结构示意图；

图2是本发明提供的一种优选实施方式的电源自适应负载检测及保护电路的组成示意图；

图3是本发明提供的一种优选实施方式的电源自适应负载检测及保护电路在电源电路带载工作前的状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

本发明提供了一种电源自适应负载检测及保护电路，如图1-图3所示，该方法包括：

S1：在原有电源输出端C1处，增加负载开关1和采样电阻Rs，负载开关1可由MCU进行通断控制；在采样电阻Rs两端并联一差分采样放大电路，该差分采样放大电路可由分压电阻R1、R2、R3、R4和运算放大器Op1组成，Op1的输出信号反馈至MCU；

S2：采样电阻Rs分别连接负载开关2和负载开关3，负载开关2和负载开关3分别连接负载2和负载3，负载开关2和负载开关3均可由MCU进行通断控制；

S3：在电源电路带载工作开始前，负载开关2和负载开关3均为断开状态，此时开通负载开关1，由于电路中存在差分采样放大电路的影响，采样电阻Rs上会存在一定的电压差，电压差经过差分放大采样电路反馈至MCU，会记为初始采样值；

S4：在电源电路带载工作开始后，负载开关2和负载开关3为开通状态，负载2和负载3接入电路中，负载电流增加，导致采样电阻Rs上的电压差增大，新的电压差被反馈至MCU后会记为二次采样值：

S5：MCU将二次采样值与初次采样值进行差值计算，所得到的电压差值与采样电阻Rs进行计算，所得到的结果即为真实增加的负载电流大小；由于进行的是差值计算，计算结果不受分压电阻参数差异性的影响；

S6：如果负载2或负载3任意一个出现负载异常，均可通过负载开关2或负载开关3进行断开，保证其他负载电路工作正常，并且可以通过采样电阻Rs的电压差变化，判断是哪路负载出现异常，方便定位故障点。

根据一种优选实施方式，S4步骤包括：当电源电路带载工作开始后，负载2和/或负载3可接通至电路中。进一步地，负载2和负载3的接通状态可包括：负载2接通，负载3关断、负载2关断，负载3接通、负载2和负载3同时接通以及负载2和负载3同时关断。当电源电路带载工作开始后，上述任一工作状态反映于采样电阻Rs上的负载电流和/或电压差都是不同的。

优选地，当电源电路带载工作开始后，上述任一状态所反映在采样电阻Rs上的电压差均会被MCU记录为二次采样值，MCU能够根据各工作状态下的采样电阻Rs的与其两端电势差相关的二次采样值与初始采样值作差值计算，并基于二次采样值与初始采样值间的电压差Δu结合采样电阻Rs的阻值R计算出实际增加的负载电流ΔI。

根据一种优选实施方式，当负载2和负载3任意一个出现异常之时，例如负载异常的情况可以包括：负载2和/或负载3断开，此时电路中的负载电流变小，负载电压升高；负载2和/或负载3过载或短路，此时电路中的负载电流变大，负载电压降低，无论出现上述哪一种异常情况，MCU都可以将实际电流或电压值作为判断依据，确定出现异常的具体负载，并将用于控制故障负载连通的负载开关断开，以确保其他负载的正常工作。

具体地，例如在电源电路带载工作开始后，MCU控制负载开关2和负载开关3开通，此时负载2和负载3接入电路中，MCU将此时刻采样电阻Rs的电压差记录为二次采样值，进一步地，当负载2和负载3中至少一个出现过载或短路时，相较于负载2和负载3正常工作时的状态，或是与正常工作状态时的标准阈值电压或电流相比，电路中的负载电流变大，而负载电压降低，此时MCU判断电路中存在负载故障。

进一步地，当MCU判定电路中存在负载故障之时，由于此时为负载2和负载3均接入至电路当中，因此造成电路异常的原因可能是负载2或负载3故障，或是负载2和负载3同时故障。MCU可根据此时采样电阻Rs的电压变化判断具体的故障负载。

根据一种优选实施方式，当负载2和负载3中的至少一个接入电路，并且均处于正常工作状态时，反映在采样电阻Rs上的二次采样值通常是处于已知的确定范围内的，而当负载2和负载3中的至少一个出现故障之时，反映在采样电阻Rs上的二次采样值会改变，即此时反映在采样电阻Rs上的二次采样值通常会高于或低于负载2和/或负载3正常工作时的标准负载电压或阈值负载电压。

具体地，当电路出现负载故障时，MCU可通过断开任一负载所在回路，并记录同时刻下采样电阻Rs上的二次采样值以将其与负载2或负载3正常工作时的标准负载电压或阈值负载电压进行对比计算的方式来判定具体的故障负载及其故障类型。例如，MCU断开负载2所在回路，负载3仍接通至电路中，若此时采样电阻Rs上的二次采样值处于负载3正常工作时的标准负载电压或阈值负载电压的确定范围内，则表明负载3正常，故障负载为负载2。且如上所述的，若电路故障时刻的负载电压大于标准负载电压或是负载电流小于标准负载电流，则负载2的故障类型为断路，否则负载2的故障类型为短路或过载。此时，MCU可基于对负载故障的判定结果，切断故障负载所在回路，以保证其他负载的正常工作。

在一些优选实施方式中，各负载，即负载2和负载3上可配置有相应的负载检测，当MCU基于采样电阻Rs上的二次采样值以及实际增加的负载电流ΔI判断电路之中存在故障负载之时，可启动各负载端的负载检测以获取故障时刻各负载端的工作电压和/或电流，并基于各负载端的工作电压和/或电流与标准阈值电压和/或电流的对比结果判断具体的故障负载，从而控制相应的负载开关关断。

特别地，本发明通过检测负载接入前后的采样电压值，自主计算实际的负载电流，同时电路中设计有不同的负载开关，从而能够自主可控地切断异常负载。

根据一种优选实施方式，上述MCU可为其不同型号，通过现场可编程门阵列FPGA(Field-Programmable Gate Array)或复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex ProgrammableLogic Device)。优选地，计算单元还可为通用中央处理器CPU(Central ProcessingUnit)、应用专用集成电路ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、微处理器或者一个或多个集成电路等构件执行相关指令或程序以实现本发明的技术方案。本发明对计算单元采用的具体器件种类并不做限定，具体视实际情况而定。MCU被用于按照指令执行上述方法。需要注意的是，上述构件仅示出针对本发明的具体实施例所需构件例如MCU，并不代表不包括本发明实现正常运行的其余构件。

为了便于理解，将本发明一种电源自适应负载检测及保护电路的工作原理和使用方法进行论述。

1.首先，在原有电源输出端C1处，增加负载开关1和采样电阻Rs。在采样电阻Rs两端并联差分采样放大电路，差分采样放大电路由分压电阻R1、R2、R3、R4和运算放大器Op1组成，Op1的输出信号反馈至MCU。然后，采样电阻Rs分别连接负载开关2和负载开关3，负载开关2和负载开关3分别连接负载2和负载3。电源电路带载工作前，负载开关2和负载开关3为断开状态，此时开通负载开关1，由于电路中存在差分采样放大电路的影响，Rs上会存在一定的电压差，电压差经过差分放大采样电路反馈至MCU，记为初始采样值。电源电路带载工作后，负载开关2和负载开关3为开通状态，负载2和负载3接入电路中，负载电流增加，Rs上的电压差增大，新的电压差反馈至MCU后，记为二次采样值。MCU将二次采样值与初次采样值进行差值计算，所得到的电压差值与Rs进行计算。

通过上述方式，负载电流的检测通过差值计算获取，MCU自动计算负载电流，避免由于电子元器件参数的差异性导致检测结果的偏差，由于进行的是差值计算，计算结果不受分压电阻参数差异性的影响。

2.负载开关1可由MCU进行通断控制，负载开关2和负载开关3也均可由MCU进行通断控制。

通过上述方式，负载工作通过负载开关进行控制，进行异常负载的切断，保证电源系统整体的稳定性。如果负载2或负载3任意一个出现负载异常，均可通过负载开关2或负载开关3进行断开，保证其他负载电路工作正常，并且可以通过Rs的电压差变化，判断是哪路负载出现异常，方便定位故障点。

在全文中，“优选地”所引导的特征仅为一种可选方式，不应理解为必须设置，故此申请人保留随时放弃或删除相关优选特征之权利。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。

Claims (10)

1.一种电源自适应负载检测及保护电路，其特征在于，至少包括：

第一负载开关，其串联于电源的输出端；

采样电阻Rs，其串联于所述第一负载开关的输出端；

差分采样放大电路，其并联于所述采样电阻Rs两端以接收及发送所述采样电阻Rs两端电压差；

并联于所述采样电阻Rs输出端的至少一个第二负载开关，所述至少一个第二负载开关的输出端串联有至少一个第二负载；

MCU，其能够根据所述差分采样放大电路的输出信号来控制所述至少一个第一负载开关和/或第二负载开关的通断。

2.一种基于权利要求1所述电路的负载检测方法，其特征在于，所述方法包括：

MCU将电源电路开始带载工作前的经由差分采样放大电路输出的用于表征采样电阻Rs两端电压差的电压信号记为初始采样信号；

MCU将电源电路开始带载工作后的经由差分采样放大电路输出的用于表征采样电阻Rs两端电压差的电压信号记为二次采样信号；

MCU将所述二次采样信号与初始采样信号经差值计算获取一电压差Δu，并基于所述电压差Δu结合采样电阻Rs的阻值以求得实际增加的负载电流ΔI。

3.根据权利要求2所述的负载检测方法，其特征在于，还包括：所述MCU能够根据所述电压差Δu和/或负载电流ΔI的数值变化判断电路中是否存在负载异常之状态，并在任一第二负载出现异常之时控制与之对应的第二负载开关的通断。

4.根据权利要求2或3所述的保护电路，其特征在于，所述MCU根据电压差Δu和/或负载电流ΔI的数值变化判断电路中是否存在负载异常之步骤包括：

当所述电压差Δu和/或负载电流ΔI任一不处于标准负载电压和/或电流的阈值范围之时，MCU判定电路中存在负载异常。

5.根据权利要求2～4任一项所述的保护电路，其特征在于，当所述MCU根据所述电压差Δu和/或负载电流ΔI判定电路中存在负载异常之时，能够基于任一第二负载接入时采样电阻Rs的采样电压和/或电流与标准阈值电压和/或电流间的对比结果确定异常负载所在回路。

6.根据权利要求2～5任一项所述的保护电路，其特征在于，所述差分采样放大电路包括多个分压电阻和至少一运算放大器。

7.根据权利要求2～6任一项所述的保护电路，其特征在于，所述电源电路开始带载工作前的状态为：第一负载开关为开通状态，且第二负载开关为断开状态，电路中无任一第二负载接入。

8.根据权利要求2～7任一项所述的保护电路，其特征在于，所述电源电路开始带载工作后的状态为：第一负载开关为开通状态，且至少一个第二负载开关为开通状态，电路中接入至少一个第二负载。

9.根据权利要求2～8任一项所述的保护电路，其特征在于，所述负载异常之状态包括至少一个第二负载断开、过载以及短路。

10.根据权利要求2～9任一项所述的保护电路，其特征在于，所述负载过载以及短路表现为与所述采样电阻Rs相关的负载电流升高和/或负载电压降低，所述负载断开表现为与所述采样电阻Rs相关的负载电流降低和/或负载电压升高。

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