CN115280656A - 用于高电感负载的保护电路 - Google Patents

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CN115280656A CN202180024755.3A CN202180024755A CN115280656A CN 115280656 A CN115280656 A CN 115280656A CN 202180024755 A CN202180024755 A CN 202180024755A CN 115280656 A CN115280656 A CN 115280656A
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Abstract

公开了一种驱动电路。该驱动电路包括耦合在电源和电感负载之间的高侧开关、以及耦合在负载和地之间的低侧开关。电流感测装置与高侧开关、低侧开关和负载串联连接。控制电路控制高侧开关和低侧开关。控制电路还包括耦合到电流感测装置的输出的输入，并且被配置成基于电流感测装置的输出来选择性地提供电感负载的第一端子和第二端子之间的电流路径。当存在过电流状况时提供电流路径，并且响应于过电流状况而耗散存储在电感负载中的能量。

Description

用于高电感负载的保护电路
技术领域
本发明大体上涉及一种保护电路，并且特别地涉及一种用于在过电流状况期间处理电感负载中的高能量的保护电路。
背景技术
图1示出了用于电感负载L的常规驱动电路10。如所示，驱动电路10包括：连接在电源VDC和负载L的第一端子之间的高侧开关12；以及，连接在负载L的第二端子和地参考之间的低侧开关14。例如电阻器的电流感测装置16与高侧开关12、负载L和低侧开关14串联连接。二极管18连接在高侧开关12与负载L之间的节点与地参考之间。在脉宽调制（PMW）模式的一种布置中，PWM控制信号被施加到高侧开关12的控制（栅极）端子，并且使能控制信号被施加到低侧开关14的控制（栅极）端子。
图2示出了在正常操作期间作为时间的函数的负载L的电流。这里，低侧开关14接通，而高侧开关12基于施加到其控制端子的PWM控制信号而接通和断开。如所示，负载电流在上升到峰值阶段从零增加，然后在激活结束阶段下降到零之前在保持阶段保持在电流水平的范围内。当高侧开关12和低侧开关14断开时，负载L中的能量通常由与低侧开关14并联连接的箝位元件19耗散。箝位元件19可以是二极管，例如瞬态电压抑制（TVS）二极管，并且实现为单独的（一个或多个）组件或与低侧开关14集成形成（即，作为低侧开关14的本体二极管）。箝位元件19的箝位电压通常大于电源VDC的电压。
在负载L的正常操作期间，可能会发生例如短路到电压源状况的故障状况，其中，例如连接到高侧开关12的负载L的端子被短路到电源VDC。当高侧开关12和低侧开关14响应于使用电流感测装置16的输出的过电流检测而断开时，大量的能量可被存储在负载L中。随着开关12和14断开，负载L将通过箝位元件19释放能量。对于高电感负载L，大量的能量将存储在负载L中。箝位元件19的箝位电压可以显著高于电源VDC的电压，例如，50V箝位电压对10V电源电压VDC，以便确保开关12和14的快速断开时间。箝位元件19通常被配置成承受由负载L和电路断开之前的预期较高调节电流而确定的重复能量，或者承受与低侧开关14和负载L之间的硬短路（即，无负载）相对应的较低量的能量和高电流，并且不被配置成承受当高侧开关12所连接到的负载L的端子被短路到电源VDC时存储在负载L中的高能级的单个事件。结果，低侧开关14和/或箝位元件19可能在存储在负载L中的能量耗散期间被损坏。
发明内容
本公开的示例性实施例克服了现有保护电路中的缺点，并且满足了对由于短路和/或过电流状况而提供增强保护的电路的需要。根据一个示例性实施例，公开了一种用于电感负载的驱动电路，包括：高侧开关，具有耦合到电源的第一导电端子、耦合到电感负载的第一端子的第二导电端子以及控制端子；以及低侧开关，具有耦合到所述电感负载的第二端子的第一导电端子、耦合到地参考的第二导电端子以及控制端子。电流感测装置与所述高侧开关、所述低侧开关和所述电感负载串联连接。箝位组件与所述低侧开关并联连接。所述箝位组件将所述箝位组件两端的电压箝位为不大于箝位电压，所述箝位电压大于与所述电源相对应的电压。控制电路具有耦合到所述高侧开关的控制端子的第一输出和耦合到所述低侧开关的控制端子的第二输出，选择性地接通和断开所述高侧开关和所述低侧开关。所述控制电路还包括耦合到所述电流感测装置的输出的输入，所述控制装置被配置成基于所述电流感测装置的输出来选择性地提供所述电感负载的第一端子和第二端子之间的电流路径。所述电流路径耗散所述电感负载中的能量。
所述控制电路基于所述电流感测装置的输出来检测所述电感负载的至少第一端子处的短路状况，并且响应于所述检测而提供所述电流路径。
所述驱动电路还包括二极管，所述二极管是所述电流路径的一部分并且基于所述电流感测装置的输出而跨所述负载的第一端子和第二端子连接。
所述驱动电路还包括跨所述负载的第一端子和第二端子与所述二极管串联连接的第三开关，并且所述控制电路包括具有耦合到所述第三开关的控制端子的输出的定时器电路。所述定时器电路在第一时间段内激活所述第三开关。
所述控制电路基于所述电流感测装置的输出来检测通过所述负载的过电流状况，并且在检测到所述过电流状况之后激活所述定时器电路。
所述定时器电路包括计数器电路和锁存电路，所述锁存电路具有耦合到所述计数器电路的输出的输入和连接到所述第三开关的控制端子的输出。
所述控制电路包括处理器或控制器，并且所述定时器电路是所述处理器或控制器的一部分。
当所述控制电路提供了所述电感负载的第一端子和第二端子之间的所述电流路径时，所述高侧开关和所述低侧开关由所述控制电路断开。
一种驱动电感负载的方法包括：在电源端子和电感负载的第一端子之间连接高侧开关，并且在所述电感负载的第二端子和地参考之间连接低侧开关。所述方法还包括选择性地接通和断开所述高侧开关和所述低侧开关，所述高侧开关和所述低侧开关中的一个使用脉宽调制控制信号来接通和断开，并且所述高侧开关和所述低侧开关中的另一个使用使能控制信号来接通和断开。所述方法还包括检测超过阈值电流水平的所述电感负载中的电流。在所述检测之后，所述方法包括断开所述高侧开关和所述低侧开关并且将所述电感负载配置在续流状态中。
在一段时间内发生断开所述高侧开关和所述低侧开关并且将所述电感负载配置在续流状态中。
将所述电感负载配置在续流状态中包括：在所述电感负载的第一端子和第二端子之间提供二极管。
所述方法还包括将跨所述低侧开关的电压箝位到箝位电压，所述箝位电压大于所述电源端子的电压水平。
在预定的一段时间内发生断开所述高侧开关和所述低侧开关并且将所述电感负载配置在续流状态中。
另一示例性实施例涉及一种用于电感负载的驱动电路，包括：高侧开关，具有耦合到电源的第一导电端子、耦合到电感负载的第一端子的第二导电端子以及控制端子；低侧开关，具有耦合到地参考的第一导电端子、耦合到所述电感负载的第二端子的第二导电端子以及控制端子；以及电流感测装置，与所述高侧开关、所述低侧开关和所述电感负载串联连接。控制电路具有耦合到所述高侧开关的控制端子的第一输出以及耦合到所述低侧开关的控制端子的第二输出。所述控制电路根据预定电感负载驱动方案来选择性地接通和断开所述高侧开关和所述低侧开关。所述控制电路包括耦合到所述电流感测装置的输出的输入。所述控制电路被配置成检测所述电感负载中的过电流状况，并且响应于所述检测，选择性地将所述电感负载配置在续流状态中以耗散存储在所述电感负载中的能量。当所述电感负载处于所述续流状态时，所述高侧开关和所述低侧开关由所述控制电路断开。
所述驱动电路还包括二极管，所述二极管是在所述续流状态期间跨所述电感负载的第一端子和第二端子连接的电流路径的一部分。
所述驱动电路还包括跨所述电感负载的第一端子和第二端子与所述二极管串联连接的第三开关。所述控制电路包括具有耦合到所述第三开关的控制端子的输出的定时器电路，所述定时器电路在一段时间内激活所述第三开关。
在一种配置中，所述定时器电路包括计数器电路和锁存电路，所述锁存电路具有耦合到所述计数器电路的输出的输入和连接到所述第三开关的控制端子的输出。
在另一种配置中，所述控制电路包括微处理器或微控制器，并且所述定时器电路是所述微处理器或微控制器的一部分。
所述控制电路利用脉宽调制信号来控制所述高侧开关和所述低侧开关中的一个，并且利用使能控制信号来控制所述高侧开关和所述低侧开关中的另一个。
附图说明
下面将结合附图参考示例性实施例详细解释本发明的各方面，其中：
图1是用于电感负载的常规驱动电路的简化示意图；
图2是在驱动负载的正常操作期间的电感负载的电流波形；
图3是根据一个示例性实施例的用于电感负载的驱动电路的简化示意图；
图4是示出在没有短路状况下、在具有图1的常规驱动电路的短路状况下、以及在具有图3的驱动电路的短路状况下的电感负载的操作的电流波形；
图5是具有和不具有短路事件的具有图1的驱动电路的电感负载相关联的电流和功率的模拟波形；以及
图6是具有和不具有短路事件的具有图3的驱动电路的电感负载相关联的电流和功率的模拟波形。
具体实施方式
以下对（一个或多个）示例性实施例的描述本质上仅是示例性的，并且绝没有限制本发明、其应用或使用的意图。在附图和整个详细描述中，相同的附图标记用于标识相同或相似的要素。为了清楚起见，除非另有说明，否则这些要素都没有按比例示出。
示例性实施例通常针对在检测到通过负载L的过电流状况时将负载L置于续流（free-wheeling）状态。通过以这种方式耗散负载L中的能量而不是通过箝位元件19来耗散，不会通过箝位元件19耗散高能级，这用于减少了对箝位元件19和低侧开关14的损坏的机会。
图3示出了根据一个示例性实施例的用于驱动电感负载L的驱动电路30。如所示，驱动电路30包括连接在电源VDC和负载L之间的高侧开关12、连接在负载L和地之间的低侧开关14、与高侧开关12、低侧开关14和负载L串联连接的电流感测装置16、以及连接在地和连接高侧开关12和负载L的节点之间的二极管18。在该特定实施例中，PWM控制信号被施加到高侧开关12的控制端子，并且使能控制信号被施加到低侧开关14的控制端子。然而，应当理解，PWM控制信号可以被施加到低侧开关14，并且使能控制信号可以被施加到高侧开关12，在这种情况下，箝位元件19将跨高侧开关12而连接，二极管18将具有连接到低侧开关14所连接到的负载L的端子的一个端子、和连接到电源VDC的第二端子，并且电流感测装置16将连接在高侧开关12和电源VDC之间。驱动电路30还包括控制电路40，其包括连接到高侧开关12的控制（栅极）端子的第一输出、以及连接到低侧开关12的控制（栅极）端子的第二输出。控制电路40向高侧开关12和低侧开关14提供PWM控制信号和使能控制信号。用于向高侧开关和低侧开关提供控制信号从而驱动电感负载的电路在本领域中是公知的，因此为了简便起见将不提供更详细的描述。
控制电路40还被配置成当在负载L中检测到过电流状况时在电感负载的第一端子和第二端子之间选择性地提供电流路径。换句话说，控制电路40被配置成当检测到过电流状况时将负载L置于续流状态。通过在检测到过电流状况时提供电流路径，该电流路径可以是在连接到高侧开关12的负载L的端子处到电源VDC的短接电路，所提供的电流路径/负载L的续流状态有效地耗散了存储在负载L中的能量，从而用于避免低侧开关14和箝位组件19暴露于高能级。
在图3所示的一个示例性实施例中，驱动电路30包括与开关45串联连接的二极管46，这种串联连接跨负载L并联连接。通过选择性地致动和/或接通开关45，使得二极管46在短路和/或过电流事件期间跨负载L设置，负载L被置于续流状态，其中，存储在负载L中的高级别的能量被安全地耗散。
控制电路40向开关45的控制（栅极）端子提供控制信号。在一个示例性实施例中，控制电路40包括检测电路42，其接收电流感测装置16的输出并检测通过负载L的电流是否超过与过电流状况对应的预定电流水平。检测电路42可以包括电压比较器，其将与电流感测装置16的输出对应的电压水平与预定电压进行比较。应当理解，检测电路42可以具有其他实现。
控制电路40还包括定时器电路43，其具有耦合到接口电路42输出的输入和连接到开关45的控制（栅极）端子的输出。定时器电路43被配置成提供控制信号，以用于激活开关45以便跨负载L提供二极管46并且用于在负载L中的能量被耗散之后停用开关45。提供给开关45的控制信号的持续时间可以是预定的，或者基于驱动电路30和负载L的其他因素和/或操作参数来确定。
在一个示例性实施例中，定时器电路43可以由计数器电路45来实现，该计数器电路45例如对与驱动电路30相关联的时钟周期的数量进行计数。定时器电路43还可以包括锁存电路44，该锁存电路44具有耦合到计数器电路45输出的输入。应当理解，定时器电路43可以以其他方式来实现，以向开关45提供激活控制信号。
控制电路40可以是处理器、微处理器、控制器、或基于微控制器的实现。以此方式，定时器电路43可以由处理器、微处理器、控制器或微控制器的一部分形成。
图4示出了根据一个示例性实施例的驱动器电路30和负载L的操作。在图4中，通过负载L的电流在Y轴上示出，而时间在X轴上示出。实线图形示出了其中不存在短路状况的负载电流。利用虚线的图形示出了当存在在时间t1开始的短路事件时的负载电流。这里，负载电流上升超过预定阈值电流Ithres。具有“点划线”表示的曲线是当使用常规方法来解决在时间t1开始的短路事件时的负载电流，例如以上关于图1的驱动电路所讨论的方法。在此，在负载电流超过阈值电流Ithres之后，高侧开关12和低侧开关14被断开，并且存储在负载L中的能量通过箝位器件19耗散。然而，在负载L是高电感负载并且箝位器件19具有极大地超过电源VDC的电压的箝位电压的情况下，大量的能量通过箝位器件19耗散，这可能会损坏箝位器件19和/或低侧开关14。
具有“双点划线”表示的曲线是当利用图3的驱动器电路30来解决在时间t1开始的短路事件时的负载电流。这里，检测电路42检测在时间t2由电流感测器件16感测的电流何时超过阈值电流Ithres，并且在滤波和消隐时间延迟之后的时间t3稍后确认过电流事件。在该时间t3，控制电路40使高侧开关12和低侧开关14断开，并且定时器电路43使开关45接通，这产生了通过二极管46的跨负载L端子的电流路径。这将负载L置于续流状态，在续流状态期间，存储在负载L中的能量被耗散。定时器电路43将该电流路径保持（即，保持开关45接通）一段时间，这使负载L中的能量完全或接近完全耗散。通过在续流状态下耗散负载L中的能量而不是通过箝位器件19耗散能量，负载L中的能量不会损坏或以其他方式不利地影响箝位器件19和低侧开关14。
图5和6分别示出了当过电流事件通过图1和3的电路来解决时的与负载L相关联的电流和功率水平的模拟。在每幅图中，负载电流在上部图形中显示，并且负载功率在下部图形中显示。负载电流示出了正常操作，随后跟着在电流通过负载L的时间期间的短路事件。可以看出，平均负载功率由于短路事件，相对于负载L正常操作期间的平均负载功率而增加。对于图5来说，平均功率从正常操作期间的约600mW增加到具有短路事件的负载期间的约145W，并且看出箝位器件19上的能量从约14mJ增加到约376mJ。对于图6来说，由于短路事件所引起的平均负载功率也增加到约145mW，但是由于短路，箝位器件19上的能量仅为约6mJ。如可以看到的，由箝位器件19处理的存储在负载L中的能量的下降有利地用于避免使箝位器件19经受耗散大量的能量，从而保护箝位器件19和低侧开关14。
在此已经以说明性的方式描述了示例性实施例，并且应当理解，已经使用的术语旨在具有描述性词语的性质而不是限制性。显然，根据上述教导，本发明的许多修改和变化是可能的。以上描述本质上仅是示例性的，因此，在不背离所附权利要求中限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行改变。

Claims (19)

1.一种用于电感负载的驱动电路，包括：
高侧开关，具有耦合到电源的第一导电端子、耦合到电感负载的第一端子的第二导电端子以及控制端子；
低侧开关，具有耦合到所述电感负载的第二端子的第一导电端子、耦合到地参考的第二导电端子以及控制端子；
电流感测装置，与所述高侧开关、所述低侧开关和所述电感负载串联连接；
箝位组件，与所述低侧开关并联连接，所述箝位组件将所述箝位组件两端的电压箝位为不大于箝位电压，所述箝位电压大于与所述电源相对应的电压；以及
控制电路，具有耦合到所述高侧开关的控制端子的第一输出和耦合到所述低侧开关的控制端子的第二输出，所述控制电路选择性地接通和断开所述高侧开关和所述低侧开关，所述控制电路还包括耦合到所述电流感测装置的输出的输入，所述控制装置被配置成基于所述电流感测装置的输出来选择性地提供所述电感负载的第一端子和第二端子之间的电流路径，所述电流路径耗散所述电感负载中的能量。
2.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，所述控制电路基于所述电流感测装置的输出来检测所述电感负载的至少第一端子处的短路状况，并且响应于所述检测而提供所述电流路径。
3.根据权利要求1所述的驱动电路，还包括二极管，所述二极管是所述电流路径的一部分并且基于所述电流感测装置的输出而跨所述负载的第一端子和第二端子连接。
4.根据权利要求3所述的驱动电路，还包括跨所述负载的第一端子和第二端子与所述二极管串联连接的第三开关，并且所述控制电路包括具有耦合到所述第三开关的控制端子的输出的定时器电路，所述定时器电路在第一时间段内激活所述第三开关。
5.根据权利要求4所述的驱动电路，其中，所述控制电路基于所述电流感测装置的输出来检测通过所述负载的过电流状况，并且在检测到所述过电流状况之后激活所述定时器电路。
6.根据权利要求4所述的驱动电路，其中，所述定时器电路包括计数器电路和锁存电路，所述锁存电路具有耦合到所述计数器电路的输出的输入和连接到所述第三开关的控制端子的输出。
7.根据权利要求4所述的驱动电路，其中，所述控制电路包括处理器或控制器，所述定时器电路是所述处理器或控制器的一部分。
8.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，当所述控制电路提供了所述电感负载的第一端子和第二端子之间的所述电流路径时，所述高侧开关和所述低侧开关由所述控制电路断开。
9.一种驱动电感负载的方法，包括：
在电源端子和电感负载的第一端子之间连接高侧开关，并且在所述电感负载的第二端子和地参考之间连接低侧开关；
选择性地接通和断开所述高侧开关和所述低侧开关，所述高侧开关和所述低侧开关中的一个使用脉宽调制控制信号来接通和断开，并且所述高侧开关和所述低侧开关中的另一个使用使能控制信号来接通和断开；
检测超过阈值电流水平的所述电感负载中的电流；
在所述检测之后，断开所述高侧开关和所述低侧开关并且将所述电感负载配置在续流状态中。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在一段时间内发生断开所述高侧开关和所述低侧开关并且将所述电感负载配置在续流状态中。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，将所述电感负载配置在续流状态中包括：在所述电感负载的第一端子和第二端子之间提供二极管。
12.根据权利要求9所述的方法，还包括将跨所述高侧开关和所述低侧开关中的另一个的电压箝位到箝位电压，所述箝位电压大于所述电源端子的电压水平。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，在预定的一段时间内发生断开所述高侧开关和所述低侧开关并且将所述电感负载配置在续流状态中。
14.一种用于电感负载的驱动电路，包括：
高侧开关，具有耦合到电源的第一导电端子、耦合到电感负载的第一端子的第二导电端子以及控制端子；
低侧开关，具有耦合到地参考的第一导电端子、耦合到所述电感负载的第二端子的第二导电端子以及控制端子；
电流感测装置，与所述高侧开关、所述低侧开关和所述电感负载串联连接；
箝位组件，与所述高侧开关和所述低侧开关中的一个并联连接，所述箝位组件将所述箝位组件两端的电压箝位为不大于箝位电压，所述箝位电压大于与所述电源相对应的电压；以及
控制电路，具有耦合到所述高侧开关的控制端子的第一输出、耦合到所述低侧开关的控制端子的第二输出、以及耦合到所述电流感测装置的输出的输入，所述控制电路根据预定电感负载驱动方案来选择性地接通和断开所述高侧开关和所述低侧开关，所述控制电路被配置成检测所述电感负载中的过电流状况，并且响应于所述检测，选择性地将所述电感负载配置在续流状态中以耗散存储在所述电感负载中的能量，
其中，当所述电感负载处于所述续流状态时，所述高侧开关和所述低侧开关由所述控制电路断开。
15.根据权利要求14所述的驱动电路，还包括二极管，所述二极管是在所述续流状态期间跨所述电感负载的第一端子和第二端子连接的电流路径的一部分。
16.根据权利要求15所述的驱动电路，还包括跨所述电感负载的第一端子和第二端子与所述二极管串联连接的第三开关，并且所述控制电路包括具有耦合到所述第三开关的控制端子的输出的定时器电路，所述定时器电路在一段时间内激活所述第三开关。
17.根据权利要求16所述的驱动电路，其中，所述定时器电路包括计数器电路和锁存电路，所述锁存电路具有耦合到所述计数器电路的输出的输入和连接到所述第三开关的控制端子的输出。
18.根据权利要求16所述的驱动电路，其中，所述控制电路包括微处理器或微控制器，并且其中，所述定时器电路是所述微处理器或微控制器的一部分。
19.根据权利要求14所述的驱动电路，其中，所述控制电路利用脉宽调制信号来控制所述高侧开关和所述低侧开关中的一个，并且利用使能控制信号来控制所述高侧开关和所述低侧开关中的另一个。
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