CN116404620A - 一种具备过压及短路故障限流功能的功率控制电路 - Google Patents

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蒋丛让
徐墨尘
朱子锐
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Abstract

本发明公开了一种具备过压及短时故障限流功能的功率控制电路，包括控制电路和功率电路；所述功率电路为电源系统的载荷提供功率供电通道，包括采样电阻、开关管和滤波电容，所述采样电阻用于对该功率电路的电流进行采样，所述开关管用于控制该功率电路的通断，所述滤波电容用于对该功率电路的电压进行滤波；所述控制电路与功率电路连接，通过采集功率电路的电压、电流并处理后，输出信号控制所述开关管的开关；该控制电路包括电压采样电路、电流采样电路、判断电路和驱动电路；本发明的功率控制电路可以实现优先限流、超时关断、长时锁存的功能。

Description

一种具备过压及短路故障限流功能的功率控制电路
技术领域
本发明涉及空间电源配电控制技术领域，具体涉及一种具备过压及短路故障限流功能的功率控制电路。
背景技术
航天器供配电系统的任务是安全可靠地将电源系统产生的电能分配传输到飞行器上各用电设备，并对各用电设备的配电进行控制。供配电系统通过电缆网将电能传输到飞行器上各用电设备，在用电设备故障情况下进行线路保护。目前常用的配电控制器检测到用电设备故障时，即将用电设备断开，不适合因功率频繁变化引起电流尖峰的大功率特殊载荷，无法做到在大功率载荷下实现供配电电路输出电流分级保护。
发明内容
本发明的目的是提出一种具备限流保护功能的供配电技术，满足特殊载荷的供配电需求，解决大功率载荷供配电电路输出电流分级保护的难题。
为实现上述目的，本发明提出了一种具备过压及短时故障限流功能的功率控制电路，包括控制电路和功率电路；所述功率电路为电源系统的载荷提供功率供电通道，包括采样电阻、开关管和滤波电容，所述采样电阻用于对该功率电路的电流进行采样，所述开关管用于控制该功率电路的通断，所述滤波电容用于对该功率电路的供电电压进行滤波；所述控制电路与功率电路连接，通过采集功率电路的电压、电流并处理后，输出信号控制所述开关管的开关；该控制电路包括电压采样电路、电流采样电路、判断电路和驱动电路；所述判断电路通过对电压采样电路输出的电压值和电流采样电路输出的电流值进行处理判断，并输出电压信号至驱动电路，从而驱动电路生成驱动电压至开关管。
优选地，所述判断电路包括：比较电路、PI电路、积分电路、锁存电路和取小电路。
优选地，所述电压采样电路连接在所述功率电路的电压两端，用于采集所述功率电路的供电电压；所述电流采样电路连接在采样电阻处，用于采集功率电路的电流；所述比较电路与所述电压采集电路连接，用于判断所述功率电路的供电电压是否过压，并输出第一电平V1至取小电路；所述PI电路与电流采样电路连接，用于判断功率电路的电流是否过流，并输出第二电平V2至积分电路和取小电路；所述积分电路与PI电路连接，用于判断PI电路输出的电平是否稳定，并输出第三电平V3至锁存电路和取小电路；所述锁存电路与积分电路连接，用于判断积分电路的输出是否为低电平，并输出第四电平V4至取小电路；所述取小电路与所述比较电路、PI电路积分、积分电路和锁存电路连接，用于比较该些电路的输出电平的大小，并取其中的最小值输出至驱动电路；所述驱动电路驱动开关管，控制开关管的阻抗大小，从而改变功率电路的电流。
优选地，所述开关管为MOS管。
优选地，所述比较电路的正输入端输入电压参考值，负输入端连接所述电压采样电路的输出端，从而将电压采集电路采集的功率电路的供电电压输入比较电路，所述比较电路的输出端连接取小电路的第一输入端；
当所述供电电压大于电压参考值时，该比较电路输出的第一电平V1为低电平，否则，输出的第一电平V1为高电平。
优选地，所述PI电路的正输入端输入电流参考值，负输入端连接所述电流采样电路的输出端，所述PI电路的输出端分别连接积分电路的输入端和取小电路的第二输入端；
当功率电路的电流小于电流参考值时，PI电路输出的第二电平V2为高电平；当功率电路的电流达到电流参考值时，PI电路输出的第二电平V2处于线性区，功率电路的电流与电流参考值的误差越小，PI电路输出的第二电平V2越小；当功率电路的电流大于电流参考值时，PI电路输出的第二电平V2为低电平。
优选地，所述积分电路的输入端连接PI电路输出的第二电平V2，输出端连接取小电路的第三输入端，该积分电路根据PI电路的第二输出电平V2的高低及变化输出对应的第三电平V3至锁存电路的第一输入端和取小电路的第三输入端：
当PI电路输出的第二电平V2为高电平时，该积分电路输出的第三电平V3为高电平；当PI电路输出的第二电平V2降低时，该积分电路开始放电，并在设定时间t内逐渐放电直至输出的第三电平V3为低电平；当PI电路输出的第二电平V2恢复至高电平时，该积分电路的输出的第三电平V3恢复至高电平；其中，所述设定时间t指的是：在设定时间t内，作为开关管的MOS管发热，其最高温度不得超过该MOS管的最高结温。
优选地，所述锁存电路的第一输入端连接积分电路输出的第三电平V3，第二输入端连接上位机从而接收上位机的复位信号VFW，输出端连接取小电路的第四输入端从而输出第四电平V4至取小电路；
正常情况下，该锁存电路输出的第四电平V4为高电平，当积分电路输出的第三电平V3为低电平时，该锁存电路输出的第四电平V4为低电平；当该锁存电路输出的第四电平V4为低电平时，该锁存电路只能通过上位机的复位信号VFW恢复至高电平输出。
优选地，所述取小电路的第一输入端连接比较电路输出的第一电平V1，第二输入端连接PI电路输出的第二电平V2，第三输入端连接积分电路输出的第三电平V3，第四输入端连接锁存电路输出的第四电平V4，输出端连接驱动电路的输入端；该取小电路取输入的四个信号的最小值Vctr输出，并传送至驱动电路，其中Vctr为V1、V2、V3、V4中的最小值。
优选地，所述驱动电路的输入端连接取小电路的输出端从而接收Vctr，输出端连接功率电路的开关管，驱动电路根据Vctr输出驱动电压VPWM改变该开关管的阻抗：
当Vctr为高电平时，驱动电路输出的驱动电压VPWM也为高电平，开关管的阻抗小，功率电路正常工作；当Vctr变小时，驱动电压VPWM也变小，开关管的阻抗变大，对功率电路的输出电流进行限流；当Vctr为低电平时，驱动电压VPWM也为低电平，开关管断开。
综上，本发明基于MOS管阻抗特性设计了输出限流功率控制电路，和现有技术的功率控制技术相比，其优点在于，本发明的功率控制电路可以实现优先限流、超时关断、长时锁存的功能。
附图说明
图1为本发明一种具备过压及短路故障限流功能的功率控制电路的电路框图。
具体实施方式
以下将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。
需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括明确列出的要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本实施例公开了一种具备过压及短路故障限流功能的功率控制电路，如图1所示，包括控制电路和功率电路；所述功率电路为电源系统的载荷提供功率供电通道，包括：采样电阻R1，通过该采样电阻R1，控制电路对该功率电路的电流进行采样；开关管S1，用于控制该功率电路的通断；滤波电容C0，用于对功率电路的供电电压进行滤波；所述控制电路通过采集所述功率电路的供电电压、电流并经过处理后，输出驱动电压控制开关管S1的开关从而控制功率电路的通断；该控制电路包括电压采样电路、电流采样电路、判断电路和驱动电路，所述判断电路通过对电压采样电路输出的电压值和电流采样电路输出的电流值进行处理判断，并输出电压信号至驱动电路，从而驱动电路生成驱动电压至开关管S1，所述判断电路包括比较电路、PI(比例积分)电路、积分电路、锁存电路和取小电路。
本实施例中采用MOS管作为开关管S1，其驱动电压越小时阻抗越大，当其驱动电压为高电平时，该MOS管正常导通，当其驱动电压为低电平时，该MOS管断开。
所述采样电阻R1、MOS管和滤波电容C0依次串联在功率电路中，并连接在功率电路的供电电压的正负极之间；功率电路的输出端为滤波电容C0两端，使所述功率电路的供电电压在经过滤波电容C0滤波后供给电源系统的载荷。
所述电压采样电路连接在功率电路的供电电压两端，用于采集功率电路的供电电压Vo，其输出值为Vo＇；所述电流采样电路连接在采样电阻R1处，用于采集经过采样电阻R1的电流，即采集功率电路的电流Io，其输出值为Io＇；所述比较电路与所述电压采样电路连接，用于比较功率电路的供电电压是否达到参考值，即判断功率电路的供电电压是否过压，并输出第一电平至所述取小电路；所述PI电路与电流采样电路连接，用于比较功率电路的电流是否达到参考值，即判断功率电路的电流是否过流，并输出第二电平分别至积分电路和取小电路；所述积分电路与PI电路连接，用于判断PI电路输出的第二电平是否稳定，并输出第三电平至锁存电路和取小电路；所述锁存电路与积分电路连接，用于判断积分电路输出的第三电平是否为低电平，并输出第四电平至取小电路；所述取小电路分别与所述比较电路、PI电路积分、积分电路和锁存电路连接，用于比较该些电路输出的电平，并取其中的最小值输出至驱动电路；所述驱动电路输出驱动电压驱动开关管S1，改变开关管S1的阻抗大小，从而改变功率电路的电流Io。
具体的，所述比较电路的正输入端输入电压参考值Vref，负输入端连接所述电压采样电路的输出端，从而将电压采集电路采集的功率电路的供电电压Vo＇输入比较电路，所述比较电路的输出端连接取小电路的第一输入端；该比较电路将功率电路的供电电压Vo＇与电压参考值Vref对比后，输出对应的第一电平V1至取小电路的第一输入端：当供电电压Vo＇大于电压参考值Vref时，该比较电路输出的第一电平V1为低电平，否则输出的第一电平V1为高电平。
所述PI电路的正输入端输入电流参考值Iref，负输入端连接所述电流采样电路的输出端，从而将电流采样电路采集的功率电路的电流Io＇输入PI电路，所述PI电路的输出端分别连接积分电路的输入端和取小电路的第二输入端；该PI电路根据电流参考值Iref与功率电路的电流Io＇的大小关系，输出不同的第二电平V2至积分电路的输入端和取小电路的第二输入端，第二电平V2有三种输出状态，分别为高电平、低电平以及在高低电平之间线性变化的电平：当功率电路的电流Io＇小于电流参考值Iref时，PI电路输出的第二电平V2为高电平；当功率电路的电流Io＇大于电流参考值Iref时，PI电路输出的第二电平V2为低电平；当功率电路的电流Io＇由小变大而接近电流参考值Iref时，PI电路输出的第二电平V2处于线性区，功率电路的电流Io＇与电流参考值Iref的误差越小，PI电路输出的第二电平V2越小。
所述积分电路的输入端连接PI电路输出的第二电平V2，输出端分别连接锁存电路的第一输入端和取小电路的第三输入端，该积分电路根据PI电路输出的第二电平V2的高低及变化输出对应的第三电平V3至锁存电路的第一输入端和取小电路的第三输入端，第三电平V3也有三种输出状态，分别为高电平、低电平以及在设定时间t内、高低电平之间变化的电平：当PI电路输出的第二电平V2为高电平时，该积分电路输出的第三电平V3为高电平；当PI电路输出的第二电平V2从高电平降低时，该积分电路开始放电，并在设定时间t内逐渐放电，输出的第三电平V3逐渐减小直至第三电平V3为低电平；当PI电路输出的第二电平V2恢复至高电平时，该积分电路输出的第三电平V3也随第二电平V2的升高而恢复至高电平。
其中，所述设定时间t指的是：在时间t内，作为开关管S1的MOS管发热，其最高温度不得超过该MOS管的最高结温。
所述锁存电路的第一输入端连接积分电路输出的第三电平V3，第二输入端连接上位机从而接收上位机的复位信号VFW，输出端连接取小电路的第四输入端从而输出第四电平V4至取小电路；正常情况下，该锁存电路输出的第四电平V4为高电平，当检测到积分电路输出的第三电平V3为低电平时，该锁存电路输出的第四电平V4为低电平；当该锁存电路输出的第四电平V4为低电平时，该锁存电路只能通过上位机的复位信号VFW恢复至高电平输出，不能自主恢复。
所述取小电路的第一输入端连接比较电路输出的第一电平V1，第二输入端连接PI电路输出的第二电平V2，第三输入端连接积分电路输出的第三电平V3，第四输入端连接锁存电路输出的第四电平V4，输出端连接驱动电路的输入端；该取小电路取输入的四个信号的最小值Vctr输出，并传送至驱动电路，其中Vctr为V1、V2、V3、V4中的最小值，即，当V1、V2、V3、V4中存在低电平时，取小电路输出的Vctr为低电平；当V1、V2、V3、V4均为高电平时，取小电路输出的Vctr为高电平；考虑到V2和V3为在高低电平之间变化的电平，当V1和V4为高电平，V2和V3处于高低电平之间时，取小电路输出的Vctr为V2和V3中较低的电平。
所述驱动电路的输入端连接取小电路的输出端从而接收Vctr，输出端连接功率电路的开关管S1，驱动电路根据Vctr输出驱动电压VPWM改变该开关管S1的阻抗：当Vctr为高电平时，驱动电路输出的驱动电压VPWM也为高电平，开关管S1的阻抗小，功率电路正常工作；当Vctr变小时，驱动电压VPWM也变小，开关管S1的阻抗变大，对功率电路的输出电流Io进行限流；当Vctr为低电平时，驱动电压VPWM也为低电平，开关管S1断开。
因此，上述控制电路和功率电路的工作原理如下：当功率电路既不过流也不过压时，通过取小电路取小后传送至驱动电路的Vctr为高电平，功率电路正常工作；
当功率电路过压时，即电压采集电路采集到的供电电压Vo＇大于电压参考值Vref时，比较电路输出的第一电平V1为低电平，通过取小电路取小后传送至驱动电路的Vctr也为低电平，从而驱动电压VPWM为低电平，开关管S1断开，实现过压保护；
当功率电路发生过流时，比如功率电路发生短路故障时，电流采样电路采集的功率电路的电流Io＇达到电流参考值Iref，PI电路处于线性工作区，输出的第二电平V2变小，取小电路的输出Vctr也变小，从而驱动电压VPWM变小，开关管S1的阻抗变大，对功率电路的输出电流Io进行限流，实现对输出过流的快速短时限流；
若在设定时间t内，输出电流依然过流，则积分电路逐渐放电，第三电平V3逐渐减小，当其减小到小于第二电平V2时，取小电路的输出Vctr进一步变小，直至积分电路输出的第三电平V3为低电平，锁存电路输出的第四电平V4也为低电平，此时取小电路输出的Vctr为低电平，驱动电压VPWM为低电平，开关管S1断开；由于锁存电路只能依靠上位机的复位信号VFW恢复至高电平输出，因此只有在其他电路输出高电平的情况下通过上位机发送复位信号VFW才能重新打开开关管S1使功率电路正常工作，因此实现了对该功率电路的长时锁存保护。
最后，由于本发明实施例中的所述电压采样电路、电流采样电路、比较电路、PI电路、积分电路、锁存电路、取小电路和驱动电路均为行业内常见电路模型，故在此不再详述其具体组成器件。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种具备过压及短时故障限流功能的功率控制电路，其特征在于，包括控制电路和功率电路；
所述功率电路为电源系统的载荷提供功率供电通道，包括采样电阻、开关管和滤波电容，所述采样电阻用于对该功率电路的电流进行采样，所述开关管用于控制该功率电路的通断，所述滤波电容用于对该功率电路的供电电压进行滤波；
所述控制电路与功率电路连接，通过采集功率电路的电压、电流并处理后，输出信号控制所述开关管的开关；该控制电路包括电压采样电路、电流采样电路、判断电路和驱动电路；所述判断电路通过对电压采样电路输出的电压值和电流采样电路输出的电流值进行处理判断，并输出电压信号至驱动电路，从而驱动电路生成驱动电压至开关管。
2.如权利要求1所述的一种具备过压及短时故障限流功能的功率控制电路，其特征在于，所述判断电路包括：比较电路、PI电路、积分电路、锁存电路和取小电路。
3.如权利要求2所述的一种具备过压及短时故障限流功能的功率控制电路，其特征在于，
所述电压采样电路连接在所述功率电路的电压两端，用于采集所述功率电路的供电电压；
所述电流采样电路连接在采样电阻处，用于采集功率电路的电流；
所述比较电路与所述电压采集电路连接，用于判断所述功率电路的供电电压是否过压，并输出第一电平V1至取小电路；
所述PI电路与电流采样电路连接，用于判断功率电路的电流是否过流，并输出第二电平V2至积分电路和取小电路；
所述积分电路与PI电路连接，用于判断PI电路输出的电平是否稳定，并输出第三电平V3至锁存电路和取小电路；
所述锁存电路与积分电路连接，用于判断积分电路的输出是否为低电平，并输出第四电平V4至取小电路；
所述取小电路与所述比较电路、PI电路积分、积分电路和锁存电路连接，用于比较该些电路的输出电平的大小，并取其中的最小值输出至驱动电路；
所述驱动电路驱动开关管，控制开关管的阻抗大小，从而改变功率电路的电流。
4.如权利要求3所述的一种具备过压及短时故障限流功能的功率控制电路，其特征在于，所述开关管为MOS管。
5.如权利要求4所述的一种具备过压及短时故障限流功能的功率控制电路，其特征在于，所述比较电路的正输入端输入电压参考值，负输入端连接所述电压采样电路的输出端，从而将电压采集电路采集的功率电路的供电电压输入比较电路，所述比较电路的输出端连接取小电路的第一输入端；
当所述供电电压大于电压参考值时，该比较电路输出的第一电平V1为低电平，否则，输出的第一电平V1为高电平。
6.如权利要求5所述的一种具备过压及短时故障限流功能的功率控制电路，其特征在于，所述PI电路的正输入端输入电流参考值，负输入端连接所述电流采样电路的输出端，所述PI电路的输出端分别连接积分电路的输入端和取小电路的第二输入端；
当功率电路的电流小于电流参考值时，PI电路输出的第二电平V2为高电平；当功率电路的电流达到电流参考值时，PI电路输出的第二电平V2处于线性区，功率电路的电流与电流参考值的误差越小，PI电路输出的第二电平V2越小；当功率电路的电流大于电流参考值时，PI电路输出的第二电平V2为低电平。
7.如权利要求6所述的一种具备过压及短时故障限流功能的功率控制电路，其特征在于，所述积分电路的输入端连接PI电路输出的第二电平V2，输出端连接取小电路的第三输入端，该积分电路根据PI电路的第二输出电平V2的高低及变化输出对应的第三电平V3至锁存电路的第一输入端和取小电路的第三输入端：
当PI电路输出的第二电平V2为高电平时，该积分电路输出的第三电平V3为高电平；当PI电路输出的第二电平V2降低时，该积分电路开始放电，并在设定时间t内逐渐放电直至输出的第三电平V3为低电平；当PI电路输出的第二电平V2恢复至高电平时，该积分电路的输出的第三电平V3恢复至高电平；
其中，所述设定时间t指的是：在设定时间t内，作为开关管的MOS管发热，其最高温度不得超过该MOS管的最高结温。
8.如权利要求7所述的一种具备过压及短时故障限流功能的功率控制电路，其特征在于，所述锁存电路的第一输入端连接积分电路输出的第三电平V3，第二输入端连接上位机从而接收上位机的复位信号VFW，输出端连接取小电路的第四输入端从而输出第四电平V4至取小电路；
正常情况下，该锁存电路输出的第四电平V4为高电平，当积分电路输出的第三电平V3为低电平时，该锁存电路输出的第四电平V4为低电平；当该锁存电路输出的第四电平V4为低电平时，该锁存电路只能通过上位机的复位信号VFW恢复至高电平输出。
9.如权利要求8所述的一种具备过压及短时故障限流功能的功率控制电路，其特征在于，所述取小电路的第一输入端连接比较电路输出的第一电平V1，第二输入端连接PI电路输出的第二电平V2，第三输入端连接积分电路输出的第三电平V3，第四输入端连接锁存电路输出的第四电平V4，输出端连接驱动电路的输入端；该取小电路取输入的四个信号的最小值Vctr输出，并传送至驱动电路，其中Vctr为V1、V2、V3、V4中的最小值。
10.如权利要求9所述的一种具备过压及短时故障限流功能的功率控制电路，其特征在于，所述驱动电路的输入端连接取小电路的输出端从而接收Vctr，输出端连接功率电路的开关管，驱动电路根据Vctr输出驱动电压VPWM改变该开关管的阻抗：
当Vctr为高电平时，驱动电路输出的驱动电压VPWM也为高电平，开关管的阻抗小，功率电路正常工作；当Vctr变小时，驱动电压VPWM也变小，开关管的阻抗变大，对功率电路的输出电流进行限流；当Vctr为低电平时，驱动电压VPWM也为低电平，开关管断开。
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CN117394698A (zh) * 2023-12-13 2024-01-12 深圳市芯茂微电子有限公司 一种h桥电源电路控制方法、装置、介质
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