CN117117782A - 一种新型mos驱动保护器及驱动保护方法 - Google Patents

一种新型mos驱动保护器及驱动保护方法 Download PDF

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王益凡
韩高鹏
张红静
�田�浩
姚恩源
刘西安
刘转
杨圣敏
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Abstract

本发明公开了一种新型MOS驱动保护器及驱动保护方法，该保护器能区分容性负载造成的瞬时过流与实际长时间的过流，容性负载造成的瞬时过流不关断MOS功率回路，实际长时间的过流在经过I2t反时限保护之后关断MOS功率回路；被配置有：电流传感器和数据处理电路。本技术方案实时检测功率回来中的电流值大小，并且在存在过流出现时，实现了区分容性负载造成的瞬时过流与实际长时间的过流，一定程度上提高容性负载能力；实现了短路保护，当功率回路中发生短路现象会立即关断MOS功率回路，防止了MOS或者后端负载被损坏。

Description

一种新型MOS驱动保护器及驱动保护方法
技术领域
本发明涉及一种新型MOS驱动保护器及驱动保护方法。
背景技术
场效应管通过投影P沟道mos管符号一个电场在一个绝缘层上来影响流过晶体管的电流。事实上没有电流流过这个绝缘体，所以FET管的GATE电流非常小。最普通的FET用一薄层二氧化硅来作为GATE极下的绝缘体。这种晶体管称为金属氧化物半导体(MOS)晶体管，或,金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)。因为MOS管更小更省电，所以他们已经在很多应用场合取代了双极型晶体管。
MOS管工作需匹配适合的驱动电路，以保证其能够正常工作。在MOS驱动电路中，常用的方法有自举电路驱动和隔离电源驱动，但无论哪种驱动方法，过流保护和短路保护都是必不可少的。如果缺少保护电路，那将会对MOS以及后端的负载造成损坏。
发明内容
本发明在此的目的，在于提供一种新型MOS驱动保护器，该保护器能够区分容性负载造成的瞬时过流与实际长时间的过流，一定程度上提高容性负载能力。
对此，本发明提供的新型MOS驱动保护器能区分容性负载造成的瞬时过流与实际长时间的过流，容性负载造成的瞬时过流不关断MOS功率回路，实际长时间的过流在经过I2t反时限保护之后关断MOS功率回路；被配置有：
电流传感器，用于感应功率回路中的电流，输出线性的电压值；
数据处理电路，所述电流传感器输出的电压值输入所述数据处理电路进行以下处理：输入的电压值与第一预设值时、第二预设值进行比对，当电压值大于所述第一预设值小于所述第二预设值时，无输出，不关断MOS功率回路；当电压值大于第二预设值时，通过I2t反时限保护算法计算出延时时间，在延时之后所述数据处理电路的软件控制1端输出信号作用于MOS驱动使MOS功率回路关断；
所述第一预设值为与容性负载造成的瞬时过流成线性的电压值；所述第二预设值为与实际长时间的过流成线性的电压值。
在一些实施方式中，该保护器还被配置有比较器，所述比较器一输入端输入所述电流传感器输出的电压值，另一输入端输入电压门限；在MOS功率回路存在短路时所述电流传感器输出的电压值大于所述电压门限，所述比较器输出翻转，该输出作用于MOS驱动使MOS管关断。比较器的配置，实现过流保护的同时实现了短路保护。
在一些实施方式中，该保护器还被配置有用于使所述比较器输出恢复至未翻转输出的状态恢复电路，所述状态恢复电路包括第一开关器件T1和第二开关器件T2，所述第一开关器件T1的第一偏置端与所述数据处理电路的软件控制2端连接，第二偏置端接所述第二开关器件T2的控制端，所述第一开关器件T1的控制端加载所述比较器的输出；所述第二开关器件T2的第一偏置端加载所述电流传感器输出的电压值，第二偏置端接电路地；外部发出重新接通的指令后，所述软件控制1端输出信号作用于MOS驱动使MOS管关断，保证此时软件控制MOS管关断；所述软件控制2端输出信号使所述第一开关器件T1、所述第二开关器件T2导通，拉低所述电流传感器输出，使所述比较器输出恢复至未翻转状态；定时至设定时间，所述软件控制2端输出信号后所述软件控制1输出信号作用于MOS驱动使MOS管导通。
在一些实施方式中，该保护器还被配置有用于使MOS导通、关断的MOS驱动电路，所述MOS驱动电路分别经第一开关和第二开关接所述数据处理电路的软件控制1端和所述比较器的输出；所述第一开关和/或所述第二开关为二极管。
在一些实施方式中，该保护器还被配置有用于使MOS导通、关断的MOS驱动电路，所述MOS驱动电路经第一开关接所述数据处理电路的软件控制1端；所述第一开关为二极管。
在一些实施方式中，该保护器还被配置有供电电路，该供电电路包括用于将5V电源转换成12V电源的开关电源和用于将5V电源转换成3.3V电源和1.9V电源的LDO电路。
在一些实施方式中，所述供电电路包括用于所述开关电源输入滤波的电容C1和电容C2，用于所述开关电源输出滤波的电容C3和电容C4。
在一些实施方式中，所述供电电路包括用于所述LDO电路输入滤波的电容C5和电容C6，用于所述LDO电路输出滤波的电容C7、电容C8、电容C9和电容C10。
本发明在此还提供了一种MOS驱动保护方法，该方法能区分容性负载造成的瞬时过流与实际长时间的过流，容性负载造成的瞬时过流不关断MOS功率回路，实际长时间的过流在经过I2t反时限保护之后关断MOS功率回路；包括以下步骤：
步骤1：预设第一预设值和第二预设值，所述第一预设值为与容性负载造成的瞬时过流成线性的电压值，所述第二预设值为与实际长时间的过流成线性的电压值；
步骤:2：获取MOS功率回路感应电流，形成与该感应电流成线性的电压值；
步骤3：将所述步骤1形成的电压值与所述第一预设值、所述第二预设值进行比较，当电压值大于所述第一预设值小于所述第二预设值时，判定为容性负载造成的瞬时过流不关断MOS功率回路；当电压值大于第二预设值时，判定为实际长时间的过流，通过I2t反时限保护算法计算出延时时间，在延时之后输出信号作用于MOS管驱动使MOS功率回路关断。
在一些实施方式中，该方法还包括短路保护，该短路保护将所述步骤1获取的电压值与电压门限进行比较，当电压值大于电压门限时，输出用于MOS管关断的信号，使MOS功率回路关断。
在一些实施方式中，该方法还包括短路保护，该短路保护将所述步骤1形成的电压值与电压门限进行比较，当电压值大于电压门限时，输出作用于MOS驱动使MOS功率回路关断。
在一些实施方式中，该方法还包括恢复步骤，该恢复步骤在外部重启信号加载时，使MOS功率回路导通工作。
本发明的有益效果包括：
1)本技术方案实时检测功率回来中的电流值大小，并且在存在过流出现时，实现了区分容性负载造成的瞬时过流与实际长时间的过流，一定程度上提高容性负载能力。
2)本技术方案实现了短路保护，当功率回路中发生短路现象会立即关断MOS功率回路，防止了MOS或者后端负载被损坏。
3)本技术方案实现了MOS保护关断之后重新连接的功能。
4)本技术方案实现了对MOS管的驱动，实现了对MOS功率回路进行开关控制。
5)电路形式简单，电路全部由硬件和软件共同实现，双重保护功能。
6)判断逻辑由分立元器件组成，稳定性高，MOS开关控制由外部驱动电源提供，驱动能力快，开关损耗低，同时EMI影响极小。
7)成本低，产品尺寸小。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明提供的DSP最小系统原理框图；
图2为本发明提供的电流传感器的原理框图；
图3为本发明提供的二极管单向导通性原理图；
图4为本发明提供的MOS驱动电路的原理框图；
图5为本发明提供的新型MOS驱动保护器的原理框图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
在MOS驱动电路中，常用的方法有自举电路驱动和隔离电源驱动，无论哪种驱动方法，过流保护和短路保护都是必不可少的。如果缺少保护电路，那将会对MOS以及后端的负载造成损坏。短路保护点若设定的过低，将会造成MOS功率回路的容性负载能力差，因此短路保护点一般设定为MOS功率回路中额定电流的10倍以上，在10倍过流范围内，以I2t反时限保护来关断MOS，I2t反时限保护原理为：过流程度越大，关断速率越快。若MOS功率回路中有容性负载造成过流，I2t反时限保护会延时一段时间来识别是否需要关断MOS，由于容性负载造成的过流时间很短，在容性负载造成过流的时候，MOS功率回路不会关断，这样即区分了容性负载和短路保护。
针对以上特定的驱动保护电路，本发明提供的新型MOS驱动保护器利用软硬件结合，达到区分容性负载造成短时间的过流和实际长时间的过流的目的。该驱动保护器被配置有电流传感器和数据处理电路，其中，电流传感器，用于感应功率回路中的电流，输出线性的电压值；数据处理电路与电流传感器连接，电流传感器输出的电压值输入数据处理电路进行以下处理：输入的电压值与第一预设值时、第二预设值进行比对，当电压值大于第一预设值小于第二预设值时，无输出，不关断MOS功率回路；当电压值大于第二预设值时，通过I2t反时限保护算法计算出延时时间，在延时之后数据处理电路软件控制1端输出信号作用于MOS驱动使MOS管关断，达到MOS功率回路关断目的。第一预设值为与容性负载造成的瞬时过流成线性的电压值，第二预设值为与实际长时间的过流成线性的电压值。
此处，数据处理电路包括数字信号处理器(DSP)、为数字信号处理器提供时钟信号的晶振及为数字信号处理器提供复位信号的复位电路，数字信号处理器、晶振及复位电路构成DSP最小系统，如图1。DSP技术是继单片机技术之后最为热门的技术之一，其优点为：工作主频高，处理数据能力强以及外设众多。此外，该数据处理电路还可以为单片机最小系统，或ARM构成信号处理电路。
电流传感器一般采用霍尔效应，通过感应功率回路中的电流，输出线性的电压值，该电压值与电流传感器供电电压共地，电流传感器工作原理框图如图2所示。
为了保证本发明提供的保护器还具有短路保护功能，当功率回路中发生短路现象会立即关断MOS功率回路，防止MOS或者后端负载被损坏。在上述技术方案的基础上，本保护器还包括比较器。参照图5，电流传感器的输出经电阻R4输入比较器的一输入端，比较器的另一输入端输入电压门限，比较器的输出用于加载于MOS驱动上；在MOS功率回路存在短路时电流传感器输出的电压值大于电压门限，比较器输出翻转，该输出加载于MOS驱动上使MOS驱动关断，导致MOS管关断，使MOS功率回路关断。
比较器的原理是：输入正端设定一个工作电压门限，另一个输入负端的电压可以调节，当输入正端电压大于负端电压，比较器输出高电平，当输入正端电压小于负端电压，比较器输出低电平。比较器的端经电阻R5接供电电源，以使比较器能够正常工作。
当MOS功率回路存在短路，比较器输出翻转，为了使比较器输出恢复到翻转前的输出状态，该保护器还被配置有用于使比较器输出恢复至未翻转输出的状态恢复电路。参照图5，状态恢复电路包括第一开关器件T1和第二开关器件T2，第一开关器件T1的第一偏置端与数据处理电路的软件控制2端连接，第二偏置端经电阻R6接第二开关器件T2的控制端，第一开关器件T1的控制端加载比较器的输出；第二开关器件T2的第一偏置端加载电流传感器输出的电压值，第二偏置端接电路地；外部发出重新接通的指令后，数据处理电路的软件控制1端输出信号，保证此时软件控制MOS管关断；数据处理电路的软件控制2端输出信号，拉低电流传感器输出，使比较器输出恢复至未翻转状态；定时至设定时间，软件控制2端输出信号后软件控制1输出信号作用于MOS驱动使MOS管导通。
为了实现驱动一体化，本发明提供的保护器还包括用于驱动MOS管导通、关断的MOS驱动电路。此处的MOS驱动电路利用隔离电源来驱动MOS管，以高速光耦来控制驱动电源的开关，选取驱动电源的时候，要注意驱动能力过大会导致MOS在开关状态的时候产生的EMI较大，驱动能力小又会导致MOS开关损耗大，因此，隔离电源的驱动能力选取要合适。
参照图4、图5，选取高速光耦驱动MOS管时，高速光耦的输出经电阻R2接MOS管Q1的G极，S极接电路地的同时用于功率输出，D极用于功率输入；G极还经电阻R3接电路地；高速光耦经第一开关接数据处理电路的软件控制1端。正常驱动时，3.3V+经电阻R1作用于高速光耦控制端，高速光耦接通，将12V+电源经电阻R2加载于MOS管Q1的G极，使MOS功率回路接通；当存在过流时，数据处理电路软件控制1端存在输出使第一开关导通拉低高速光耦控制端，使高速光耦无输出，MOS管关断，MOS功率回路关断切断输出。
当本保护器被配置有比较器时，高速光耦经第一开关接数据处理电路的软件控制1端，同时经第二开关接比较器的输出。当MOS功率回路存在短路时，比较器的输出使第二开关导通拉低高速光耦控制端，使高速光耦无输出，MOS管关断，MOS功率回路关断切断输出。
可以理解的是，本文所记载的MOS驱动电路不仅仅限于高速光耦，一般光耦、三极管或可控硅等元器件均可。
本文中的第一开关、第二开关在此采用二极管D1、二极管D2。利用开关二极管的单向导通性技术，实现对供电电路的开关控制，开关二极管正常工作时，正向导通，反向不导通。二极管单向导通性技术实现开关控制如图3所示。由图3可知，A点接电源+，B点接电源-，回路中有电流流过，反之，B点接电源+，A点接电源-，回路中无电流。
更为完善的是，本文提供保护器还被配置有供电电路。参照图5，该供电电路包括包括用于将5V电源转换成12V电源的开关电源和用于将5V电源转换成3.3V电源和1.9V电源的LDO电路。开关电源输出12V作为MOS驱动源，LDO电路输出为DSP和产品内部其他电路提供3.3V和1.9V，3.3V、1.9V均与5V电源共地。
为提高抗干扰性，供电电路包括用于开关电源输入滤波的电容C1和电容C2，用于开关电源输出滤波的电容C3和电容C4。再者，供电电路还包括用于LDO电路输入滤波的电容C5和电容C6，用于LDO电路输出滤波的电容C7、电容C8、电容C9和电容C10。
此外，3.3V、1.9V和5V供电时，同样分别经电容C11～电容C16滤波，如图1、图2所示。降低了电源波动对功能电路所造成的影响，更进一步地提高了抗干扰性。
基于图4所示的原理框图，完整详细对本保护器进行说明。5V通过隔离电源模块输出12V作为MOS驱动源，高速光耦作为MOS驱动的开关，电流传感器实时输出功率回路的电流值，比较器为短路保护设置门限点，一旦发生短路保护，比较器输出由高电平向低电平翻转。LDO为DSP和产品内部其他电路提供3.3V和1.9V，3.3V、1.9V均与5V电源共地。该保护器能正常驱动MOS管，能对MOS功率回路进行开关控制；能实时检测功率回路中的电流值大小，并且当有过流出现时，能区分容性负载造成的瞬时过流与实际长时间的过流，容性负载造成的瞬时过流不关断功率回路，而实际长时间的过流在经过I2t反时限保护之后关断MOS功率回路；能进行短路保护，当功率回路中发生短路现象会立即关断MOS功率回路，防止MOS或者后端负载被损坏。
正常工作下，电流传感器检测到的电流值没有发生过流和短路的情况，比较器输出高电平，软件控制1端输出高电平，高速光耦一直开导，12V电源驱动MOS一直导通。当发生过流保护而未发生短路保护(一般短路保护点为10倍额定电流值，过流保护为1.3倍额定电流值到10倍电流值之间)，比较器不翻转，DSP在检测到过流保护后，通过I2t反时限保护算法计算出延时时间，在延时之后软件控制1端输出低电平，高速光耦被关断，MOS管关断。当发生短路保护时，电流传感器输出超过原先设定好的电压门限值，比较器输出低电平，高速光耦被关断，MOS管被关断。当外部发出重新接通的指令后，DSP首先软件控制1输出低电平，保证此时软件控制MOS关断；同时DSP软件控制2输出低电平，拉低电流传感器输出，让比较器恢复正常状态，比较器输出高电平，定时1mS后软件控制2输出高电平，目的是为了确保比较器有足够时间恢复状态；最后软件控制1输出高电平，开启高速光耦，MOS管导通。若过流或者短路情况依然存在，则继续过流保护或者短路保护。如此，新型MOS驱动保护器实现了区分过流保护和短路保护，可以大大提高容性负载能力，同时实现了MOS保护关断之后重新连接的功能。
本发明提供的新型MOS驱动保护器包括了两种保护：一种是以硬件电路实现的短路保护，目的是在短路保护时立即关断MOS，防止MOS或者后端负载损坏。另一种是以处理器DSP实现的软件保护，保护机制按照I2t反时限算法，保护时间和过流倍数的平方成反比关系，目的是区分容性负载造成短时间的过流和实际长时间的过流。
本发明的保护器的显著特点是该产品在不包括MOS驱动电路时，应用于MOS管的驱动电路，且可以识别过流和短路保护，过流保护以I2t反时限保护，短路保护以硬件立即关断MOS，响应时间快，在短路情况下保护MOS不被损坏。
本公开中，各电源不能共地，5V地和12V地以及功率地均不能共地。
本公开已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本公开的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本公开的范围。相反，在不脱离本公开的精神和范围内所作的变动与润饰，均属本公开的专利保护范围。

Claims (11)

1.一种新型MOS驱动保护器，其特征在于，该保护器能区分容性负载造成的瞬时过流与实际长时间的过流，容性负载造成的瞬时过流不关断MOS功率回路，实际长时间的过流在经过I2t反时限保护之后关断MOS功率回路；被配置有：
电流传感器，用于感应功率回路中的电流，输出线性的电压值；
数据处理电路，所述电流传感器输出的电压值输入所述数据处理电路进行以下处理：输入的电压值与第一预设值时、第二预设值进行比对，当电压值大于所述第一预设值小于所述第二预设值时，无输出，不关断MOS功率回路；当电压值大于第二预设值时，通过I2t反时限保护算法计算出延时时间，在延时之后所述数据处理电路的软件控制1端输出信号作用于MOS驱动使MOS功率回路关断；
所述第一预设值为与容性负载造成的瞬时过流成线性的电压值；所述第二预设值为与实际长时间的过流成线性的电压值。
2.根据权利要求1所述的新型MOS驱动保护器，其特征在于：该保护器还被配置有比较器，所述比较器一输入端输入所述电流传感器输出的电压值，另一输入端输入电压门限；在MOS功率回路存在短路时所述电流传感器输出的电压值大于所述电压门限，所述比较器输出翻转，该输出作用于MOS驱动使MOS管关断。
3.根据权利要求2所述的新型MOS驱动保护器，其特征在于：该保护器还被配置有用于使所述比较器输出恢复至未翻转输出的状态恢复电路，所述状态恢复电路包括第一开关器件T1和第二开关器件T2，所述第一开关器件T1的第一偏置端与所述数据处理电路的软件控制2端连接，第二偏置端接所述第二开关器件T2的控制端，所述第一开关器件T1的控制端加载所述比较器的输出；所述第二开关器件T2的第一偏置端加载所述电流传感器输出的电压值，第二偏置端接电路地；外部发出重新接通的指令后，所述软件控制1端输出信号作用于MOS驱动使MOS管关断，保证此时软件控制MOS管关断；所述软件控制2端输出信号使所述第一开关器件T1、所述第二开关器件T2导通，拉低所述电流传感器输出，使所述比较器输出恢复至未翻转状态；定时至设定时间，所述软件控制2端输出信号后所述软件控制1输出信号作用于MOS驱动使MOS管导通。
4.根据权利要求2或3所述的新型MOS驱动保护器，其特征在于：该保护器还被配置有用于使MOS导通、关断的MOS驱动电路，所述MOS驱动电路分别经第一开关和第二开关接所述数据处理电路的软件控制1端和所述比较器的输出；所述第一开关和/或所述第二开关为二极管。
5.根据权利要求1所述的新型MOS驱动保护器，其特征在于：该保护器还被配置有用于使MOS导通、关断的MOS驱动电路，所述MOS驱动电路经第一开关接所述数据处理电路的软件控制1端；所述第一开关为二极管。
6.根据权利要求1所述的新型MOS驱动保护器，其特征在于：该保护器还被配置有供电电路，该供电电路包括用于将5V电源转换成12V电源的开关电源和用于将5V电源转换成3.3V电源和1.9V电源的LDO电路。
7.根据权利要求6所述的新型MOS驱动保护器，其特征在于：所述供电电路包括用于所述开关电源输入滤波的电容C1和电容C2，用于所述开关电源输出滤波的电容C3和电容C4。
8.根据权利要求6所述的新型MOS驱动保护器，其特征在于：所述供电电路包括用于所述LDO电路输入滤波的电容C5和电容C6，用于所述LDO电路输出滤波的电容C7、电容C8、电容C9和电容C10。
9.一种MOS驱动保护方法，其特征在于，该方法能区分容性负载造成的瞬时过流与实际长时间的过流，容性负载造成的瞬时过流不关断MOS功率回路，实际长时间的过流在经过I2t反时限保护之后关断MOS功率回路；包括以下步骤：
步骤1：预设第一预设值和第二预设值，所述第一预设值为与容性负载造成的瞬时过流成线性的电压值，所述第二预设值为与实际长时间的过流成线性的电压值；
步骤:2：获取MOS功率回路感应电流，形成与该感应电流成线性的电压值；
步骤3：将所述步骤1形成的电压值与所述第一预设值、所述第二预设值进行比较，当电压值大于所述第一预设值小于所述第二预设值时，判定为容性负载造成的瞬时过流不关断MOS功率回路；当电压值大于第二预设值时，判定为实际长时间的过流，通过I2t反时限保护算法计算出延时时间，在延时之后输出信号作用于MOS管驱动使MOS功率回路关断。
10.根据权利要求9所述的MOS驱动保护方法，其特征在于，该方法还包括短路保护，该短路保护将所述步骤1形成的电压值与电压门限进行比较，当电压值大于电压门限时，输出作用于MOS驱动使MOS功率回路关断。
11.根据权利要求10所述的MOS驱动保护方法，其特征在于，该方法还包括恢复步骤，该恢复步骤在外部重启信号加载时，使MOS功率回路导通工作。
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