CN117410937A - 一种大功率短路保护与恢复系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率短路保护与恢复系统及其工作方法。该系统包括：主电路、差分采样电路、短路保护与恢复控制电路、隔离驱动电路和单片机控制电路；所述主电路包括输入电容Cin、MOS管Q1、采样电阻Rs、限流电感Lf、二极管D1和输出电容Cout；差分采样电路的输入端连接在采样电阻Rs的两端，差分采样电路的输出端与短路保护与恢复控制电路的输入端相连；短路保护与恢复控制电路的输出端与隔离驱动电路的输入端相连；隔离驱动电路的输出端与MOS管Q1的栅极相连；单片机控制电路的输出端与短路保护与恢复控制电路的输入端相连。本发明使大功率直流开关电源接入大容量容性负载的缓起时间可调，并同时具备快速短路保护与恢复功能。

Description

一种大功率短路保护与恢复系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及大功率开关电源技术领域，具体涉及一种大功率短路保护与恢复系统及其工作方法。

背景技术

对于大功率直流开关电源而言，负载短路的概率很大，如果短路保护不及时容易造成开关电源内部元器件电流应力超标，轻则损伤元器件，重则造成开关电源的炸机事故。而且，短路故障消失后，大功率直流开关电源输出功率应该缓加到负载，否则容易引起较大的开关电源输入侧浪涌电流，因此短路保护及恢复是大功率直流开关电源必须具备的功能。由于现在大多数直流开关电源为电压型，对于短路大电流快速响应能力较差，因此短路保护及其恢复也是大功率直流开关电源的设计难点。

目前，大多数大功率直流开关电源通过检测输出电压实现短路保护功能，其基本原理是当负载短路故障发生时，开关电源的输出电压拉低到短路保护值，然后封锁驱动脉冲，从而断开开关电源到负载的能量传输，但这种保护方法的缺点为短路保护响应速度较慢，容易造成严重事故。而且，在无短路保护功能的开关电源或升压型PWM整流器应用到有短路可能的场合下，外加一个短路保护及恢复电路是必然选择。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大功率短路保护与恢复系统及其工作方法，该系统能够解决现有技术中的不足，降低大功率直流开关电源接大容量容性负载的设计难度。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

在本发明的第一方面，公开了一种大功率短路保护与恢复系统。

具体地说，该系统包括：主电路、差分采样电路、短路保护与恢复控制电路、隔离驱动电路和单片机控制电路；

所述主电路包括输入电容Cin、MOS管Q1、采样电阻Rs、限流电感Lf、二极管D1和输出电容Cout；所述输入电容Cin的两端分别连接大功率直流电源的正极输出端与负极输出端；所述输入电容Cin的第一端与所述二极管D1的阴极相连，所述输入电容Cin的第二端经所述采样电阻Rs与所述MOS管Q1的源极相连；所述MOS管Q1的栅极与所述隔离驱动电路相连，所述MOS管Q1的漏极与所述限流电感Lf的第一端相连；所述限流电感Lf的第二端与负载的第一端相连；所述负载的第二端与所述二极管D1的阴极相连；所述二极管的阳极与所述MOS管Q1的漏极相连；所述输出电容Cout的两端分别与所述二极管D1的阴极、所述限流电感Lf的第二端相连；

所述差分采样电路的输入端连接在所述采样电阻Rs的两端，所述差分采样电路的输出端与所述短路保护与恢复控制电路的输入端相连；

所述短路保护与恢复控制电路的输出端与所述隔离驱动电路的输入端相连；所述隔离驱动电路的输出端与所述MOS管Q1的栅极相连；所述单片机控制电路的输出端与所述短路保护与恢复控制电路的输入端相连；

所述短路保护与恢复控制电路，用于在负载短路时快速切断负载与大功率直流电源的连接和故障恢复后的缓起。

进一步的，所述短路保护与恢复控制电路包括比较器U1、二极管D2、电阻R1和电容C1；

所述比较器的同相输入端与所述单片机控制电路的输出端相连，所述比较器的反相输入端与所述差分采样电路的输出端相连，所述比较器的输出端与所述电阻R1的第一端相连；所述电阻R1的第二端与所述电容C1的第一端相连；所述电容C1的第二端接地；所述电容C1的第一端与所述隔离驱动电路的输入端相连；所述二极管D2的阳极与所述电阻R1的第二端相连，所述二极管D2的阴极与所述电阻R1的第一端相连。

进一步的，所述单片机控制电路的使能信号输出端连接有MOS管Q2；所述MOS管Q2的栅极与所述单片机控制电路的使能信号输出端相连；所述MOS管Q2的源极与所述电阻R1的第二端相连；所述MOS管Q2的漏极接地。

进一步的，所述隔离驱动电路采用驱动电流峰值为4A、隔离电压为3kV以上的隔离驱动芯片。所述驱动芯片的型号为Si8235AB。

进一步的，所述单片机控制电路，用于控制所述短路保护与恢复控制电路的切入时刻。

进一步的，该系统还包括上拉电阻R2；

所述电阻R2的第一端与所述比较器U1的输出端相连，所述电阻R2的第二端经供电电压为+5V电压的电源接地。R2是上拉电阻，该电阻用于将一个不确定的信号通过预先钳位在高电平。图4中与上拉电阻R2串联的元件表示供电电压为+5V电压的电源，即R2通过+5V上拉。

进一步的，负载正常工作时，所述MOS管Q1为常开或常关状态。

进一步的，所述限流电感Lf，用于限流。

进一步的，所述MOS管Q1和所述MOS管Q2均采用NMOS管。

在本发明的第二方面，公开了一种上述大功率短路保护和恢复系统的工作方法。

具体地说，该方法包括：

S1、计算短路保护电流点，并由此确定差分采样电路比例增益和采样电阻Rs参数；

S2、差分采样电路输出端、单片机控制电路给出的短路保护电流基准信号和单片机控制电路给出的使能信号同时接到短路保护与恢复控制电路输入侧，其中单片机控制电路给出使能信号控制此大功率短路保护及恢复电路的切入时刻，切入时大功率直流电源通过此电路连接到负载；

S3、短路保护和恢复控制电路判断单片机控制电路发出的使能信号，若禁止，则断开大功率直流输出电源和负载的连接；若使能，则由短路保护和恢复控制电路判断是否进入快速短路保护或缓起恢复阶段；

S4、短路保护和恢复控制电路的输出直接控制MOS管Q1的开关状态，MOS管Q1常开，则大功率直流输出电源通过所述短路保护和恢复控制电路与负载连接，若MOS管Q1关断，则断开所述短路保护和恢复控制电路与负载的连接。

和现有技术相比，本发明的优点为：

(1)本发明提出了一种可应用于大功率直流输出应用场合的短路保护与恢复电路，该电路位于大功率直流输出电源输出端和负载之间，可根据实际应用需要调整切入时刻使大功率直流电源输出端接至负载。该电路使用使大功率直流开关电源接入大容量容性负载的缓起时间可调，并同时具备快速短路保护与恢复功能。

(2)本发明中主电路开关器件MOS管处于常开或常关状态，常开时只有导通损耗，损耗很小；控制电路设计比较简单，无PWM控制芯片，仅用一个比较器、一个二极管和一个RC电路的组合就完成短路保护和恢复缓起功能；短路保护及恢复主电路的切入功能由单片机实现，十分灵活；短路保护及恢复主电路回路上串联一个电感Lf，该电感的作用并不是滤波，而是在短路时起限流作用。

(3)本发明所述系统中的主电路采用了电力电子学中常见的buck型变换器电路结构，但其工作原理和buck变换器有本质区别。例如：正常工作时MOS管Q1并不是处于斩波状态，而是常开(导通)或常关(断开)状态。该电路处于保护对象即大功率直流输出电源和负载之间，MOS管Q1处于常开或常关状态，MOS管Q1的损耗仅仅为导通损耗，损耗很小。本发明中的短路保护和恢复控制电路同时具备负载短路时快速切断负载与大功率直流电源的连接和故障恢复后的缓起功能。

(4)本发明描述的是一个为了方便解决不同场合大功率电源的短路问题，发明了一个电路简单且损耗小的短路保护电路。该电路位于大功率直流输出电源输出端和负载之间，具备快速短路保护与恢复功能；该电路的开关器件MOS管处于常开或常关状态，常开时使大功率直流电源输出端接至负载，MOS管只有导通损耗，损耗很小；另外，在负载短路时快速切断负载与大功率直流电源的连接，此时MOS管处于关断状态。

附图说明

图1为本发明中短路保护与恢复电路的电路原理图；

图2为本发明中主电路在MOS管常开时的连接图；

图3为本发明中主电路在MOS管常闭时的连接图；

图4为本发明中短路保护与恢复核心控制和隔离驱动电路的连接图；

图5为本发明中负载短路时关键控制波形示意图；

图6为本发明中负载短路保护恢复时缓起关键控制波形示意图；

图7为本发明中单片机使能信号连线图。

具体实施方式

下面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进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，诸如术语“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那些要素，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。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本发明的描述中，还需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示的一种大功率短路保护与恢复系统，该系统包括由主电路、隔离驱动电路、短路保护和恢复控制电路、差分采样电路以及单片机控制电路依次连接构成的回路。所述主电路的输入/输出端分别连接大功率直流电源输出端和负载，主电路电流回路上串联采样电阻Rs，采样电阻Rs两端连接差分采样电路，差分采样电路输出侧连接短路保护和恢复控制电路，短路保护和恢复控制电路连接隔离驱动电路，隔离驱动电路连接主电路的MOS管Q1。主电路MOS管Q1的导通和关断由负载侧电流是否达到短路保护值决定，短路判断过程中几乎没有延时环节，能快速断开短路电流。短路保护和恢复控制电路同时具备负载短路时快速切断负载与大功率直流电源的连接和故障恢复后的缓起功能。主电路位于大功率直流输出电源输出端和负载之间，具备快速短路保护与恢复功能。隔离驱动电路的作用是：开通/关断主功率开关管，且隔离主电路与控制电路。短路保护和恢复控制电路的作用是：大功率直流输出电源输出端在负载短路时起到短路保护和恢复作用。差分采样电路的作用是：检测大功率直流输出电源输出端的输出电流。单片机控制电路的作用是：大功率直流开关电源接入大容量容性负载的缓起时间可调。差分采样电路和单片机控制电路可以采用现有技术实现。

在本实施例中，主电路采用了电力电子学中常见的buck型变换器电路结构，但其工作原理和buck变换器有本质区别。例如：正常工作时MOS并不是处于斩波状态，而是常开(导通)或常关(断开)状态；主电路电感并不是用于滤波，而是起限流作用。该电路处于保护对象即大功率直流输出电源和负载之间，MOS管处于常开或常关状态，MOS损耗仅仅为导通损耗，损耗很小。具体地说，主电路包括输入电容Cin、MOS管Q1、采样电阻Rs、限流电感Lf、二极管D1和输出电容Cout。当MOS管Q1常开(即导通)时，主电路如图2所示。由于MOS管Q1导通时，其特性类似于其内阻Rdson串联在电路中，所以在图2中可用Rdson代替MOS管Q1所在位置。MOS管Q1导通，电阻Rdson一般十几毫欧，采样电阻采用1毫欧贴片电阻，图2所示短路保护及恢复主电路的损耗基本上就是这两个电阻上的损耗Io²*(Rdson+Rs)，损耗较小。当MOS管Q1常关(即断开)时，主电路如图3所示。此时负载短路，但由于MOS管Q1断开导致大功率直流开关电源与负载的连接断开，负载短路大电流不流经大功率直流开关电源，而是与限流电感Lf、二极管D1形成回路，从而保护了大功率直流开关电源。所述限流电感Lf，起到限流的作用，用于减少负载短路大电流对大功率直流开关电源的影响。

如图4所示，为了适应不同应用场合，采用单片机控制电路进行控制。单片机控制电路输出短路基准电平到比较器U1的同相端，比较器U1的反相端电平为Io1＝Io*k*Rs，式中k为差分采样电路增益；当实际负载电流达到单片机设置的短路基准电平时，比较器U1输出低电平，此时开关二极管D2导通，隔离驱动电路输出为低电平，从而关闭MOS管，整个过程几乎没有延时环节，可以迅速在负载出现短路大电流时断开大功率直流开关电源与负载的连接，从而保护大功率直流开关电源。关断MOS时刻为图5所示的t1时刻。

如图4所示，大功率短路保护与恢复系统还包括上拉电阻R2；所述电阻R2的第一端与所述比较器U1的输出端相连，所述电阻R2的第二端经供电电压为+5V电压的电源接地。R2是上拉电阻，该电阻用于将一个不确定的信号通过预先钳位在高电平。图4中与上拉电阻R2串联的元件表示供电电压为+5V电压的电源，即R2通过+5V上拉。

如图5所示，负载短路关闭主电路MOS管Q1导致大功率直流开关电源与负载的连接断开，从而流经采样电阻Rs电流为零，比较器U1输出电平为高电平，开关二极管D2截止，由R1与C1构成的延时电路使得MOS管Q1在图5所示t2时刻才重新导通，从而避免了MOS管Q1在短路电流保护点附近频繁导通与关断，提高了MOS管可靠性。而且，比较器U1输出电平由低电平转变为高电平时，电容C1电容端电压持续增加并通过隔离驱动电路连接到MOS管Q1栅极，从而使MOS管Q1的电流逐渐增加到额定值，这是短路恢复后的缓起过程，缓起的时间长短由R1*C1决定。

如图6所示，当大功率直流开关电源上电后首次输出能量到负载，特别是大容量电容性负载时，相当于负载短路。为了保护大功率直流开关电源内部元器件不超过其电流应力，在上电启动时，可由单片机控制电路给出缓加的短路保护电流基准信号Iref，以限制大功率直流开关电源最大输出电流。图6中t1～t3时间段长度可由单片机控制，到t3时刻单片机控制电路给出的短路保护电流基准信号Iref达到额定短路设定值，此时如果负载没有短路故障则实际负载电流低于短路保护电流基准值，短路保护和恢复控制电路中的比较器输出为高电平，MOS管Q1导通，大功率直流开关电源输出能量到负载。

如图7所示，单片机控制电路输出使能信号EN连接到MOS管Q2栅极。当使能信号EN为低电平时，切入本发明所述短路保护及恢复电路，使大功率直流电源通过此电路连接到负载；当使能信号EN为高电平时，MOS管Q2导通，拉低电容C1的电容电压，隔离驱动电路输出为低电平，从而关闭MOS管Q1，断开直流电源通与负载的连接。

上述大功率短路保护与恢复系统的工作方法为：

S1：计算短路保护电流点，并由此确定差分采样电路比例增益和采样电阻Rs参数；

S2：差分采样电路输出端、单片机给出的短路保护电流基准信号和单片机给出的使能信号同时接到短路保护和恢复控制电路输入侧，其中单片机给出使能信号控制此大功率短路保护及恢复电路的切入时刻，切入时大功率直流电源通过此电路连接到负载；

S3：短路保护和恢复控制电路判断单片机发出的使能信号，若禁止则断开大功率直流输出电源和负载的连接；若使能，则判断是否进入快速短路保护或缓起恢复阶段；

S4：短路保护和恢复控制电路的输出直接控制主电路MOS的开/关状态，MOS常开则大功率直流输出电源通过此短路保护及恢复电路和负载连接，若MOS关断则断开两者的连接。

综上所述，本发明提供了一种大功率短路保护与恢复电路，其核心控制电路仅仅由一个比较器、一个开关二极管和一个RC电路组成，控制和驱动电路简单，主电路功率元器件少，在一定程度上加快了设计和调试进程，降低了设计难度。本发明描述的是一个为了方便解决不同场合大功率电源的短路问题，发明了一个电路简单且损耗小的短路保护电路。该电路位于大功率直流输出电源输出端和负载之间，具备快速短路保护与恢复功能；该电路的开关器件MOS管处于常开或常关状态，常开时使大功率直流电源输出端接至负载，MOS管只有导通损耗，损耗很小；另外，在负载短路时快速切断负载与大功率直流电源的连接，此时MOS管处于关断状态。

以上所述实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大功率短路保护与恢复系统，其特征在于，该系统包括：主电路、差分采样电路、短路保护与恢复控制电路、隔离驱动电路和单片机控制电路；

所述主电路包括输入电容Cin、MOS管Q1、采样电阻Rs、限流电感Lf、二极管D1和输出电容Cout；所述输入电容Cin的两端分别连接大功率直流电源的正极输出端与负极输出端；所述输入电容Cin的第一端与所述二极管D1的阴极相连，所述输入电容Cin的第二端经所述采样电阻Rs与所述MOS管Q1的源极相连；所述MOS管Q1的栅极与所述隔离驱动电路相连，所述MOS管Q1的漏极与所述限流电感Lf的第一端相连；所述限流电感Lf的第二端与负载的第一端相连；所述负载的第二端与所述二极管D1的阴极相连；所述二极管的阳极与所述MOS管Q1的漏极相连；所述输出电容Cout的两端分别与所述二极管D1的阴极、所述限流电感Lf的第二端相连；

所述差分采样电路的输入端连接在所述采样电阻Rs的两端，所述差分采样电路的输出端与所述短路保护与恢复控制电路的输入端相连；

所述短路保护与恢复控制电路的输出端与所述隔离驱动电路的输入端相连；所述隔离驱动电路的输出端与所述MOS管Q1的栅极相连；所述单片机控制电路的输出端与所述短路保护与恢复控制电路的输入端相连；

所述短路保护与恢复控制电路，用于在负载短路时快速切断负载与大功率直流电源的连接和故障恢复后的缓起。

2.根据权利要求1所述的大功率短路保护与恢复系统，其特征在于，

所述短路保护与恢复控制电路包括比较器U1、二极管D2、电阻R1和电容C1；

所述比较器的同相输入端与所述单片机控制电路的输出端相连，所述比较器的反相输入端与所述差分采样电路的输出端相连，所述比较器的输出端与所述电阻R1的第一端相连；所述电阻R1的第二端与所述电容C1的第一端相连；所述电容C1的第二端接地；所述电容C1的第一端与所述隔离驱动电路的输入端相连；所述二极管D2的阳极与所述电阻R1的第二端相连，所述二极管D2的阴极与所述电阻R1的第一端相连。

3.根据权利要求2所述的大功率短路保护与恢复系统，其特征在于，

所述单片机控制电路的使能信号输出端连接有MOS管Q2；所述MOS管Q2的栅极与所述单片机控制电路的使能信号输出端相连；所述MOS管Q2的源极与所述电阻R1的第二端相连；所述MOS管Q2的漏极接地。

4.根据权利要求1所述的大功率短路保护与恢复系统，其特征在于，

所述隔离驱动电路采用驱动电流峰值为4A、隔离电压为3kV以上的隔离驱动芯片_；

所述驱动芯片的型号为Si8235AB。

5.根据权利要求1所述的大功率短路保护与恢复系统，其特征在于，

所述单片机控制电路，用于控制所述短路保护与恢复控制电路的切入时刻。

6.根据权利要求2所述的大功率短路保护与恢复系统，其特征在于，

该系统还包括上拉电阻R2；

所述电阻R2的第一端与所述比较器U1的输出端相连，所述电阻R2的第二端经供电电压为+5V电压的电源接地。

7.根据权利要求1所述的大功率短路保护与恢复系统，其特征在于，

负载正常工作时，所述MOS管Q1为常开或常关状态。

8.根据权利要求1所述的大功率短路保护与恢复系统，其特征在于，

所述限流电感Lf，用于限流。

9.根据权利要求2所述的大功率短路保护与恢复系统，其特征在于，

所述MOS管Q1和所述MOS管Q2均采用NMOS管。

10.一种根据权利要求1～9任意一项所述的大功率短路保护和恢复系统的工作方法，其特征在于，该方法包括：

S1、计算短路保护电流点，并由此确定差分采样电路比例增益和采样电阻Rs参数；

S2、差分采样电路输出端、单片机控制电路给出的短路保护电流基准信号和单片机控制电路给出的使能信号同时接到短路保护与恢复控制电路输入侧，其中单片机控制电路给出使能信号控制此大功率短路保护及恢复电路的切入时刻，切入时大功率直流电源通过此电路连接到负载；

S3、短路保护和恢复控制电路判断单片机控制电路发出的使能信号，若禁止，则断开大功率直流输出电源和负载的连接；若使能，则由短路保护和恢复控制电路判断是否进入快速短路保护或缓起恢复阶段；

S4、短路保护和恢复控制电路的输出直接控制MOS管Q1的开关状态，MOS管Q1常开，则大功率直流输出电源通过所述短路保护和恢复控制电路与负载连接，若MOS管Q1关断，则断开所述短路保护和恢复控制电路与负载的连接。