CN203368016U

CN203368016U - 一种过载限流保护电路

Info

Publication number: CN203368016U
Application number: CN 201320441388
Authority: CN
Inventors: 朱勇平; 陈恒留
Original assignee: SHENZHEN JINGFUYUAN TECH Co Ltd
Current assignee: SHENZHEN JINGFUYUAN TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2023-07-23

Abstract

本实用新型公开了一种过载限流保护电路，包括功率管、向功率管发出PWM控制脉冲的PWM控制芯片、连接PWM控制芯片的控制电路、连接控制电路的输出电流反馈模块和基准电压反馈模块、以及电源模块，控制电路通过调节PWM控制芯片的脉冲占空比来控制输出电流，将输出电流划分为三个层次分别控制：对处于额定电流以下的，稳定当前输出电流；对处于额定电流至过载上限电流之间的，延时维持一段时间输出当前电流，而后降低到额定电流；对超出过载上限电流的，延时输出一段时间的过载上限电流，而后降低到额定电流。藉此满足感性负载短时过载需求，对系统提供了有效的保护；同时本电路具有结构简单，动态响应快，可靠性高的优点。

Description

一种过载限流保护电路

技术领域

本实用新型涉及保护电路，尤其涉及一种在电路启动中提供短时间大的启动电流，启动过后恢复额定电流的保护电路。

背景技术

目前电力电子系统中，尤其在大功率电源中，为了使系统稳定可靠，都会加入过流保护、过载限流及短路保护等保护措施。但一些感性负载不同于其它电力电子设备，有时它需要极大的工作电流，出现大电流时保护电路要有较强的过载能力，不能马上保护断电，还要继续向负载供电。这种大工作电流持续的时间一般较短，等躲过短暂的大电流后，保护电路恢复平常的保护状态。比如一些负载为电机，电机就是一种感性负载，当电机启动时，瞬间需要很大的电流，启动之后电流比较小。在我们生活看到常见的一些负载，比如说电梯，地铁屏蔽门等，这些都是感性负载，当屏蔽门开门时，需要大电流来驱动，同样关门时也需要大电流来驱动，而且在开关门时容易过载，时间也要求过载能维持1S左右，系统也不能保护，这样要求电力电子系统的可靠性，稳定性非常高。

目前,大部分电力电子设备中都是采用过流后保护、逐波限流、过载限流和短路保护，而不能满足部分感性负载这种特殊要求，业内亟需研发一种保护电路能维持一定的过载时间后再限流，并且具有动态响应快和高可靠性。

实用新型内容

本实用新型是要解决现有限流保护电路不能满足部分感性负荷过载的问题，存在可靠性和稳定性偏低的缺陷，提供一种可以短时间过载后电流限制到额定电流的保护电路。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案是设计一种过载限流保护电路，包括向负载耦合输出电流的功率管、向功率管控制端发出PWM控制脉冲的PWM控制芯片、连接PWM控制芯片的控制端用以调节所述PWM控制脉冲占空比的控制电路、连接控制电路的电流信号输入端用以向其反馈所述输出电流的输出电流反馈模块、连接控制电路的基准电压信号输入端用以向其提供基准电压信号的基准电压反馈模块，连接控制电路电源端用以向其供电的电源模块，其特征在于：所述控制电路包括第一至第二比较器和第一至第二运算放大器，其中第一比较器的反相输入端连接第九十九电阻和第五十七电容的一端，第九十九电阻的另一端连接电流信号输入端，第五十七电容的另一端接地，第一比较器的同相输入端连接第九十五电阻、第一百零二电阻、第九十三电阻的一端，第九十五电阻的另一端接电源端，第一百零二电阻的另一端接地，第九十三电阻的另一端接第九十四电阻、第九十八电阻、第一百零一电阻的一端和第一比较器的输出端，第九十四电阻的另一端接电源端，第一百零一电阻的另一端接第七二极管的阴极，第九十八电阻的另一端接第五十八电容的一端和第七二极管的阴极以及第二比较器的同相输入端，第五十八电容的另一端接地，第二比较器的反相输入端接第九十六电阻和第一百零三电阻的一端，第九十六电阻的另一端接电源端，第一百零三电阻的另一端地，第二比较器的输出端接第一百电阻的一端，第一百电阻的另一端接第九十七电阻、第五十五电容的一端和第一运算放大器的同相输入端，第九十七电阻的另一端接基准电压信号输入端，第五十五电容的另一端接地，第一运算放大器的反相输入端接第一运算放大器的输出端和第九十一电阻的一端，第九十一电阻的另一端接第四十六电容和第八十二电阻的一端以及第二运算放大器的同相输入端，第四十六电容和第八十二电阻的另一端接地，第二运算放大器的反相输入端接第八十七电阻、第八十八电阻和第五十一电容的一端，第八十七电阻的另一端接电流信号输入端，第八十八电阻的另一端接第四十九电容的一端，第五十一电容的另一端接第四十九电容的另一端、第二运算放大器的输出端和第四二极管的阴极，第四二极管的阳极接PWM控制芯片控制端。

所述基准电压反馈模块包括AT89C51ED2型号单片机，其输入端耦合连接输出电流，将正比于输出电流大小的电压信号送至所述基准电压信号输入端。

所述PWM控制芯片采用UCC3895DW移相全桥PWM控制芯片，其第二管脚作为所述PWM控制芯片控制端。

所述第一和第二比较器采用LM2903型比较器。

所述第一至第二运算放大器采用LM2904型运算放大器。

与现有技术相比，本实用新型运行负载短时间过载，在短暂的时间内向负载提供大电流，过后电流恢复限制到额定电流，能充分满足感性负载过载需求；同时本电路具有结构简单，动态响应快，可靠性高的优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作出详细的说明，其中：

图1为本实用新型较佳实施例的原理框图；

图2为本实用新型较佳实施例的电路图；

图3为输出电流处于额定电流以下时的控制流程；

图4为输出电流处于额定电流至过载上限电流之间时的控制流程；

图5为输出电流超出过载上限电流时的控制流程。

具体实施方式

本实用新型揭示了一种过载限流保护电路，参看图1示出的原理框图，其包括向负载耦合输出电流的功率管、向功率管控制端发出PWM控制脉冲的PWM控制芯片、连接PWM控制芯片的控制端用以调节所述PWM控制脉冲占空比的控制电路、连接控制电路的电流信号输入端用以向其反馈所述输出电流的输出电流反馈模块、连接控制电路的基准电压信号输入端用以向其提供基准电压信号的基准电压反馈模块，连接控制电路电源端用以向其供电的电源模块。控制电路通过调节PWM控制芯片的脉冲占空比来控制输出电流，将输出电流划分为三个层次分别控制：对处于额定电流以下的，稳定当前输出电流；对处于额定电流至过载上限电流之间的，延时维持一段时间输出当前电流，而后降低到额定电流；对超出过载上限电流的，延时输出一段时间的过载上限电流，而后降低到额定电流。藉此满足感性负载短时过载需求，对系统提供了有效的保护。

参看图2示出的较佳实施例的电路图，所述控制电路包括第一至第二比较器和第一至第二运算放大器，其中第一比较器U16-A的反相输入端连接第九十九电阻R99和第五十七电容C57的一端，第九十九电阻R99的另一端连接电流信号输入端IOUT，第五十七电容C57的另一端接地，第一比较器U16-A的同相输入端连接第九十五电阻R95、第一百零二电阻R102、第九十三电阻R93的一端，第九十五电阻R95的另一端接电源端VREF，第一百零二电阻R102的另一端接地，第九十三电阻R93的另一端接第九十四电阻R94、第九十八电阻R98、第一百零一电阻R101的一端和第一比较器U16-A的输出端，第九十四电阻R94的另一端接电源端VREF，第一百零一电阻R101的另一端接第七二极管D7的阴极，第九十八电阻R98的另一端接第五十八电容C58的一端和第七二极管D7的阴极以及第二比较器U16-B的同相输入端，第五十八电容C58的另一端接地，第二比较器U16-B的反相输入端接第九十六电阻R96和第一百零三电阻R103的一端，第九十六电阻R96的另一端接电源端VREF，第一百零三电阻R103的另一端地，第二比较器U16-B的输出端接第一百电阻R100的一端，第一百电阻R100的另一端接第九十七R97电阻、第五十五电容C55的一端和第一运算放大器U15-B的同相输入端，第九十七电阻R97的另一端接基准电压信号输入端IADJ，第五十五电容C55的另一端接地，第一运算放大器U15-B的反相输入端接第一运算放大器U15-B的输出端和第九十一电阻R91的一端，第九十一电阻R91的另一端接第四十六电容C46和第八十二电阻R82的一端以及第二运算放大器U15-A的同相输入端，第四十六电容C46和第八十二电阻R82的另一端接地，第二运算放大器U15-A的反相输入端接第八十七电阻R87、第八十八电阻R88和第五十一电容C51的一端，第八十七电阻R87的另一端接电流信号输入端IOUT，第八十八电阻R88的另一端接第四十九电容C49的一端，第五十一电容C51的另一端接第四十九电容C49的另一端、第二运算放大器U15-A的输出端和第四二极管D4的阴极，第四二极管D4的阳极接PWM控制芯片控制端。

在较佳实施例中，基准电压反馈模块包括AT89C51ED2型号单片机，其输入端耦合连接输出电流，通过电流采样信号，按98.02mV/A的对应关系正比得出对应输出电流大小的电压信号IADJ（量程为0.02V～4.98V），并送至所述基准电压信号输入端。

在较佳实施例中，PWM控制芯片采用UCC3895DW移相全桥PWM控制芯片，其第二管脚作为所述PWM控制芯片控制端。控制电路改变第二管脚EAOUT的电平高低，PWM控制芯片会改变PWM控制脉冲的占空比，即控制了功率管（在大多数电源里都采用IGBT）的导通和截止时间比，从而控制了输出电流的大小。

在较佳实施例中，第一和第二比较器采用LM2903型比较器。第一至第二运算放大器采用LM2904型运算放大器。

下面结合图2对本专利进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利，并不用于限定本专利。较佳实施例以一个3KW的移相全桥电路为例，输出为20A/110VDC。

UCC3895DW是移相全桥PWM控制芯片，LM2904是运放放大器，U15-A单元在这里是一个误差放大器,3脚作误差放大器的基准，2脚是电流采样，R88,C49,C51组成电流反馈补偿,1脚为误差放大器的输出，U15-B是一个电压跟随器，LM2903两单元都是比较器。信号IADJ是AT89C51ED2单片机，通过电流采样信号计算给出的基准，可设置输出的对应的关系是98.02mV/A,量程0.02V～4.98V,IOUT是输出电流采样信号,输出的对应的关系是66mV/A。VREF接电源模块，电压幅值为5V，给比较器和PWM控制芯片供电的VCC1为12V,给运算放大器供电的VCC2为5V。控制电路将输出电流划分为三个层次分别控制：

1)当输出电流小于额定电流（20A）时：

参看图3，此时IOUT信号电压小于66mV/A*20.4A=1.346V,所以第一比较器U16-A的1脚为高电平4.98V,经过R98、C58充电到第二比较器U16-B的5脚得到4.98V,充电时间t1=R98*C58,而U16-B的6脚电压为VREF*R103/(R96+R103)=3.3V，此时的U16-B的7脚悬空，那么U15-B的5脚电压为98.02mV/A*20.4A=1.99V,经第一运算放大器U15-B构成的电压跟随器后由R91和R82分压得到1.99*R98/(R98+R82)=1.346V，使得第二运算放大器U15-A的1脚基准电压为0～1.346，对应的电流负载0～20.4A，而U15-A的2脚也是随着负载0～20.4A，对应2脚的电压为0～1.346V，经过U15-A组成的误差放大器使得输出电流从0到20.4A之间稳定地输出。即当输出电流小于20A时，输出电流可从0～20A稳定输出。

2）当输出电流处于额定电流至过载上限电流之间（20～50A）时：

参看图4，此时IOUT信号电压大于66mV/A*20.4A=1.346V，所以比较器U16-A的1脚为低电平0.2V,而U16-B的5脚电压由4.98V经R98,R101,C58放电过程，当U16-B的5脚电压放电到6脚的3.3V时，比较器U16-B要发生翻转，此时U16-B的7脚输出低电平0.2V，放电时间t2=1.96s,

t 2 : = \frac{R 98 \cdot R 101}{R 98 + R 101} \cdot C 58 \cdot \ln (\frac{5}{3.3}) = 1.96 s

而在这1.96s放电过程中，U15-A的3脚电压基准是:98.02mV/A*(20A～50A)/(R91+R82)=1.346V～3.3V，另外输出电流采样IOUT电压为(20.4A～50A)*66mV/A=1.346V～3.3V,所以在这放1.96s放电时间里，输出电流经过误差放大器使得输出电流从20A到50A之间稳定地输出。当放电到比较器翻转后，比较器U16-B的7脚输出低电平0.2V，此时U15-A的3脚基准电压降到（20A～50A）*98.02mV/A*[R100/(R100+R97)]*[R82/(R82+R91)]=0.523V～1.32V,也是说小于20A对应的基准电压1.32V,此时输出电流将减小，当输出电流减小到20A时，比较器U16-A的输出1脚翻转置高，又给U16-B的5脚充电，当充到5脚电压大于3.3V时，比较器U16-B输出7脚发生翻转悬空，U15-A的3脚基准又升高到大于20A对应的1.32V,那么输出电流增加到20A,这样反复循环，让输出电流维持到20A,达到限流功能。即当输出电流20～50A时，输出恒流20～50A可以维持1.96s,然后输出限流到20A恒流。

3）当输出电流超出过载上限电流（50A）时：

参看图4，此时IOUT信号电压大于66mV/A*50A=3.3V，所以比较器U16-A的1脚为低电平0.2V,而U16-B的5脚电压由4.98V经R98,R101,C58放电过程，当U16-B的5脚电压放电到6脚的3.3V时，比较器U16-B要发生翻转，此时U16-B的7脚输出低电平0.2V，放电时间t2=1.96s,

t 2 : = \frac{R 98 \cdot R 101}{R 98 + R 101} \cdot C 58 \cdot \ln (\frac{5}{3.3}) = 1.96 s

而在这1.96s放电过程中，IADJ=98.02mV*50A=4.98V,而IADJ的量程最大为4.98V，达到饱和了，所以U15-A的3脚电压基准4.98/(R91+R82)=3.3V，另外输出电流采样IOUT电压为50A*66mV/A=3.3V,所以在这放1.96s放电时间里，输出电流经过误差放大器使得输出电流维持在50A稳定地输出。当放电到比较器翻转后，比较器U16-B的7脚输出低电平0.2V，此时U15-A的3脚基准电压降到:4.98V*[R100/(R100+R97)]*[R82/(R82+R91)]=1.32V,也是说20A对应的基准电压1.32V,此时输出电流从50A将减小到20A,由于U15-A的3脚基准正好是20A对应的1.32V,所以输出电流会维持到20A,达到限流功能。即当输出电流大于50A时，输出恒流50A可以维持1.96s,然后输出限流到20A恒流。

以上实施例仅为举例说明，非起限制作用。任何未脱离本申请精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本申请的权利要求范围之中。

Claims

1.一种过载限流保护电路，包括向负载耦合输出电流的功率管、向功率管控制端发出PWM控制脉冲的PWM控制芯片、连接PWM控制芯片的控制端用以调节所述PWM控制脉冲占空比的控制电路、连接控制电路的电流信号输入端用以向其反馈所述输出电流的输出电流反馈模块、连接控制电路的基准电压信号输入端用以向其提供基准电压信号的基准电压反馈模块，连接控制电路电源端用以向其供电的电源模块，其特征在于：所述控制电路包括第一至第二比较器和第一至第二运算放大器，其中

第一比较器的反相输入端连接第九十九电阻和第五十七电容的一端，第九十九电阻的另一端连接电流信号输入端，第五十七电容的另一端接地，第一比较器的同相输入端连接第九十五电阻、第一百零二电阻、第九十三电阻的一端，第九十五电阻的另一端接电源端，第一百零二电阻的另一端接地，第九十三电阻的另一端接第九十四电阻、第九十八电阻、第一百零一电阻的一端和第一比较器的输出端，第九十四电阻的另一端接电源端，第一百零一电阻的另一端接第七二极管的阴极，第九十八电阻的另一端接第五十八电容的一端和第七二极管的阴极以及第二比较器的同相输入端，第五十八电容的另一端接地，第二比较器的反相输入端接第九十六电阻和第一百零三电阻的一端，第九十六电阻的另一端接电源端，第一百零三电阻的另一端地，第二比较器的输出端接第一百电阻的一端，第一百电阻的另一端接第九十七电阻、第五十五电容的一端和第一运算放大器的同相输入端，第九十七电阻的另一端接基准电压信号输入端，第五十五电容的另一端接地，第一运算放大器的反相输入端接第一运算放大器的输出端和第九十一电阻的一端，第九十一电阻的另一端接第四十六电容和第八十二电阻的一端以及第二运算放大器的同相输入端，第四十六电容和第八十二电阻的另一端接地，第二运算放大器的反相输入端接第八十七电阻、第八十八电阻和第五十一电容的一端，第八十七电阻的另一端接电流信号输入端，第八十八电阻的另一端接第四十九电容的一端，第五十一电容的另一端接第四十九电容的另一端、第二运算放大器的输出端和第四二极管的阴极，第四二极管的阳极接PWM控制芯片控制端。

2.如权利要求1所述的过载限流保护电路，其特征在于：所述基准电压反馈模块包括AT89C51ED2型号单片机，其输入端耦合连接输出电流，将正比于输出电流大小的电压信号送至所述基准电压信号输入端。

3.如权利要求1所述的过载限流保护电路，其特征在于：所述PWM控制芯片采用UCC3895DW移相全桥PWM控制芯片，其第二管脚作为所述PWM控制芯片控制端。

4.如权利要求1所述的过载限流保护电路，其特征在于：所述第一和第二比较器采用LM2903型比较器。

5.如权利要求1所述的过载限流保护电路，其特征在于：所述第一至第二运算放大器采用LM2904型运算放大器。