CN209088518U - 一种用于双向电流输出的硬件过流保护系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于双向电流输出的硬件过流保护系统，其通过调制模块的输入端连接外部输入电流，调制模块的输出端连接采样模块的输入端和控制开关的输入端，采样模块的输出端连接主控模块的输入端，主控模块的第一输出端连接控制开关的控制端，控制开关的输出端用于电流输出，采样模块通过采集调制模块的输入端的电流信号得到第一电流信号，并将第一电流信号反相得到第二电流信号；主控模块包括比较器和选通模块，第一电流信号和第二电流信号连接选通模块后连接比较器的第一输入端，比较器的第二输入端连接预设的参考电压V_ref，比较器的第一输入端电压高于预设的参考电压V_ref时，主控模块通过第一输出端输出第一控制信号关闭控制开关以实现双向电流输出的硬件过流保护。

Description

一种用于双向电流输出的硬件过流保护系统

技术领域

本实用新型属于电流监控领域，具体涉及一种用于双向电流输出的硬件过流保护系统。

背景技术

目前，新一代绿色节能环保的电源仪器设备或工业电子产品具有双向输出功能，譬如回馈式电子负载，高压直流源，电池化成分容设备。这些电子设备需要控制输出端的电流，而这个电流信号工作在不同模式下可能方向相反。为防止大电流损坏设备，电子设备会利用软件或硬件设置过流。

一般来说，软件过流保护是采样电流信号并进行软件分析，为防止误触发影响性能增加滤波功能，但存在反应时间过长不能及时有效保护；硬件过流保护是只要检测到过流保护信号就能及时进行相应的操作得到保护，反应时间很短能够有效保护电子设备，因此，具备双向输出功能的电子设备来说选择硬件过流保护这种方式。

图1为现有技术的硬件过流保护方法的示意图。如图1所示，传统的双向输出功能的电子设备的硬件过流保护是通过运放采集采样电阻两端的电压，并设置有一个输出的偏置电压V_g使得电流采样输出电压始终为正电压，即电流采样线路在第三个运算放大器的正向输入端上设置有偏置电压V_g，其采样电压范围为：负方向为0-V_g和正方向为V_g-V_cc(微控制单元MCU供电电压)，使得输出电流为0时对应的Is电压为V_g,负向最大输出电流对应的I_s＝V_g+(-电流)*采样电阻*采样增益,正向最大输出电流对应的I_s＝V_g+电流*采样电阻*采样增益。从而检测到Is电压在大于V_reg电压小于V_ref电压的范围内时，比较器输出的OCP_I信号为低电平，当正向电流大于目标值即I_s电压高于V_ref时，比较器输出的OCP_I信号为高电平。微控制单元MCU需要通过两个IO引脚检测正负电流的过流保护信号，利用两组比较器比较输出正电流方向过流保护信号和负电流方向过流保护信号，然而这种方式对于双向精密设备而言，其负方向电流采样电压范围为0-V_g，正方向电流采样电压范围为V_g-V_cc，因而，该硬件过流保护方法可检测的电流范围为精度偏小，保护信号检测引脚需要两组。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种用于双向电流输出的硬件过流保护系统，其通过采样获取第一电流信号，并将第一电流信号反相后得到第二电流信号，提供将第一电流信号和第二电流信号经过一个选通模块得到的电压与预设的参考电压V_ref比较，第一电流信号和第二电流信号分别经过一个二极管再并联的电压大于预设的参考电压V_ref时，输出第一控制信号关闭第一电流信号的输出以实现双向电流输出的硬件过流保护。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种用于双向电流输出的硬件过流保护系统，该系统包括调制模块、采样模块、主控模块及控制开关，调制模块的输入端连接外部输入电流，调制模块的输出端连接采样模块的输入端和控制开关的输入端，采样模块的输出端连接主控模块的输入端，主控模块的第一输出端连接控制开关的控制端，控制开关的输出端用于电流输出，

采样模块通过采集调制模块的输入端的电流信号得到第一电流信号，并将第一电流信号反相得到第二电流信号；

主控模块包括比较器和选通模块，第一电流信号和第二电流信号通过选通模块后连接比较器的第一输入端，比较器的第二输入端连接预设的参考电压V_ref，比较器的第一输入端电压高于预设的参考电压V_ref时，主控模块通过第一输出端输出第一控制信号关闭控制开关以实现双向电流输出的硬件过流保护。

作为本实用新型的进一步改进，选通模块包含两个二极管，第一电流信号和第二电流信号分别连接一个二极管再并联输出。

作为本实用新型的进一步改进，采样模块依据差动差分采样第一电流信号。

作为本实用新型的进一步改进，采样模块采样模块包括采样电阻、反相模块和AD芯片，采样电阻的输入端连接调制模块的输出端，采样电阻的输出端分别连接反相模块、AD采样芯片和比较器。

作为本实用新型的进一步改进，采样模块通过运放反相电路将第一电流信号反相为第二电流信号。

作为本实用新型的进一步改进，主控模块还设置有第二输出端连接调制模块的控制端，主控模块用于依据采样的第一电流信号输出相应的PWM信号控制调制模块以实现第一电流信号依据预设的标准输出。

作为本实用新型的进一步改进，比较器的第一输入端电压高于预设的参考电压V_ref时，主控模块通过第二输出端输出第二控制信号关闭PWM信号驱动。

作为本实用新型的进一步改进，预设的参考电压V_ref依据待输入设备的最大输出电流计算。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本实用新型的一种用于双向电流输出的硬件过流保护系统，其通过采样获取第一电流信号，并将第一电流信号反相后得到第二电流信号，提供将第一电流信号和第二电流信号分别经过一个二极管再得到的电压与预设的参考电压V_ref比较，第一电流信号和第二电流信号分别经过一个二极管再并联的电压大于预设的参考电压V_ref时，输出第一控制信号关闭第一电流信号的输出以实现双向电流输出的硬件过流保护，因而，对于双向设备而言，本实用新型的系统在双向设备的电流输入输出时都能够及时产生过流保护信号。

本实用新型的一种用于双向电流输出的硬件过流保护系统，相较于传统硬件保护线路，主控模块上只需要1个接口作为过流保护监测引脚，而现有技术的方案需要将I_s放大比率减小到现有一半，因此，本实用新型的方法及系统相比现有技术的方案精度放大一倍，因而，本实用新型的系统最大保证了I_s信号精度。

本实用新型的一种用于双向电流输出的硬件过流保护系统，相较于传统硬件保护线路，相比于现有技术的方案需要三个参考电压即“零电流对应的电压V_g，正向电流过流保护参考电压V_ref，负向电流参考电压V_reg”，而本系统的主控模块只需要参考1个过流保护参考电压V_ref即可实现，从而本系统的主控模块的运算简单功耗小。

附图说明

图1为现有技术的硬件过流保护方法的示意图；

图2为本实用新型实施例的一种用于双向电流输出的硬件过流保护系统的结构示意图；

图3为本实用新型实施例的一种用于双向电流输出的硬件过流保护系统的电路示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本实用新型进一步详细说明。

图2为本实用新型实施例的一种用于双向电流输出的硬件过流保护系统的结构示意图。如图2所示，该系统包括调制模块、采样模块、主控模块及控制开关，调制模块的输入端连接外部输入电流，调制模块的输出端连接采样模块的输入端和控制开关的输入端，采样模块的输出端连接主控模块的输入端，主控模块的第一输出端连接控制开关的控制端，控制开关的输出端用于电流输出，其中，

采样模块通过采集调制模块的输入端的电流信号得到第一电流信号，并将采集调制模块的输入端的电流信号反相得到第二电流信号；

主控模块设置有比较器，第一电流信号和第二电流信号连接选通模块连接比较器的第一输入端，比较器的第二输入端连接预设的参考电压V_ref，比较器的第一输入端电压高于预设的参考电压V_ref时，主控模块通过第一输出端输出第一控制信号关闭控制开关以实现双向电流输出的硬件过流保护。主控模块还设置有第二输出端连接调制模块的控制端，主控模块用于依据采样的第一电流信号输出相应的PWM信号控制调制模块以实现第一电流信号依据预设的标准输出。

作为一个优选的实施例，选通模块包含两个二极管，第一电流信号和第二电流信号分别连接一个二极管再并联输出。当然，本领域的技术人员可以知晓上述实施例仅为优选，选通模块可以依据需要修改为MOS管或三极管导通的方式以实现第一电流信号和第二电流信号中选择高电平的信号输出，也可以选择合适的连接方式以实现第一电流信号和第二电流信号中选择低电平的信号输出，并通过比较器比较后低于预设的参考电压时关闭第一电流信号的输出以实现双向电流输出的硬件过流保护。

采样模块包括采样电阻、反相模块和AD芯片，采样电阻的输入端连接调制模块的输出端，采样电阻的输出端分别连接反相模块、AD采样芯片和比较器，采样模块采用差动差分采样第一电流信号。调制模块的输出电流通过采样电阻产生第一电流信号即为电流采样电压，第一电流信号通过反相模块的双电源供电远方线路输出采样电压I_s，I_s电压与流经采样电阻两端电流方向有关，可能为正也可以为负。反相模块通过运放反相电路产生第二电流信号即为-I_s信号，-I_s信号通过二极管送到比较器输入端，只有正电压才导通，负电压截止，I_s电压和-I_s信号并联后的电压与另一端的参考电压V_ref进行比较，高于设定电压值时，比较器输出端电压跳变，与其相连的主控模块捕捉到变化关闭PWM驱动和输出开关驱动，从而起到过流保护作用。AD采样芯片将第一电流信号转换为数字电平信号送给主控模块进行精确采样计算，输出PWM信号控制调制模块的输出。

V_ref电压的设置是根据最大输出电流计算的，既要保证设备在规格内最大电流(正电流和反电流)正常工作，又要保证设备异常电流也不能损害。其中，第一电流信号的电压I_s最大值计算方法优先为：输入/输出最大电流Io的1.15倍(留有裕量，防止由于采样电阻或者采样线路的误差导致的误触发)乘以采样电阻再乘以采样电路的增益倍数，预设的参考电压V_ref即为I_s最大值减去二极管的导通压降(硅管0.7V，锗管0.3V)。

图3为本实用新型实施例的一种用于双向电流输出的硬件过流保护系统的电路示意图。如图3所示，I_s信号除了送给AD采样外，另外一路就是送至途中的反相输入端进行反相输出-Is信号，因此，-I_s信号与I_s信号的值相等，符号相反。-I_s信号与I_s信号分别经过一个正向的二极管后进入比较器的一个输入端，由于二极管的存在，-I_s信号和I_s信号通过二极管送至后端的比较器输入端，正电压导通送至比较器输入端与V_ref比较，负电压截止。比较器供电为单电源，理想输出为0～Vcc，输出信号可以送给主控模块采样捕捉。当设定的I_s的最大电流值或者-I_s的最大电流值加上二极管导通压降高于V_ref时,比较器的输出电平会立即翻转并且维持，从而与其相连的主控模块捕捉到变化关闭PWM驱动和输出开关驱动，从而起到过流保护作用

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于双向电流输出的硬件过流保护系统，该系统包括调制模块、采样模块、主控模块及控制开关，调制模块的输入端连接外部输入电流，调制模块的输出端连接采样模块的输入端和控制开关的输入端，采样模块的输出端连接主控模块的输入端，主控模块的第一输出端连接控制开关的控制端，控制开关的输出端用于电流输出，其特征在于，

采样模块通过采集调制模块的输入端的电流信号得到第一电流信号，并将第一电流信号反相得到第二电流信号；

主控模块包括比较器和选通模块，第一电流信号和第二电流信号通过选通模块后连接比较器的第一输入端，比较器的第二输入端连接预设的参考电压V_ref，比较器的第一输入端电压高于预设的参考电压V_ref时，主控模块通过第一输出端输出第一控制信号关闭控制开关以实现双向电流输出的硬件过流保护。

2.根据权利要求1所述的一种用于双向电流输出的硬件过流保护系统，其特征在于，所述选通模块包含两个二极管，第一电流信号和第二电流信号分别连接一个二极管再并联输出。

3.根据权利要求1所述的一种用于双向电流输出的硬件过流保护系统，其特征在于，所述采样模块依据差动差分采样第一电流信号。

4.根据权利要求3所述的一种用于双向电流输出的硬件过流保护系统，其特征在于，所述采样模块包括采样电阻、反相模块和AD芯片，采样电阻的输入端连接调制模块的输出端，采样电阻的输出端分别连接反相模块、AD采样芯片和比较器。

5.根据权利要求1所述的一种用于双向电流输出的硬件过流保护系统，其特征在于，所述采样模块通过运放反相电路将第一电流信号反相为第二电流信号。

6.根据权利要求1所述的一种用于双向电流输出的硬件过流保护系统，其特征在于，所述主控模块还设置有第二输出端连接调制模块的控制端，主控模块用于依据采样的第一电流信号输出相应的PWM信号控制调制模块以实现第一电流信号依据预设的标准输出。

7.根据权利要求6所述的一种用于双向电流输出的硬件过流保护系统，其特征在于，比较器的第一输入端电压高于预设的参考电压V_ref时，主控模块通过第二输出端输出第二控制信号关闭PWM信号驱动。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种用于双向电流输出的硬件过流保护系统，其特征在于，所述预设的参考电压V_ref依据待输入设备的最大输出电流计算。