CN211859597U

CN211859597U - 一种峰值限流充电浪涌电流抑制电路

Info

Publication number: CN211859597U
Application number: CN202020657929.2U
Authority: CN
Inventors: 彭玉龙; 杨宇帆
Original assignee: Sichuan Shenghua Power Technology Co ltd
Current assignee: Sichuan Shenghua Power Technology Co ltd
Priority date: 2020-04-27
Filing date: 2020-04-27
Publication date: 2020-11-03
Anticipated expiration: 2030-04-27

Abstract

本实用新型公开了一种峰值限流充电浪涌电流抑制电路，包括：依次连接的逐周期峰值电流限流充电电路、浪涌旁路开关管驱动控制电路、浪涌异常过流锁死及解锁电路和电容充满检测及控制电路，所述浪涌旁路开关管驱动控制电路还与电容充满检测及控制电路相连接；所述逐周期峰值电流限流充电电路和浪涌旁路开关管驱动控制电路的输入端用于连接存在开机大电流浪涌的电路，所述逐周期峰值电流限流充电电路和浪涌旁路开关管驱动控制电路的输出端用于连接外部高压电容。本实用新型能够在宽温度范围、宽输入电压情况下正常抑制浪涌电流，采用开关管控制限流充电，受后端电容容量大小影响较小；并且整体体积较小，电路简单可靠、寿命更长。

Description

一种峰值限流充电浪涌电流抑制电路

技术领域

本实用新型属于浪涌抑制技术领域，尤其是一种峰值限流充电浪涌电流抑制电路。

背景技术

在一些存在开机上电存在浪涌大电流的应用中，例如有源功率因数校正(PFC)电路，传统的有源功率因素校正电路中浪涌抑制电路是在PFC电路中的功率回路中串联热敏电阻抑制开机浪涌电流，但是在大功率应用时，热敏电阻消耗的功率很大影响效率且发热严重，是不可忽略的，严重影响整机的效率，同时热敏电阻一直处于工作状态使其失效率升高，缩短了整个电源系统的寿命；而且采用串联热敏方案是专为应用在特定温度范围内设计的，在高温和低温情况下可能会出现浪涌电流抑制失效、开不了机、在反复开关机时热敏电阻的电流抑制功能失效等问题，严重时会导致烧毁前端设备或保险丝。

针对上述问题，人们开始使用固定阻值的电阻代替热敏电阻，同时PFC电路工作后再用控制电路将其短路，从而实现高效、可靠的解决方案。但是采用固定电阻依然存在一定问题，即该固定电阻需要采用高耐压、抗浪涌电流强、耐热的电阻(如水泥电阻)，该电阻的体积一般较大，在一些模块电源应用中由于空间有限，采用该类电阻时有很大局限性，该电阻在选型时存在一定不确定性和受后端所接电容容量大小影响较大问题，且该电阻承受开机时的反复冲击，使用寿命受限，严重影响整机的寿命。

发明内容

本实用新型的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种峰值限流充电浪涌电流抑制电路。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种峰值限流充电浪涌电流抑制电路，包括：依次连接的逐周期峰值电流限流充电电路、浪涌旁路开关管驱动控制电路、浪涌异常过流锁死及解锁电路和电容充满检测及控制电路，所述浪涌旁路开关管驱动控制电路还与电容充满检测及控制电路相连接；所述逐周期峰值电流限流充电电路和浪涌旁路开关管驱动控制电路的输入端用于连接存在开机大电流浪涌的电路，所述逐周期峰值电流限流充电电路和浪涌旁路开关管驱动控制电路的输出端用于连接外部高压电容。

进一步地，所述逐周期峰值电流限流充电电路包括：电容C2、电感L2、二极管D3、开关管Q2、电阻RCS1、电阻RCS2、PWM芯片U1、以及与PWM芯片U1连接的外围电路；开关管Q2的栅极与PWM芯片U1的输出端连接；开关管Q2的漏极与二极管D3的正极，以及电感L2的一端连接；开关管Q2的源极依次经电阻RCS1和电阻RCS2接地；电感L2的另一端与电容C2的一端连接；电容C2的另一端以及二极管D3的负极用于连接存在开机大电流浪涌的电路；电容C2的两端用于并联外部高压电容。

进一步地，所述浪涌旁路开关管驱动控制电路包括：驱动器U6、开关管Q3、电容C7、电阻R8、电阻R9、电阻R11、电阻R12和电阻R13；开关管Q3的漏极与电容C2的一端连接；开关管Q3的源极与电阻RCS1和电阻RCS2之间的电性连接点连接；开关管Q3的栅极经电阻R8后与驱动器U6的高电平输出端和低电平输出端连接；电阻R9的两端分别连接开关管Q3的栅极和源极；驱动器U6的VDD端经电容C7接地，驱动器U6的GND端接地，驱动器U6的正输入端IN+经电阻R12后与电容充满检测及控制电路中的单片机U3的RA3端连接，驱动器U6的负输入端IN-经电阻R13后与电容充满检测及控制电路中的单片机U3的RA4端连接；驱动器U6的负输入端IN-还经电阻R11接地。

进一步地，所述浪涌异常过流锁死及解锁电路包括：开关管Q5、比较器U2、二极管D4、二极管D5、电容C3、电容C8、电容C9、电阻R3、电阻R4、电阻R10、电阻R14、电阻R15和电阻R16；比较器U2的正相输入端一方面经电阻R10后与电阻RCS1和电阻RCS2之间的电性连接点连接，另一方面经电容C8接地；比较器U2的电源端、电阻R14的一端、电阻R16的一端、以及电容C9的一端均连接至电源VREF；电阻R14的另一端经电阻R15接地；比较器U2的负相输入端与电阻R14和电阻R15之间的电性连接点连接；电阻R16的另一端依次经二极管D4的正极和负极、以及电阻R3后与电阻R10和电容C8之间的电性连接点连接；开关管Q5的源极、电容C9的另一端、二极管D5的正极、以及电阻R4的一端均接地；开关管Q5的漏极和电阻R16的另一端均与电容充满检测及控制电路中的单片机U3的RA4端连接；开关管Q5的栅极与二极管D5的负极和电阻R4的另一端连接；电阻R4的另一端经电容C3后与电容充满检测及控制电路中的单片机U3的RA3端连接。

进一步地，所述电容充满检测及控制电路包括：单片机U3、电容C10、电容C11、电容C12、电阻R17、电阻R18和电阻R19；电阻R17的一端与电容C2的一端连接；电阻R17的另一端一方面经电容C10接地，另一方面以此经电阻R18和电容C12接地；电阻R19并联在电容C12两端；电阻18和电容C12之间的电性连接点与单片机U3的RA2端连接；电容C11的连段分别连接单片机U3的VDD端和VSS端，单片机U3的VDD端连接单元VREF，单片机U3的VSS端接地。

作为优选，所述PWM芯片U1为UCC28C43。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

本实用新型的峰值限流充电浪涌电流抑制电路，能够在宽温度范围、宽输入电压情况下正常抑制浪涌电流，采用开关管控制限流充电，受后端电容容量大小影响较小；并且整体体积较小，电路简单可靠、寿命更长。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明的峰值限流充电浪涌电流抑制电路的实现原理图。

图2为本发明示例的峰值限流充电浪涌电流抑制电路结构图。

图3为本发明示例的逐周期峰值电流及相应的PWM芯片驱动开关管Q2的驱动电压波形图。

图4为本发明示例的正常对电容C2及外部高压电容充电形成第一回路的示意图。

图5为本发明示例的逐周期峰值电流保护形成第二回路的示意图。

图6为本发明示例的对电容C2及外部高压电容充满电后形成第三回路的示意图。

附图标记：101-有源功率因素校正电路、102-逐周期峰值电流限流充电电路、103-浪涌旁路开关管驱动控制电路、104-浪涌异常过流锁死及解锁电路、105-电容充满检测及控制电路。

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，即所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的一种峰值限流充电浪涌电流抑制电路，包括：依次连接的逐周期峰值电流限流充电电路、浪涌旁路开关管驱动控制电路、浪涌异常过流锁死及解锁电路和电容充满检测及控制电路，所述浪涌旁路开关管驱动控制电路还与电容充满检测及控制电路相连接；所述逐周期峰值电流限流充电电路和浪涌旁路开关管驱动控制电路的输入端用于连接存在开机大电流浪涌的电路，所述逐周期峰值电流限流充电电路和浪涌旁路开关管驱动控制电路的输出端用于连接外部高压电容。

由上可知，本实用新型的峰值限流充电浪涌电流抑制电路常用于存在开机大电流浪涌的电路，例如有源功率因素校正电路、高压直流输入具有大电容的电路等。其中，

所述逐周期峰值电流限流充电电路，用于控制电流以峰值电流限值为外部的高压电容缓慢充电，起到抑制浪涌电流功能；

所述浪涌旁路开关管驱动控制电路，用于通过控制驱动浪涌旁路开关管开关，在浪涌电流发生时切断电路，不让大的浪涌电流通过，在浪涌电流结束后短接电路，为正常电流流通形成通路；

所述浪涌异常过流锁死及解锁电路，用于在电路中出现异常情况导致通过浪涌旁路开关管的电流过大有威胁并可能损坏开关管时，关断开关管并锁死，发出错误信号给电容充满检测及控制电路中的单片机，并在重新接到单片机信号时解锁；

所述电容充满检测及控制电路，用于通过单片机检测电压判断电容是否充满，并延时给出浪涌开关管开通的信号,并在检测到错误信号时给出关断开关管信号。

示例：以下将本实用新型的峰值限流充电浪涌电流抑制电路应用于有源功率因素校正电路，以对本实用新型的特征和性能作进一步的详细描述。

如图1所示，一种峰值限流充电浪涌电流抑制电路，包括：依次连接的逐周期峰值电流限流充电电路102、浪涌旁路开关管驱动控制电路103、浪涌异常过流锁死及解锁电路104和电容充满检测及控制电路105，所述浪涌旁路开关管驱动控制电路103还与电容充满检测及控制电路105相连接；所述逐周期峰值电流限流充电电路102和浪涌旁路开关管驱动控制电路103的输入端连接有源功率因素校正电路101，所述逐周期峰值电流限流充电电路102和浪涌旁路开关管驱动控制电路103的输出端连接外部高压电容。

如图2所示，具体地：

(1)所述有源功率因素校正电路101由为常规的BOOST升压型PFC，主要由整流桥BR1、电感L1、开关管Q1、二极管D1、二极管D2、电容C1及PWM控制组成，通过调制控制开关管Q1开关实现功率因素校正功能。

(2)所述逐周期峰值电流限流充电电路102包括：电容C2、电感L2、二极管D3、开关管Q2、电阻RCS1、电阻RCS2、PWM芯片U1(例如UCC28C43)、以及与PWM芯片U1连接的外围电路；开关管Q2的栅极与PWM芯片U1的输出端连接；开关管Q2的漏极与二极管D3的正极，以及电感L2的一端连接；开关管Q2的源极依次经电阻RCS1和电阻RCS2接地；电感L2的另一端与电容C2的一端连接；电容C2的另一端以及二极管D3的负极连接有源功率因素校正电路101的输出端(即二极管D1和二极管D2的负极)；电容C2的两端并联外部高压电容。

所述PWM芯片U1的外围电路包括三极管Q4、电容CT、电容C4、电容C5、电容C6、电阻RT和电阻R7；电容C5的两端分别连接PWM芯片U1的VC端和G端，PWM芯片U1的VC端连接电源VCC+，PWM芯片U1的G端接地；PWM芯片U1的RAC端经电容CT接地、VR端经电容C6接地、CS端经电容C4接地；三极管Q4的发射极接地、基极连接电阻R7；电阻R7的一端与电容C6和PWM芯片U1的VR端之间的电性连接点连接，另一端与电容CT和PWM芯片U1的RAC端之间的电性连接点连接；三极管Q4的发射极还与电容CT和PWM芯片U1的RAC端之间的电性连接点连接；同时，电容C6和PWM芯片U1的VR端之间的电性连接点连接电源VREF；电阻R6的一端与电容C4和PWM芯片U1的CS端之间的电性连接点连接，另一端与电阻RCS1和开关管Q2的源极之间的电性连接点连接。

(3)所述浪涌旁路开关管驱动控制电路103包括：驱动器U6、开关管Q3、电容C7、电阻R8、电阻R9、电阻R11、电阻R12和电阻R13；开关管Q3的漏极与电容C2的一端连接；开关管Q3的源极与电阻RCS1和电阻RCS2之间的电性连接点连接；开关管Q3的栅极经电阻R8后与驱动器U6的高电平输出端和低电平输出端连接；电阻R9的两端分别连接开关管Q3的栅极和源极；驱动器U6的VDD端经电容C7接地，驱动器U6的GND端接地，驱动器U6的正输入端IN+经电阻R12后与电容充满检测及控制电路105中的单片机U3的RA3端连接，驱动器U6的负输入端IN-经电阻R13后与电容充满检测及控制电路105中的单片机U3的RA4端连接；驱动器U6的负输入端IN-还经电阻R11接地。

(4)所述浪涌异常过流锁死及解锁电路104包括：开关管Q5、比较器U2、二极管D4、二极管D5、电容C3、电容C8、电容C9、电阻R3、电阻R4、电阻R10、电阻R14、电阻R15和电阻R16；比较器U2的正相输入端一方面经电阻R10后与电阻RCS1和电阻RCS2之间的电性连接点连接，另一方面经电容C8接地；比较器U2的电源端、电阻R14的一端、电阻R16的一端、以及电容C9的一端均连接至电源VREF；电阻R14的另一端经电阻R15接地；比较器U2的负相输入端与电阻R14和电阻R15之间的电性连接点连接；电阻R16的另一端依次经二极管D4的正极和负极、以及电阻R3后与电阻R10和电容C8之间的电性连接点连接；开关管Q5的源极、电容C9的另一端、二极管D5的正极、以及电阻R4的一端均接地；开关管Q5的漏极和电阻R16的另一端均与电容充满检测及控制电路105中的单片机U3的RA4端连接；开关管Q5的栅极与二极管D5的负极和电阻R4的另一端连接；电阻R4的另一端经电容C3后与电容充满检测及控制电路105中的单片机U3的RA3端连接。

(5)所述电容充满检测及控制电路105包括：单片机U3、电容C10、电容C11、电容C12、电阻R17、电阻R18和电阻R19；电阻R17的一端与电容C2的一端连接；电阻R17的另一端一方面经电容C10接地，另一方面以此经电阻R18和电容C12接地；电阻R19并联在电容C12两端；电阻18和电容C12之间的电性连接点与单片机U3的RA2端连接；电容C11的连段分别连接单片机U3的VDD端和VSS端，单片机U3的VDD端连接单元VREF，单片机U3的VSS端接地。

上述示例的峰值限流充电浪涌电流抑制电路的工作原理为：

逐周期峰值电流及相应的PWM芯片驱动开关管Q2的驱动电压波形如图3所示，PWM芯片U1在每个PWM周期正脉冲发生时驱动开通开关管Q2，当开关管Q2开通后，交流电通过整流桥BR1整流后，一次经过二极管D2、电容C2、电感L2、开关管Q2、电阻RCS1和电阻RCS2形成第一回路，如图4所示，为电容C2以及外部高压电容充电。

由于有电感L2存在，通过电阻RCS1和电阻RCS2上的电流线性增大，当电流达到一定值(即CS阈值)时触发PWM芯片U1的逐周期峰值电流保护，PWM芯片U1输出低电平关断开关管Q2。

开关管Q2关断后，电感L2上的电流通过二极管D3和电容C2以及外部高压电容形成第二回路，如图5所示，继续为C2及外部高压电容充电，直到电感L2上的电流减小到零。待PWM芯片U1的下一个PWM周期正脉冲时，再次打开开关管Q2，继续为电容C2和外部高压电容充电，从而实现了逐周期限流为电容C2及外部高压电容充电，直到电容C2及外部高压电容充满，电容C2两端电压接近交流输入峰值电压，完成浪涌电流抑制过程。

电容C2及外部高压电容的电压通过电阻R17、电阻R18、电阻R19、电容C10和电容C12分压并滤波后，通过单片机U3检测VCAP+点电压低于一定值后即可认为电容C2及外部电容已充满；当电容C2及外部高压电容充满后，单片机U3延时一定时间(典型值200ms)后，由CONTROL输出高电平控制驱动器U6开通开关管Q3，并持续保持导通，形成第三回路，如图6所示。将电容C2及外部高压电容负端与地线短接，旁路掉逐周期峰值电流限流充电电路102，并通过OFF_RT控制关闭PWM芯片U1不再发出PWM脉冲，完成整个浪涌电流抑制过程到正常运行过程。

浪涌异常过流锁死及解锁电路104，用于在电路中出现异常情况导致通过开关管Q3的电流过大时，在电流达到一定值时通过比较器U2，快速给出关断驱动信号，通过单片机U3关断开关管Q3，并锁死以保护开关管Q3不过流损坏，并将发生错误信号通过OIP传输给单片机U3，并重新激活逐周期峰值电流限流充电电路102，通过浪涌抑制电路限流为电容C2及外部高压电容充电。

当单片机U3收到OIP信号后，由CONTROL输出低电平，重新检查电容C2及外部高压电容电压是否充满，充满则再次开启开关管Q3，并通过电容C3、电阻R4、二极管D5和开关管Q5解锁比较器U2，由此完成一次开关管Q3过流保护功能，达到保证异常过流情况下不损坏Q3目的。

通过上述工作原理可知，由于本实用新型的峰值限流充电浪涌电流抑制电路中采用逐周期峰值限流为电容C2和外部高压电容充电，其在半导体允许温度范围内均能正常工作，一般可保证在-40～125℃宽温度范围内正常工作，限流值基本不会发生明显变化，受温度变化影响非常小；并且，工作时属于软充电状态不会瞬间严重发热，不存在热冲击问题，充电完成后开关管旁路不再过电流，不会持续工作，寿命更长；同时，限流充电不受输入电压及外部高压电容大小影响，外部高压电容大小或输入电压变化仅影响充电时间长短；另外，本实用新型中的元器件体积小，相对于体积较大的水泥电阻或热敏电阻来说存在一定优势。

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

1.一种峰值限流充电浪涌电流抑制电路，其特征在于，包括：依次连接的逐周期峰值电流限流充电电路、浪涌旁路开关管驱动控制电路、浪涌异常过流锁死及解锁电路和电容充满检测及控制电路，所述浪涌旁路开关管驱动控制电路还与电容充满检测及控制电路相连接；所述逐周期峰值电流限流充电电路和浪涌旁路开关管驱动控制电路的输入端用于连接存在开机大电流浪涌的电路，所述逐周期峰值电流限流充电电路和浪涌旁路开关管驱动控制电路的输出端用于连接外部高压电容。

2.根据权利要求1所述的峰值限流充电浪涌电流抑制电路，其特征在于，所述逐周期峰值电流限流充电电路包括：电容C2、电感L2、二极管D3、开关管Q2、电阻RCS1、电阻RCS2、PWM芯片U1、以及与PWM芯片U1连接的外围电路；开关管Q2的栅极与PWM芯片U1的输出端连接；开关管Q2的漏极与二极管D3的正极，以及电感L2的一端连接；开关管Q2的源极依次经电阻RCS1和电阻RCS2接地；电感L2的另一端与电容C2的一端连接；电容C2的另一端以及二极管D3的负极用于连接存在开机大电流浪涌的电路；电容C2的两端用于并联外部高压电容。

3.根据权利要求2所述的峰值限流充电浪涌电流抑制电路，其特征在于，所述浪涌旁路开关管驱动控制电路包括：驱动器U6、开关管Q3、电容C7、电阻R8、电阻R9、电阻R11、电阻R12和电阻R13；开关管Q3的漏极与电容C2的一端连接；开关管Q3的源极与电阻RCS1和电阻RCS2之间的电性连接点连接；开关管Q3的栅极经电阻R8后与驱动器U6的高电平输出端和低电平输出端连接；电阻R9的两端分别连接开关管Q3的栅极和源极；驱动器U6的VDD端经电容C7接地，驱动器U6的GND端接地，驱动器U6的正输入端IN+经电阻R12后与电容充满检测及控制电路中的单片机U3的RA3端连接，驱动器U6的负输入端IN-经电阻R13后与电容充满检测及控制电路中的单片机U3的RA4端连接；驱动器U6的负输入端IN-还经电阻R11接地。

4.根据权利要求3所述的峰值限流充电浪涌电流抑制电路，其特征在于，所述浪涌异常过流锁死及解锁电路包括：开关管Q5、比较器U2、二极管D4、二极管D5、电容C3、电容C8、电容C9、电阻R3、电阻R4、电阻R10、电阻R14、电阻R15和电阻R16；比较器U2的正相输入端一方面经电阻R10后与电阻RCS1和电阻RCS2之间的电性连接点连接，另一方面经电容C8接地；比较器U2的电源端、电阻R14的一端、电阻R16的一端、以及电容C9的一端均连接至电源VREF；电阻R14的另一端经电阻R15接地；比较器U2的负相输入端与电阻R14和电阻R15之间的电性连接点连接；电阻R16的另一端依次经二极管D4的正极和负极、以及电阻R3后与电阻R10和电容C8之间的电性连接点连接；开关管Q5的源极、电容C9的另一端、二极管D5的正极、以及电阻R4的一端均接地；开关管Q5的漏极和电阻R16的另一端均与电容充满检测及控制电路中的单片机U3的RA4端连接；开关管Q5的栅极与二极管D5的负极和电阻R4的另一端连接；电阻R4的另一端经电容C3后与电容充满检测及控制电路中的单片机U3的RA3端连接。

5.根据权利要求4所述的峰值限流充电浪涌电流抑制电路，其特征在于，所述电容充满检测及控制电路包括：单片机U3、电容C10、电容C11、电容C12、电阻R17、电阻R18和电阻R19；电阻R17的一端与电容C2的一端连接；电阻R17的另一端一方面经电容C10接地，另一方面以此经电阻R18和电容C12接地；电阻R19并联在电容C12两端；电阻18和电容C12之间的电性连接点与单片机U3的RA2端连接；电容C11的连段分别连接单片机U3的VDD端和VSS端，单片机U3的VDD端连接单元VREF，单片机U3的VSS端接地。

6.根据权利要求2-5任一项所述的峰值限流充电浪涌电流抑制电路，其特征在于，所述PWM芯片U1为UCC28C43。