CN217846447U - Ac电压过零检测电路和控制芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种AC电压过零检测电路和控制芯片，将AC电压过零检测电路内置于控制芯片中，由此可实现控制芯片对AC电压的过零检测功能的集成，功耗更小，极大程度减少控制芯片的外围元器件与布局布线的难度。而且该AC电压过零检测电路具有比较电路和整形电路，通过比较电路将AC电压对应的采样电压与内部的基准电压进行比较，并通过整形电路延迟时间后输出至电子开关，以控制电子开关的导通或截止，进而在实现AC电压的过零检测功能的基础上，还能提高检测精度。

Description

AC电压过零检测电路和控制芯片

技术领域

本实用新型涉及AC电压过零检测技术领域，特别涉及一种AC电压过零检测电路和控制芯片。

背景技术

电器里面通常会使用继电器、可控硅等开关元件进行功率控制的设计，且该开关元件常在高电压应力下开合，这对开关元件的可靠性与使用寿命造成了不良影响。而AC电压(Alternating Current，交流电)过零检测功能可以实现该开关元件在AC电压谷底时的导通与关断，由此减小了开关元件遭受的电压应力，增强了系统可靠性。

请参考图1，传统的AC电压过零检测方案，是将AC电压过零检测电路作为外围电路，并通常采用外围元器件搭建在控制芯片外部，且该AC电压过零检测电路通常使用稳压管D0对AC电压整流后的电压进行降压，然后通过三极管Q0放大，最后通过光耦U1将过零检测信号传输至副边电路，实现输入信号和输出信号的隔离。

上述的传统AC电压过零检测方案存在以下缺陷：

1、功耗一般较高，往往在100mW左右；

2、由于使用稳压管稳压，精度较差；

3、需要较多的外围元器件，增加了系统成本和布局布线的难度；

4、外围电路可靠性较差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种AC电压过零检测电路和控制芯片，能够实现减少外围元器件与布局布线的难度，提高系统可靠性。

为实现上述目的，本实用新型提供一种AC电压过零检测电路，所述AC电压过零检测电路内置于控制芯片中，且包括：

比较电路，所述比较电路的第一输入端耦接一电阻，以接入反映所述AC电压的采样电压，所述电阻外置于所述控制芯片，所述比较电路的第二输入端接入一基准电压，所述比较电路比较所述采样电压和基准电压的大小并输出一过零信号，指示所述AC电压过零的时刻；

控制电路，所述控制电路包括整形电路和开关元件，所述整形电路耦接于所述比较电路并接收所述过零信号，将所述过零信号滤除尖峰脉冲成份后输出至所述开关元件的控制端。

可选的，所述的AC电压过零检测电路，还包括分压电路，耦接在所述电阻和所述比较电路的第一输入端之间，所述分压电路包括对所述AC电压进行分压，并提供所述采样电压至所述比较电路的第一输入端。

可选的，所述的AC电压过零检测电路，所述分压电路还包括钳位二极管，所述钳位二极管的阴极耦接所述比较电路的第一输入端，阳极接地，所述钳位二极管对所述采样电压进行钳位。

可选的，所述的AC电压过零检测电路，还还包括短路保护电路电路和逻辑电路，所述短路保护电路电路的一输入端耦接所述比较电路的输出端并接收所述过零信号，另一输入端耦接所述控制芯片的所述过零检测引脚；所述逻辑电路耦接所述短路保护电路的输出端，逻辑电路在所述短路保护电路判定发生所述过零检测引脚发生短路时，关闭或重启所述控制芯片。

本实用新型还提供一种控制芯片，其内置有如本实用新型所述的AC电压过零检测电路。

可选的，所述控制芯片电连接于一隔离型功率变换器的原边电路，所述过零检测引脚通过隔离信号传输组件耦接于设置在所述隔离型功率变换器的副边电路，所述隔离信号传输组件连接所述过零检测引脚并接收所述控制电路的输出信号，并输出一过零检测信号至所述隔离型功率变换器的副边电路。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案，至少具有以下有益效果之一：

1、将AC电压过零检测电路内置于控制芯片中，由此可实现控制芯片对AC电压的过零检测功能的集成，功耗更小，极大程度减少控制芯片的外围元器件与布局布线的难度。

2、通过比较电路将AC电压对应的采样电压与内部的基准电压进行比较，并通过整形电路滤除高频脉冲、噪声等干扰信号后输出过零检测信号，以控制开关元件的导通或截止，进而在实现AC电压的过零检测功能的基础上，还能提高检测精度。

附图说明

图1是现有的AC电压过零检测电路的结构示意图。

图2是本实用新型的一实施例的AC电压过零检测电路内置于控制芯片中的示意图。

图3是本实用新型的一实施例的AC电压过零检测电路的结构示意图。

图4是图3所示的AC电压过零检测电路中的各主要信号的时序图。

图5是本实用新型的另一实施例的AC电压过零检测电路的结构示意图。

图6是本实用新型的又一实施例的AC电压过零检测电路的结构示意图。

图7是图6所示的AC电压过零检测电路中的各主要信号的时序图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本实用新型更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本实用新型可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本实用新型发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。应当理解的是，本实用新型能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本实用新型的范围完全地传递给本领域技术人员。自始至终相同附图标记表示相同的元件。应当明白，当元件被称为"连接到"、“耦接”其它元件时，其可以直接地连接其它元件，或者可以存在居间的元件。相反，当元件被称为"直接连接到"其它元件时，则不存在居间的元件。在此使用时，单数形式的"一"、"一个"和"所述/该"也意图包括复数形式，除非上下文清楚的指出另外的方式。还应明白术语“包括”用于确定可以特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语"和/或"包括相关所列项目的任何及所有组合。

以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的技术方案作进一步详细说明。根据下面说明，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

请参考图2和图3，本实用新型一实施例提供一种AC电压过零检测电路10a，其内置于控制芯片10中。控制芯片10内置AC电压过零检测电路10a，可以极大程度减少外围元器件与布局布线的难度，同时避免在控制芯片10外部通过外围器件来搭建AC电压过零检测电路时所造成的功耗高、精度差的问题。

本实施例的AC电压过零检测电路10a包括比较电路101和控制电路。

其中，比较电路101的第一输入端耦接一电阻R1，以接入反应AC电压对应的母线电压VAC的采样电压，所述电阻R1外置于所述控制芯片10，比较电路101的第二输入端接入基准电压Vref。所述比较电路101比较所述采样电压和基准电压Vref的大小并输出一过零信号ACzero，指示所述AC电压过零的时刻。

所述控制电路的输入端耦接于所述比较电路101并接收所述过零信号ACzero，所述控制电路的输出端耦接一过零检测引脚ZC，所述过零检测引脚ZC设置于所述控制芯片10上，所述控制电路的输出信号经由所述过零检测引脚ZC传送给外部电路。

所述控制电路包括整形电路102和开关元件Q1。整形电路102耦接在比较电路101的输出端和开关元件Q1的控制端之间，将所述比较电路101的输出信号进行整形后输出到开关元件Q1的控制端。当Q1为MOS管时，Q1控制端为MOS管的栅极。其中，当Q1为NMOS管时，其漏极连接控制芯片10的过零检测引脚ZC，以耦接控制芯片10外部的光耦组件12(即一种隔离信号传输组件)，光耦组件12根据开关元件Q1的导通和关断输出过零检测信号ACzero。其中，整形电路102可以包括抗尖峰脉冲电路和/或延时电路，对比较电路101的输出信号进行尖峰脉冲的滤除和/或延时操作，以提高检测精度和控制准确度。

其中，母线电压VAC经过分压和滤波处理后生成采样电压VX，即为反映AC电压变化的采样值，比较电路101对采样电压VX与基准电压Vref比较，可以产生输出信号Vcmp(即过零信号)，输出信号Vcmp通过整形电路102处理后，来控制开关元件Q1的导通或者关断，从而产生过零检测信号ACzero。在图3所示的实施例中，若开关元件Q1导通，控制芯片10的过零检测引脚ZC输出低电位，光耦组件12中的发光二极管导通发光，使得光耦组件12中做为受光器的光敏三极管导通，输出的过零检测信号ACzero为低电平；若开关元件Q1导通，ZC引脚输出高电位，光耦组件12中的发光二极管不发光，使得光耦组件12中做为受光器的光敏三极管关断，输出的过零检测信号ACzero为高电平。通过调节电阻R1的阻值可以调节过零检测信号ACzero对应于采样电压VX的翻转点。

应当理解的是，该过零检测信号ACzero可以进一步被送到控制芯片10以外的MCU等控制器，参与功率电路中其他元件的控制。例如，在可控硅应用中，MCU根据该过零检测信号ACzero控制可控硅在AC电压过零点附近开通或关断。又例如，在继电器应用中，MCU根据该过零检测信号ACzero控制继电器在AC电压过零点附近导通或关断。还例如，在移相调光、调速或调功率的应用中，过零检测信号ACzero的电平翻转点(即AC电压的过零点)可以作为PWM控制的参考时刻点，用于调节脉冲信号的脉冲宽度。

本实施例中，所述的AC电压过零检测电路10a还包括分压电路103，耦接在所述电阻R1和所述比较电路101的第一输入端之间，所述分压电路103对所述AC电压进行分压采样，以提供所述采样电压VX至所述比较电路101的第一输入端。

作为一种示例，该分压电路103包括电阻R2和R3，电阻R2的一端连接电阻R1的一端，另一端连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接地。电阻R2和R3的连接节点为分压电路103的输出端，电阻R2和R3对母线电压VAC进行分压，产生采样电压VY。经过分压处理，送入控制芯片中10的采样电压VY可以很低，从而大大降低AC电压过零检测电路10a的功耗和器件成本，并提高安全性。

本实施例中，所述的AC电压过零检测电路10a还包括滤波网络104，该滤波网络104耦接在所述分压电路103的输出端和所述比较电路101的第一输入端之间，能够对分压电路103输出的采样电压VY进行滤波，防止噪声或者毛刺导致对信号的误判断。

作为一种示例，滤波网络104为RC滤波电路，其包括电阻R4和电容C1，电阻R4的一端连接电阻R2和R3的连接节点(即分压电路103的输出端)，电阻R4的另一端连接电容C1的一端以及比较电路101的第一输入端。

可选的，本实施例的AC电压过零检测电路10a还包括第一静电防护二极管ESD，其阴极耦接电阻R1和分压电路103的连接节点，阳极接地。第一静电防护二极管ESD可以防止静电放电(ESD)现象损坏控制芯片10的内部元件。

可选的，本实施例的AC电压过零检测电路10a还包括短路保护电路105和逻辑电路106，其中，短路保护电路105用于判断所述的过零检测引脚ZC是否发生短路，其一输入端耦接所述比较电路101的输出端与所述整形电路102的连接节点，以接入比较电路101的输出信号Vcomp，另一输入端耦接所述控制芯片10的过零检测引脚ZC。所述逻辑电路106用于根据短路保护电路105的判断结构关闭或重启所述控制芯片10，其输入端耦接所述短路保护电路105的输出端。

具体而言，短路保护电路105对ZC引脚的电压进行检测，并结合ZC引脚的电压和比较电路101的输出信号Vcomp来判断ZC脚是否出现短路故障，当Vcmp信号为低电平时，开关元件Q1应该关断，进而使得ZC引脚处的电压升高。若ZC引脚的电压在预设时间内没有升高，则可以判断ZC引脚发生短路故障，当判定ZC引脚发生短路故障后，通过逻辑电路106来关闭或重启控制芯片10，以对控制芯片10进行保护动作。

请参考图4，本实施例的AC电压过零检测电路10a的工作时序如下：

当N线(即零线，也可用火线L线)上的电压高于一个预设值(对应于图4中的采样电压VY高于参考值VrefH)时，比较电路101的输出信号Vcmp的电平翻高，经整形电路102处理后，延时一段时间，过零信号ACZero的电平翻低。

当N线(即零线，也可用火线L线)电压低于一个预设值(对应于图4中的采样电压VY低于VrefL)时，比较电路101的输出信号Vcmp的电平翻低，经整形电路102处理后，延时一段时间，过零信号ACZero的电平翻高。

由此，实现了AC电压过零检测的功能。

综上所述，本实施例的AC电压过零检测电路，由于其是内置在控制芯片中，且使用的是基准电压与比较电路，所以能大幅度降低功耗(例如功耗可降到20mW以内)，同时能实现很好的检测精度。

请参考图2和图3，本实施例还提供一种控制芯片10，其内置有本实施例所述的AC电压过零检测电路10a。所述控制芯片10电连接于一隔离型功率变换器的原边电路，所述过零检测引脚通过隔离信号传输组件12耦接于设置在所述隔离型功率变换器的副边电路，所述隔离信号传输组件12连接所述过零检测引脚ZC并接收所述控制电路的输出信号，并输出一过零检测信号ACzero至所述隔离型功率变换器的副边电路。

本实施例的隔离型功率变换器还包括整流电路11、变压器T、输入侧滤波电容C0、输出侧滤波电容Cout、输出侧整流二极管D1、电阻Ra和Rb以及负载Rload。

所述整流电路11的输入端接入交流电AC，输出端耦接所述电阻R1，所述整流电路用于对接入的交流电AC进行整流。

所述变压器T的原副边线圈匝数比例如为N:1，其原边线圈的一端耦接整流电路11的一端和输入侧滤波电容C0的一端，其原边线圈的另一端耦接所述控制芯片10的输出端，其副边线圈的一端连接输出侧整流二极管D1的阳极，输出侧整流二极管D1的阴极连接输出侧滤波电容Cout的一端以及负载Rload的一端，输入侧滤波电容C0的另一端、输出侧滤波电容Cout的另一端、负载Rload的另一端、变压器T副边线圈的另一端均接地。

电阻Ra的一端接入系统工作电压VCC，电阻Ra的另一端连接光耦组件12的发光二极管的阳极，光耦组件12的发光二极管的阴极连接控制芯片10的ZC引脚。电阻Rb的一端连接光耦组件12中做为受光器的光敏三极管的输出端且输出过零检测信号ACzero。电阻Rb的另一端输出电压Vout。光耦组件12中做为受光器的光敏三极管的另一端接地。

本实施例中，通过L线和N线输入交流电AC至隔离型功率变换器，该交流电AC经过整流电路11整流、电阻R1的压降、分压电路103的采样分压、滤波网络104的滤波后输入到比较电路101处，产生输出信号Vcmp，该输出信号Vcmp经整形电路102延时后驱动开关元件Q1导通或关断，进而使光耦组件12中发光二极管导通而发光，光耦组件12中光敏三极管受到光照后产生电流。

本实施例的隔离型功率变换器可以是任意合适的隔离型功率变换器，可以是可控硅应用的隔离型功率变换器，也可以是继电器应用的隔离型功率变换器。

应当理解的是，本实用新型的技术方案并不仅仅限定于上述实施例的举例说明，可以在上述实施例的基础上进行任意合适的变形来得到其他实施例。

例如，上述实施例中的光耦组件12采用的是上拉接法，但是在本实用新型的另一实施例中，将光耦组件12换为采用下拉接法，如图5所示，相对于图3所示的接法，该下位接法省略了电阻Rb，进一步简化了电路，降低了成本，节约电路面积。

再例如，在本实用新型的又一实施例中，请参考图6，在AC电压过零检测电路10a的分压电路中增设钳位二极管D1，该钳位二极管D1的阴极连接分压电路103的输出端以及比较电路101的第一输入端，阳极接地。请参考图7，钳位二极管D1的增设，一方面，可以限制分压电路103输出的采样电压VY的值不高出钳位值Vmax，由此，避免采样电压VY过高而损坏控制芯片10的内部电路；另一方面，还可以允许采样电压VY相对于电阻R1输出的电压VAC的分压比例适度增大，且不会出现采样电压VY过高而损坏比较电路101等器件的情况，从而允许使用更高的预设值VrefH和更低的预设值VrefL，最终提高了AC电压过零检测电路的检测精度和可靠性。

在本实用新型的其他实施例中，光耦组件12还可以被替换为其他任意合适的隔离信号传输组件。

综上所述，本实用新型的AC电压过零检测电路和内置有该AC电压过零检测电路的控制芯片，其将AC电压过零检测电路内置于控制芯片中，由此可实现控制芯片对AC电压的过零检测功能的集成，极大程度减少控制芯片的外围元器件与布局布线的难度，功耗更小。而且该AC电压过零检测电路通过比较电路将AC电压对应的采样电压与内部的基准电压进行比较，并通过整形电路滤除干扰信号后输出至开关元件(例如可控硅、继电器等)，以控制开关元件的导通或截止，在实现AC电压的过零检测功能的基础上，还能提高检测精度。

上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本实用新型技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种AC电压过零检测电路，其特征在于，所述AC电压过零检测电路内置于一控制芯片中，且包括：

比较电路，所述比较电路的第一输入端耦接一电阻，以接入反映所述AC电压的采样电压，所述电阻外置于所述控制芯片，所述比较电路的第二输入端接入一基准电压，所述比较电路比较所述采样电压和基准电压的大小并输出一过零信号，指示所述AC电压过零的时刻；

控制电路，所述控制电路的输入端耦接于所述比较电路并接收所述过零信号，所述控制电路的输出端耦接一过零检测引脚，所述过零检测引脚设置于所述控制芯片上，所述控制电路的输出信号经由所述过零检测引脚传送给外部电路。

2.如权利要求1所述的AC电压过零检测电路，其特征在于，所述控制电路包括整形电路和开关元件，所述整形电路耦接于所述比较电路并接收所述过零信号，将所述过零信号滤除尖峰脉冲成分后输出至所述开关元件的控制端。

3.如权利要求1所述的AC电压过零检测电路，其特征在于，还包括分压电路，耦接在所述电阻和所述比较电路的第一输入端之间，所述分压电路对所述AC电压进行分压，并提供所述采样电压至所述比较电路的第一输入端。

4.如权利要求3所述的AC电压过零检测电路，其特征在于，所述分压电路还包括钳位二极管，所述钳位二极管的阴极耦接所述比较电路的第一输入端，阳极接地，所述钳位二极管对所述采样电压进行钳位。

5.如权利要求1-4中任一项所述的AC电压过零检测电路，其特征在于，还包括短路保护电路电路和逻辑电路，所述短路保护电路电路的一输入端耦接所述比较电路的输出端并接收所述过零信号，另一输入端耦接所述控制芯片的所述过零检测引脚；所述逻辑电路耦接所述短路保护电路的输出端，逻辑电路在所述短路保护电路判定发生所述过零检测引脚发生短路时，关闭或重启所述控制芯片。

6.一种控制芯片，其特征在于，内置有如权利要求1-5中任一项所述的AC电压过零检测电路。

7.如权利要求6所述的控制芯片，其特征在于，所述控制芯片电连接于一隔离型功率变换器的原边电路，所述过零检测引脚通过隔离信号传输组件耦接于设置在所述隔离型功率变换器的副边电路，所述隔离信号传输组件连接所述过零检测引脚并接收所述控制电路的输出信号，并输出一过零检测信号至所述隔离型功率变换器的副边电路。

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