一种电流保护电路及图腾柱PFC电路的制作方法

一种电流保护电路及图腾柱pfc电路
技术领域
1.本发明涉及电路技术领域，更具体地涉及一种电流保护电路及图腾柱pfc电路。


背景技术：

2.图腾柱功率因素校正电路是一种能实现高效率、低电磁干扰的拓扑，其是由串联的两个开关管和串联的两个整流二极管组成。近年来，为满足电源高功率密度的要求，图腾柱pfc开关频率趋向高频化，使得功率器件的开关周期越来越小，电流变化率越来越大，即电流的上升时间越来越短。传统应用于图腾柱无桥功率因素校正电路的电流保护电路使用数字采样控制保护电流的方式，因将电流采样信号传给控制芯片，再由控制芯片内部比较器判断电流等级是否大于阀值，若是，则关断驱动信号，这一响应周期较长，在高频化系统内，开关周期已过去数个，存在电流保护不住的风险。为了解决这一问题，目前，人们采用硬件保护电路的方式，即将电流采样信号经过放大电路再经比较器判断电流是否大于阀值，若是，则关断驱动，这样响应周期，可以非常快，但是，其只能关断瞬时电流，两个开关管只关断一个，电路工况异常，且控制芯片无法知晓此种情况，芯片端仍发出驱动，存在控制模式突变的风险，容易导致系统工作异常。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是提供一种可快速关断驱动且保持控制模式的电流保护电路及图腾柱pfc电路。
4.为解决上述技术问题，根据本发明的一方面，提供一种电流保护电路，应用于图腾柱pfc电路，所述电流保护电路包括：
5.采样电路，连接于图腾柱pfc电路的开关管，以采集开关管的工作电流；
6.比较电路，与采样电路连接，用于将工作电流对应的工作电压与阈值电压进行比较；
7.第一反馈调节电路，连接于比较电路和图腾柱pfc电路的控制芯片之间，以在工作电压大于阈值电压时输出保护上报信号至控制芯片，以触发控制芯片中断；
8.第二反馈调节电路，连接比较电路，以在工作电压大于阈值电压时拉低图腾柱pfc电路的开关管的驱动信号，以关闭开关管。
9.其进一步技术方案为：所述第一反馈调节电路包括第四与非门，所述第四与非门的一输入端连接比较电路，另一输入端连接控制芯片的一输出端以接收开关管驱动信号，该第四与非门的输出端连接控制芯片的一输入端。
10.其进一步技术方案为：所述第二反馈调节电路包括第一与非门、第二与非门、第三与非门、第一与门以及第二与门，所述第一与非门的一输入端连接比较电路，输出端连接第二与非门的一输入端，该第一与非门的另一输入端以及第一与门的两输入端分别连接控制芯片的一输出端以分别接收主开关管使能信号、驱动使能信号以及开关管驱动信号，所述第三与非门的两输入端分别连接第二与非门和第一与门的输出端，该第二与非门的另一输
入端连接第三与非门的输出端，所述第二与门的两输入端分别连接第三与非门和第一与门的输出端，且其输出端连接图腾柱pfc电路开关管的驱动端。
11.其进一步技术方案为：所述比较电路包括比较器，所述比较器的反相输入端通过一第三电阻连接采样电路，其同相输入端连接控制芯片的一输出端以接收阈值电压，该比较器的输出端连接第一反馈调节电路和第二反馈调节电路。
12.其进一步技术方案为：所述比较电路还包括有一阈值调节电路，所述阈值调节电路包括第一电容、可调电阻以及第一电阻，所述第一电容和可调电阻并联连接于比较器同相输入端和地之间，所述第一电阻两端分别连接比较器同相输入端和采样电路。
13.其进一步技术方案为：所述采样电路包括电流互感器、第一二极管、第二二极管、第十电阻和第十一电阻，所述第一二极管和第二二极管反向串联后两端连接于电流互感器二次侧，所述第十电阻和第十一电阻并联连接于电流互感器二次侧之间，且第十电阻和第十一电阻的一端连接比较电路，电流互感器一次侧连接图腾柱pfc电路。
14.为解决上述技术问题，根据本发明的一方面，还提供一种图腾柱pfc电路，包括第三二极管、第四二极管、第一开关管、第二开关管、控制芯片以及两上述的电流保护电路，所述控制芯片与电流保护电路连接，所述第三二极管的阳极连接第四二极管的阴极，并连接交流电源，该第三二极管的阴极和第一开关管的漏极连接一电流保护电路的采样电路，所述第一开关管的源极和第二开关管的漏极连接另一电流保护电路的采样电路，并连接交流电源，所述第一开关管和第二开关管的栅极分别连接一电流保护电路的第二反馈调节电路，所述第四二极管的阴极和第二开关管的源极接地。
15.本发明的有益技术效果在于：与现有技术相比，本发明通过比较电路将所采集的开关管的工作电流对应的工作电压与阈值电压进行比较，并在工作电压大于阈值电压时即过流时触发保护，即当发生过流时通过第二反馈调节电路拉低图腾柱pfc电路的开关管的驱动信号，以关闭开关管，同时还通过第一反馈调节电路输出保护上报信号至控制芯片，以触发控制芯片中断，控制图腾柱pfc电路中同步开关管的工作状态保持不变，可知，本发明电流保护电路不仅可以实现电流过流快速关断驱动信号，同时还可实现保护状态上报的功能，避免因电流保护造成的pfc输出电压波动而影响当前pfc控制模式的跳变，可形成更深度的保护。
附图说明
16.图1是本发明电流保护电路一具体实施例的方框原理图。
17.图2是本发明电流保护电路一具体实施例的电路示意图。
18.图3是本发明图腾柱pfc电路一具体实施例的电路示意图。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图中类似的组件标号代表类似的组件。显然，以下将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作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。
20.参照图1，本发明电流保护电路用于图腾柱pfc电路的过流保护，包括采样电路10、
比较电路20、第一反馈调节电路30以及第二反馈调节电路40，其中，所述采样电路10连接于图腾柱pfc电路的开关管，以采集开关管的工作电流，并可以电压形式输出；所述比较电路20与采样电路10连接，用于接收所采集的开关管的工作电流对应的工作电压v，并将工作电压v与阈值电压u0进行比较；所述第一反馈调节电路30连接于比较电路20和图腾柱pfc电路的控制芯片之间，以在工作电压v大于阈值电压u0时输出保护上报信号p至控制芯片，以触发控制芯片中断；所述第二反馈调节电路40连接比较电路20，以在工作电压v大于阈值电压u0时拉低图腾柱pfc电路主开关管的驱动信号，即本实施例中，可输出拉低信号至图腾柱pfc电路开关管的驱动端，以关闭开关管。优选地，本实施例中，所述第二反馈调节电路40还可在工作电压v不大于阈值电压u0时输出正常工作信号至图腾柱pfc电路开关管的驱动端，以使得开关管正常工作。基于上述设计，在工作电压v大于阈值电压u0时即过流时触发保护，即当发生过流时通过第二反馈调节电路40输出拉低信号至图腾柱pfc电路开关管的驱动端，以关闭开关管，同时还通过第一反馈调节电路30输出保护上报信号p至控制芯片，以触发控制芯片中断，使得图腾柱pfc电路中另一开关管即同步开关管的工作状态保持不变，可知，本发明电流保护电路不仅可以实现电流过流快速关断驱动信号(关断时间可以达到ns级)，同时还可快速实现保护状态上报的功能，避免因电流保护造成的pfc输出电压波动而影响当前pfc控制模式的跳变，可形成更深度的保护。
21.本发明中第一反馈调节电路30和第二反馈调节电路40可采用数字逻辑门搭建，参照图2，在附图所示的实施例中，所述第一反馈调节电路30包括第四与非门g4，所述第四与非门g4的一输入端连接比较电路20，另一输入端连接控制芯片的一输出端以接收开关管驱动信号pwm1，该第四与非门g4的输出端连接控制芯片的一输入端。基于该设计，在工作电压v大于阈值电压u0时，比较电路20输出高电平，开关管驱动信号pwm1为高电平，经过第四与非门g4输出为低电平的保护上报信号p至控制芯片，则此时保护上报信号p产生了下降沿，触发控制芯片中断。
22.在某些实施例中，所述第二反馈调节电路40包括第一与非门g1、第二与非门g2、第三与非门g3、第一与门g5以及第二与门g6，所述第一与非门g1的一输入端连接比较电路20，输出端连接第二与非门g2的一输入端，该第一与非门g1的另一输入端以及第一与门g5的两输入端分别连接控制芯片的一输出端以分别接收主开关管使能信号e1、驱动使能信号e2以及开关管驱动信号pwm1，所述第三与非门g3的两输入端分别连接第二与非门g2和第一与门g5的输出端，该第二与非门g2的另一输入端连接第三与非门g3的输出端，所述第二与门g6的两输入端分别连接第三与非门g3和第一与门g5的输出端，且其输出端连接图腾柱pfc电路开关管的驱动端，优选地，输出端可经过一驱动放大电路再连接图腾柱pfc电路开关管的驱动端，以避免逻辑门搭建的第二反馈调节电路40输出的电压驱动能力不足的情况。基于上述设计，在工作电压v大于阈值电压u0时，比较电路20输出高电平，此时，主开关管使能信号e1为高电平，与比较电路20输出的高电平一起经过第一与非门g1后输出低电平，此低电平经第二与非门g2后输出高电平；而驱动使能信号e2正常工作时为高电平，且开关管驱动信号pwm1为高电平，两个高电平经过第一与门g5后输出高电平，则第三与非门g3输出低电平，此低电平作为第二与非门g2的一个输入，实现状态锁存，且第三与非门g3输出的低电平和第一与门g5输出的高电平经过第二与门g6后输出低电平，则此时开关管驱动信号pwm1拉低，对开关管进行关断以进行及时的保护，并保持关断状态至该开关周期结束；可理解地，
当开关管开关周期的开通时间结束，即开关管驱动信号pwm1为低电平，经过第三与非门g3输出高电平，实现状态复位，且开关管驱动信号pwm1进入关断时间，第三与非门g3的输出端和第二与门g6的输入端可实现状态置位，不影响下一开关周期的正常工作。
23.在本实施例中，所述比较电路20包括比较器u1，所述比较器u1的反相输入端vi-通过一第三电阻r3连接采样电路10，其同相输入端vi+连接控制芯片的一输出端以接收阈值电压u0，该比较器u1的输出端连接第一反馈调节电路30和第二反馈调节电路40。进一步地，所述比较电路20还包括有一阈值调节电路50，所述阈值调节电路50包括第一电容c1、可调电阻r2以及第一电阻r1，所述第一电容c1和可调电阻r2并联连接于比较器u1同相输入端vi+和地之间，所述第一电阻r1两端分别连接比较器u1同相输入端vi+和采样电路10。优选地，本实施例中，所述比较电路20还包括有第二电容c2，所述第二电容c2一端连接反相输入端vi-，另一端接地，且比较器u1的正侧电源引脚连接vcc，且正侧电源引脚通过一第四电阻r4连接比较器u1的输出端，该比较器u1的负侧电源引脚接地。基于上述设计，阈值电压u0经过第一电阻r1、可调电阻r2和第一电容c1调压滤波后，实现阈值电压可调，工作电压v经过第三电阻r3和第二电容c2轻微滤波，消除毛刺后与阈值电压u0经过比较器u1比较后输出。
24.在某些实施例中，所述采样电路10包括电流互感器s、第一二极管d3、第二二极管d4、第十电阻r5和第十一电阻r6，所述第一二极管d3和第二二极管d4反向串联后两端连接于电流互感器s二次侧，所述第十电阻r5和第十一电阻r6并联连接于电流互感器s二次侧之间，且第十电阻r5和第十一电阻r6的一端连接比较电路20，电流互感器s一次侧连接图腾柱pfc电路。
25.参照图3，图3为本发明图腾柱pfc电路一具体实施例的电路示意图。在附图所示的实施例中，所述图腾柱pfc电路包括第三二极管d1、第四二极管d2、第一开关管q1、第二开关管q2、控制芯片u10以及两上述实施例所述的电流保护电路，由上述实施例可知，每一所述电流保护电路包括连接于第一开关管q1/第二开关管q2的采样电路10、与采样电路10连接的比较电路20、以及与比较电路20连接的第一反馈调节电路30和第二反馈调节电路40，以在工作电压v大于阈值电压u0时通过第一反馈调节电路30输出保护上报信号p至控制芯片u10，以触发控制芯片u10中断；同时通过第二反馈调节电路40输出拉低信号至第一开关管q1/第二开关管q2的驱动端，以关闭第一开关管q1/第二开关管q2；所述第三二极管d1的阳极连接第四二极管d2的阴极，并连接交流电源ac，该第三二极管d1的阴极和第一开关管q1的漏极连接一电流保护电路的采样电路10，所述第一开关管q1的源极和第二开关管q2的漏极连接另一电流保护电路的采样电路10，并连接交流电源ac，所述第一开关管q1和第二开关管q2的栅极分别连接一电流保护电路的第二反馈调节电路40，所述第四二极管d2的阴极和第二开关管q2的源极接地。
26.可理解地，两电流保护电路具体电路结构相同，图3中省略了其中一电流保护电路中的比较电路20、第一反馈调节电路30和第二反馈调节电路40以及控制芯片u10的部分引脚，具体地，如图3所示，在本实施例中，一电流保护电路中的采样电路10包括电流互感器s1、第一二极管d10、第二二极管d11、第十电阻r10和第十一电阻r11，其中，该电流保护电路中的比较电路20连接第十电阻r10和第十一电阻r11的一端，电流互感器s1一次侧连接第三二极管d1的阴极和第一开关管q1的漏极；另一电流保护电路中的采样电路10包括电流互感器s2、第一二极管d20、第二二极管d21、第十电阻r20和第十一电阻r21，其中，该电流保护电
路中的比较电路20连接第十电阻r20和第十一电阻r21的一端，电流互感器s2一次侧连接第一开关管q1的源极和第二开关管q2的漏极。
27.优选地，本实施例中，控制芯片u10为dsp，引脚gpio0 epwm1a和cpio1epwm1b分别与一电流保护电路的第一与门g5连接以分别向两电流保护电路输出开关管驱动信号pwm1，引脚gpio28 epwm7a、gpio29 epwm7b分别与一电流保护电路连接，以分别向两电流保护电路的第一与非门g1输出主开关使能信号e1，引脚gpio8与第一与门g5连接以输出驱动使能信号e2，引脚gpio9输出阈值电压u0，引脚gpio10、gpio11分别接收两电流保护电路的第四与非门g4分别输出的保护上报信号p，而图3中显示的一电流保护电路输出的信号pwm2优选经一驱动放大电路后再输出至第一开关管q1的栅极，第二开关管q2的栅极的输入是另一电流保护电路(部分电路图中未示出)的输出信号pwm22经驱动放大电路后输入的。
28.众所周知，图腾柱pfc为无桥模式有源pfc的一种，当交流输入端输入的电压电流为正半周期时，第一开关管q1为主开关管，第二开关管q2为同步开关管；当交流输入端输入的电压电流为负半周期时，第二开关管q2为主开关管，第一开关管q1为同步开关管。
29.可理解地，本发明图腾柱pfc电路在正常工作下，驱动正常，驱动使能信号e2使能，当第一开关管q1为主开关管，即工作在交流输入端输入为正半周期，此时，控制芯片u10使能该保护电路，采样电路10中的电流互感器s1实时采样图腾柱pfc工作瞬时电流，并通过电阻转换成工作电压v1，再输入比较器u1与阈值电压u0进行比较，若工作电压v1小于阈值电压u0则无需保护，而若工作电压v1大于阈值电压u0，则保护状态开启，第一开关管q1关断，并保持关断状态至该开关周期结束。并且，在保护状态开启时，同步进行两个进程，一个是将主开关管驱动关闭，第一开关管q1关断；另一个是将该保护状态上告控制芯片u10，锁定当前控制模式，即主开关管驱动信号pwm1正常输出的同时，同步开关管第二开关管q2的驱动输出信号也正常，不会因电流保护造成的pfc输出电压波动而影响当前pfc控制模式跳变，造成更深度的保护，以至于保护不住而造成器件甚至于系统的损害。同理，当第二开关管q2为主开关管，即工作在交流输入端输入为负半周期，保护原理也与上述一致。
30.具体地，结合电流保护电路的具体电路结构对本发明图腾柱pfc电路的工作过程进行描述：
31.下面以交流输入端输入为正半周期为例具体说明：当工作在交流输入端输入为正半周期时，第一开关管q1为主开关管，第二开关管q2为同步开关管，阈值电压u0经过第一电阻r1、可调电阻r2以及第一电容c1调压滤波后，可调整阈值电压u0的数值，工作电压v1经过第三电阻r3和第二电容c2滤波后，与阈值电压u0输入比较器u1比较后输出，若工作电压v1大于阈值电压u0，则触发保护状态，此时比较器u1输出为高电平，主开关管使能信号e1为高电平，一方面，比较器u1输出的高电平与主开关管使能信号e1一起经过第一与非门g1后输出低电平，此低电平经第二与非门g2输出高电平，驱动使能信号e2正常工作时为高电平，开关管驱动信号pwm1也为高电平，两个高电平经过第一与门g5后输出高电平，因第二与非门g2和第一与门g5均输出高电平，则第三与非门g3输出低电平，且此低电平作为第二与非门g2的一个输入，实现状态锁存，且第三与非门g3输出的低电平和第一与门g5输出的高电平经过第二与门g6后输出的pwm2为低电平，可拉低图腾柱pfc电路的开关管驱动信号，关闭第一开关管q1，以进行及时的保护；另一方面，保护上报信号p在正常工作时为高电平，但触发了保护状态后，比较器u1输出的高电平与开关管驱动信号pwm1(高电平)一起经过第四与非
门g4会输出低电平，此时保护上报信号p就产生了下降沿，触发控制芯片u10中断，完成状态上报；而当开关周期的开通时间结束，即开关管驱动信号pwm1为低电平，经过第三与非门g3后输出为高电平，可实现状态复位。
32.可理解地，若不触发保护，即比较器u1输出为低电平，经过第一与非门g1后输出高电平，正常工作状态下，驱动使能信号e2为高电平，与开关管驱动信号pwm1一起经过第一与门g5，则此时第一与门g5的输出电平的高低取决于开关管驱动信号pwm1的高低。而在正常状态下，开关管驱动信号pwm1先是低电平，此时第一与门g5输出低电平，经过第三与非门g3输出高电平，此时该点输出置位，同时和第一与门g5输出的低电平一起经过第二与门g6后输出低电平，这就意味着此时输入至开关管驱动端的信号即pwm2的电平高低与开关管驱动信号pwm1的电平高低是一致的，并且由于第三与非门g3输出高电平，第二与门g6的一个输入端会一直置位，高电平与开关管驱动信号pwm1相与，输出信号的电平高低就由开关管驱动信号pwm1决定，也即，当不触发保护时正常工作；并且，此情况下，比较器u1输出低电平与开关管驱动信号pwm1一起经过第四与非门g4后输出高电平，此时没有保护状态的上报，控制芯片u10正常工作。同理，当工作在交流输入端输入为负半周期时工作原理和工作过程和上述工作在正半周期的相似，在此不再赘述。
33.综上所述，当发生过流时通过第二反馈调节电路拉低图腾柱pfc电路的开关管的驱动信号，以关闭开关管，同时还通过第一反馈调节电路输出保护上报信号至控制芯片，以触发控制芯片中断，控制图腾柱pfc电路中同步开关管的工作状态保持不变，可知，本发明不仅可以实现电流过流快速关断驱动信号，同时还以脉冲下降沿中断的方式，快速将异常上报控制芯片，避免因电流保护造成的pfc输出电压波动而影响当前pfc控制模式的跳变，可形成更深度的保护，且本发明采用逻辑门搭建第一反馈调节电路和第二反馈调节电路，逻辑门电路非常易于集成，还可集成在控制芯片内部，可以大大节省空间。
34.以上所述仅为本发明的优选实施例，而非对本发明做任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种电流保护电路，应用于图腾柱pfc电路，其特征在于，所述电流保护电路包括：采样电路，连接于图腾柱pfc电路的开关管，以采集开关管的工作电流；比较电路，与采样电路连接，用于将工作电流对应的工作电压与阈值电压进行比较；第一反馈调节电路，连接于比较电路和图腾柱pfc电路的控制芯片之间，以在工作电压大于阈值电压时输出保护上报信号至控制芯片，以触发控制芯片中断；第二反馈调节电路，连接比较电路，以在工作电压大于阈值电压时拉低图腾柱pfc电路的开关管的驱动信号，以关闭开关管。2.如权利要求1所述的电流保护电路，其特征在于：所述第一反馈调节电路包括第四与非门，所述第四与非门的一输入端连接比较电路，另一输入端连接控制芯片的一输出端以接收开关管驱动信号，该第四与非门的输出端连接控制芯片的一输入端。3.如权利要求1所述的电流保护电路，其特征在于：所述第二反馈调节电路包括第一与非门、第二与非门、第三与非门、第一与门以及第二与门，所述第一与非门的一输入端连接比较电路，输出端连接第二与非门的一输入端，该第一与非门的另一输入端以及第一与门的两输入端分别连接控制芯片的一输出端以分别接收主开关管使能信号、驱动使能信号以及开关管驱动信号，所述第三与非门的两输入端分别连接第二与非门和第一与门的输出端，该第二与非门的另一输入端连接第三与非门的输出端，所述第二与门的两输入端分别连接第三与非门和第一与门的输出端，且其输出端连接图腾柱pfc电路开关管的驱动端。4.如权利要求1所述的电流保护电路，其特征在于：所述比较电路包括比较器，所述比较器的反相输入端通过一第三电阻连接采样电路，其同相输入端连接控制芯片的一输出端以接收阈值电压，该比较器的输出端连接第一反馈调节电路和第二反馈调节电路。5.如权利要求4所述的电流保护电路，其特征在于：所述比较电路还包括有一阈值调节电路，所述阈值调节电路包括第一电容、可调电阻以及第一电阻，所述第一电容和可调电阻并联连接于比较器同相输入端和地之间，所述第一电阻两端分别连接比较器同相输入端和采样电路。6.如权利要求1所述的电流保护电路，其特征在于：所述采样电路包括电流互感器、第一二极管、第二二极管、第十电阻和第十一电阻，所述第一二极管和第二二极管反向串联后两端连接于电流互感器二次侧，所述第十电阻和第十一电阻并联连接于电流互感器二次侧之间，且第十电阻和第十一电阻的一端连接比较电路，电流互感器一次侧连接图腾柱pfc电路。7.一种图腾柱pfc电路，其特征在于：包括第三二极管、第四二极管、第一开关管、第二开关管、控制芯片以及两上述权利要求1-6任一项所述的电流保护电路，所述控制芯片与电流保护电路连接，所述第三二极管的阳极连接第四二极管的阴极，并连接交流电源，该第三二极管的阴极和第一开关管的漏极连接一电流保护电路的采样电路，所述第一开关管的源极和第二开关管的漏极连接另一电流保护电路的采样电路，并连接交流电源，所述第一开关管和第二开关管的栅极分别连接一电流保护电路的第二反馈调节电路，所述第四二极管的阴极和第二开关管的源极接地。

技术总结
本发明公开了一种电流保护电路，应用于图腾柱PFC电路，其包括：采样电路，连接于图腾柱PFC电路的开关管，以采集开关管的工作电流；比较电路，与采样电路连接，用于将工作电流对应的工作电压与阈值电压进行比较；第一反馈调节电路，连接于比较电路和图腾柱PFC电路的控制芯片之间，以在工作电压大于阈值电压时输出保护上报信号至控制芯片，以触发控制芯片中断；第二反馈调节电路，连接比较电路，以在工作电压大于阈值电压时拉低图腾柱PFC电路的开关管的驱动信号，以关闭开关管。本发明电流保护电路不仅可以实现电流过流快速关断驱动信号，同时还可实现保护状态上报的功能。还公开了一种图腾柱PFC电路。图腾柱PFC电路。图腾柱PFC电路。


技术研发人员：孟祥翰
受保护的技术使用者：深圳市航嘉驰源电气股份有限公司
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2022/3/8