专利名称：一种桥臂直通保护电路及整流电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子技术领域，更具体地说，涉及一种桥臂直通保护电路及采用该保 护电路的整流电路。
背景技术：
全桥电路或半桥电路由于其电路构成的特点而存在桥臂直通的风险。造成桥臂直 通的原因多样，但后果往往较为严重。不管由于什么原因导致的一边桥臂的直通，此时都将 形成母线电容的直接短路。例如，Ius的直通电流就有可能烧毁桥臂电路中的开关管。该直 通电流的大小由前级提供能量的电容容量而定。假如电容容量为940uF，短路Ius形成的电 流将高达181A。请参阅图1，为模拟桥臂直通产生的短路电流示意图。为了便于观察，图1为示 波器采集的波形图，图中第三通道CH3为桥臂直通产生的短路电流的波形。如图1所示， 可以看出在仅直通400ns时，电流便从OA增长到了 179A，可以计算电流的增长速率达到 447. 5A/us。因此，如果直通lus，电流将增长到447. 5A左右，该数值电流足以烧毁开关管。由此可见，桥臂直通产生的短路电流将对开关管和后续电路造成严重影响。现有 技术中通常着重于减少和预防直通的发生，但是全桥电路或半桥电路的拓扑决定了一定存 在直通的可能。故而从预防和减少的角度来对桥臂电路进行处理较为被动，不能全面有效 地对桥臂电路中元件及后续电路进行保护。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有桥臂电路在发生桥臂直通后会损坏电路 元件的缺陷，提供一种桥臂直通保护电路及采用该保护电路的整流电路。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是构造一种桥臂直通保护电路，用于 监测桥臂电流，在桥臂电流过流时产生保护信号以关闭驱动桥臂中开关管工作的DCDC单 元，该电路的响应速度短于桥臂直通电流上升至危及开关管安全大小的时间。本发明提供了一种桥臂直通保护电路，其中桥臂电路由DCDC控制单元发出的开 关控制信号驱动，其特征在于，所述保护电路包括电流采样单元、判断单元和执行单元；所述电流采样单元输入端与桥臂电路相连，用于对桥臂电流进行采样；所述判断单元输入端与电流采样单元输出端相连，用于对采样的桥臂电流进行判 断并在所述桥臂电流过流时输出过流保护信号；所述执行单元输入端与所述判断单元输出端相连，用于对过流保护信号进行升压 后输出给DCDC控制单元的使能端，以关闭DCDC控制单元。 在本发明所述的桥臂直通保护电路中，所述保护电路还包括解锁单元，所述解锁 单元输入端与所述判断单元输出端相连，用于接收过流保护信号以控制DCDC控制单元的 开启或关闭。 在本发明所述的桥臂直通保护电路中，所述解锁单元在接收过流保护信号后在设定的第一时间段后发出解锁信号给所述执行单元，使执行单元停止向DCDC控制单元输出 过流保护信号，随后在设定的第二时间段后发出DCDC启动信号给所述DCDC控制单元的使 能端以开启所述DCDC控制单元。在本发明所述的桥臂直通保护电路中，所述电流采样单元至少包括电流互感器和 隔离变压器；所述电流互感器的原边侧串联在所述桥臂电路中，所述电流互感器的副边侧 与隔离变压器的原边侧相连，所述隔离变压器的副边侧两端之间连有并联的第一电阻和第 一电容，所述隔离变压器的副边侧第一端与第一二极管的阳极相连，第一二极管的阴极通 过并联的第二电阻、第三电阻和第四电阻连接到隔离变压器的副边侧第二端，第一二极管 的阴极还通过第五电阻连接至电流采样单元的输出端，电流采样单元的输出端通过并联的 第六电阻和第二电容与隔离变压器的副边侧第二端相连。在本发明所述的桥臂直通保护电路中，所述判断单元至少包括比较器；所述判断 单元的输入端通过正向的第二二极管连接到高电平，该判断单元的输入端同时通过反向的 第三二极管接地；所述判断单元的输入端与比较器的同向输入端相连，比较器的反向输入 端通过并联的第十电阻和第三电容接地，且比较器的反向输入端通过第九电阻连至高电 平；比较器的同向输入端通过串联的反向的第四二极管和第七电阻与比较器的输出端相 连，比较器的输出端通过第八电阻连接至高电平，且所述比较器的输出端作为判断单元的 输出端。在本发明所述的桥臂直通保护电路中，所述执行单元至少包括第一开关管和第二 开关管，执行单元的输入端依次通过串联的第十二电阻和第十五电阻接地，且第十二电阻 和第十五电阻之间的节点与所述第一开关管的基极相连，第一开关管的集电极通过第十一 电阻连至高电平，第一开关管的发射极通过第十八电阻连至执行单元的输出端；所述第一 开关管的基极与发射极之间连有第十六电阻，所述第一开关管的发射极通过第十七电阻接 地；执行单元的输入端还与第二开关管的集电极相连，第二开关管的发射极接地，第 二开关管的基极通过第十四电阻连至解锁单元以接收解锁信号，第二开关管的基极还通过 并联的第十三电阻和第四电容接地。本发明还提供了一种整流电路，包括上述的桥臂直通保护电路。实施本发明的桥臂直通保护电路，具有以下有益效果本发明通过设置保护电路 能够在桥臂电路发生桥臂直通后关闭DCDC单元，且该动作的时间小于桥臂异常电流升高 至开关管安全极限值的时间，从而保护桥臂电路中的开关管；同时本发明的电路在检测到 过流的同时通知解锁单元，在设定时间后解除锁定并开启DCDC单元，使桥臂电路正常工 作；本发明提供的采用该保护电路的整流电路也能够对桥臂电路元件及后续电路进行有效 保护。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中图1是模拟桥臂直通产生的短路电流示意图；图2是本发明优选实施例中桥臂直通保护电路的模块示意图；图3是本发明优选实施例中桥臂直通保护电路的电路原理图4是本发明优选实施例中桥臂电路的原理图；图5是本发明优选实施例中电流采样单元的电路原理图；图6是本发明优选实施例中判断单元的电路原理图；图7是本发明优选实施例中执行单元的电路原理图；图8是本发明优选实施例中桥臂电路的波形示意图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。请参阅图2，为本发明优选实施例中桥臂直通保护电路的模块示意图。如图2所 示，桥臂电路500中的开关管是由DCDC控制单元600发出的开关控制信号所驱动。因此， 本发明的桥臂直通保护电路的主要目的在于在桥臂电路500发生直通后，在短路电流升 至开关管的安全电流之前关闭DCDC控制单元600，从而对桥臂电路500中的开关管进行保 护。因此，本发明采用了电流采样单元100、判断单元200和执行单元300构成桥臂直 通保护电路来实现上述动作。其中，电流采样单元100输入端与桥臂电路500相连，用于对桥臂电流进行采样。 随后采用判断单元200与电流采样单元100输出端相连，对采样的桥臂电流进行判断并在 桥臂电流过流时输出过流保护信号。在判断桥臂电流过流后，需要采用执行单元300来产 生动作信号控制DCDC控制单元600关闭。故而将执行单元300的输入端与判断单元200 输出端相连，并在对过流保护信号进行升压后输出给DCDC控制单元600的使能端，来关闭 D⑶C控制单元600。通过上述模块设置，只需控制电路的延迟响应时间在一定范围内，便能在短路电 流升至开关管的安全电流之前，关断工作电路，保护开关管及电路安全。由于上述保护电路采用的是闭锁设计，一旦过流发生，则保护信号将持续有效， DCDC控制单元600也将持续关断。因此，本发明采用软硬件结合的方法，增设了解锁单元 400，并将解锁单元400的输入端与判断单元200输出端相连，用于接收过流保护信号以控 制DCDC控制单元600的开启或关闭。解锁单元400在接收到过流保护信号后，在设定的第 一时间段后发出解锁信号给所述执行单元300，使执行单元300停止向DCDC控制单元600 输出过流保护信号。随后在设定的第二时间段后，即确保执行单元300已经停止输出过流 保护信号后，解锁单元400向DCDC控制单元600的使能端发出DCDC启动信号，从而开启 D⑶C控制单元600正常工作。请参阅图3，为本发明优选实施例中桥臂直通保护电路的整体电路原理图。下面结 合图4至图8分别对本发明中各个单元的具体电路实现及原理进行描述。首先请参阅图4，为本发明优选实施例中桥臂电路500的原理图。如图4所示，在 该桥臂电路500中，开关管Q11、开关管Q12、开关管Q13和开关管Q14组成了一个全桥整流 的桥臂电路，每个开关管并联2个电容，开关管的栅极分别由DCDC控制单元600发出的控 制信号DRA、DRB、DRC和DRD进行控制。D⑶C控制单元600主要为D⑶C控制芯片，如可以 采用型号为5033的芯片。该桥臂电路500前端通过电容ClO和电容Cll滤波，后端通过变压器TlO接后续整流电路。请参阅图5，为本发明优选实施例中电流采样单元100的电路原理图。如图5所 示，为对桥臂电路500的电流进行采样，本发明中的电流采样单元100包括两个部分，分别 用于电流检测和电流采样。电流检测部分包括电流互感器CT和隔离变压器T。电流互感器 CT的原边侧串联在所述桥臂电路500中，如接口 Jin与桥臂电路500相连。电流互感器CT 的副边侧与隔离变压器T的原边侧相连。在该部分电路中，隔离变压器T可以使用高速光 耦。在此，由于电流互感器CT只需满足工作绝缘，由隔离变压器T达到加强绝缘的设计，实 现两级隔离，充分满足了原副边隔离控制的低成本的要求。当然，如果不需要进行原副边控 制设计，则无需使用隔离变压器T进行信号传递。电流采样部分则包括隔离变压器T的副边侧后续的电路。隔离变压器T的副边侧 两端之间连有并联的第一电阻Rl和第一电容Cl，所述隔离变压器T的副边侧第一端与第 一二极管Dl的阳极相连，第一二极管Dl的阴极通过并联的第二电阻R2、第三电阻R3和第 四电阻R4连接到隔离变压器T的副边侧第二端，第一二极管Dl的阴极还通过第五电阻R5 连接至电流采样单元100的输出端，电流采样单元的输出端通过并联的第六电阻R6和第二 电容C2与隔离变压器T的副边侧第二端相连。在此，第一电阻Rl和第一电容Cl提供复位 电流，经第一二极管Dl整流后单向电流通过第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4产生 电压，通过第五电阻R5后入分压滤波以输送给后级电路，即从接口 Jl输出采样的桥臂信 号。请参阅图6，为本发明优选实施例中判断单元的电路原理图。如图6所示，本发明 提供的判断单元200至少包括比较器U1。判断单元200的输入端即接口 Jl通过正向的第 二二极管D2连接到高电平Vcc，该判断单元200的输入端同时通过反向的第三二极管D3接 地。判断单元200的输入端与比较器Ul的同向输入端相连，比较器Ul的反向输入端通过 并联的第十电阻RlO和第三电容C3接地，且比较器Ul的反向输入端通过第九电阻R9连至 高电平Vcc。比较器Ul的同向输入端通过串联的反向的第四二极管D4和第七电阻R7与比 较器Ul的输出端相连，比较器Ul的输出端通过第八电阻R8连接至高电平Vcc，且所述比较 器Ul的输出端作为判断单元200的输出端即接口 J2。在上述判断单元200中，第二二极管D2限制信号幅值以保护比较器Ul。第四二极 管D4和第七电阻R7形成正反馈以完成电路自锁。第八电阻R8为上拉电阻，第九电阻R9 和第十电阻RlO对高电平Vcc进行分压后为比较器Ul提供基准电压，第三电容C3用于滤 波。故而，当采样电流信号即接口 Jl输入的电信号超过比较的基准电压时，比较器Ul发生 翻转，从接口 J2输出过流保护信号给执行单元300。请参阅图7，为本发明优选实施例中执行单元的电路原理图。如图7所示，本发明 提供的执行单元300至少包括第一开关管Ql。执行单元300的输入端即接口 J2依次通过 串联的第十二电阻R12和第十五电阻R15接地，且第十二电阻R12和第十五电阻R15之间 的节点与所述第一开关管Ql的基极相连，第一开关管Ql的集电极通过第十一电阻Rll连 至高电平Vcc，第一开关管Ql的发射极通过第十八电阻R18连至执行单元300的输出端。 第一开关管Ql的基极与发射极之间连有第十六电阻R16，所述第一开关管Ql的发射极通 过第十七电阻R17接地。第一开关管Ql能够对过流保护信号的驱动能力进行增强后输出。 如图7所示，过流保护信号将拉高第一开关管Ql的基极，导通开关管，从而通过接口 Jot将动作信号输出给D⑶C控制芯片的使能端，从而关闭D⑶C控制芯片。结合参阅图4，在D⑶C 控制芯片关闭后，开关管Q11、开关管Q12、开关管Q13和开关管Q14也得不到控制信号，从 而对电路进行了保护。由于上述电路构成闭锁设计，一旦过流发生，则执行单元300将持续输出动作信 号，保护桥臂电路500中的开关管。而桥臂在过流一定时间后将恢复正常，此时则需要开启 D⑶C控制芯片。因此，通过解锁单元400以及第二开关管Q2的相关电路设计来对该动作 信号进行解锁。第二开关管Q2的集电极与执行单元300的输入端相连，第二开关管Q2的 发射极接地，第二开关管Q2的基极通过第十四电阻R14连至解锁单元400，即通过接口 Jc 来接收解锁信号，第二开关管Q2的基极还通过并联的第十三电阻R13和第四电容C4接地。 当接收到解锁单元400发出的解锁信号后，将拉高第二开关管Q2的基极，从而拉低第一开 关管Ql的基极，使第一开关管Ql关闭，停止输出动作信号。本发明的解锁单元400与判断单元200的输出端，即接口 J2相连，以接收过流保 护信号。解锁单元400由软件控制，在接收到过流保护信号后，等待过流结束，即在设定的 第一时间段后发出解锁信号给执行单元300的接口 J。，将闭锁电路复原，中断动作信号的输 出。因此DCDC控制芯片的使能端不会受到动作信号的控制。此时在设定的第二时间段后， 即确保执行单元300已经停止输出过流保护信号后，解锁单元400直接向DOTC控制芯片的 使能端输出DCDC启动信号，重新开启DCDC控制芯片，以驱动桥臂电路500中的开关管恢复 正常工作。在电路正常工作时，将任一桥臂上一个开关管的漏极和源极短路，以对桥臂直通 保护电路进行测试。如图8所示，为本发明优选实施例中桥臂电路的波形示意图。其中，通 道CHl为接口 J2处的波形，即判断单元200输出的过流保护信号，该信号被送入执行单元 300，通过硬件将D⑶C控制单元600关闭。通道CH2为被短路的开关管的栅极驱动信号，可 以看出，当过流保护信号送出时，驱动信号被拉低至0V。通道CH3为桥臂电流波形，当开关 管的漏极和源极被短路时，电流迅速上升，460ns即由OA升高至185A。CH4为被短路开关 管漏极和源极之间的电压Vds，可以看出，短路漏极和源极时Vds由关闭时的高电压陡降到 0V。上述实验证明，桥臂电流一旦发生异常即触发保护电路，D⑶C控制单元600即被迅速 (约400ns延时)关闭。本发明还提供了 一种采用上述桥臂直通保护电路的整流电路。该整流电路包括上 述桥臂电路500和DOTC控制单元600，以及上述电流采样单元100、判断单元200、执行单元 300和解锁单元400，从而构成了一个具有直通保护功能的整流电路。综上所述，本发明着眼于在发生了直通之后对桥臂电路中的开关管及整个电路进 行保护。本发明的电路监测桥臂电流，一旦当电流达到异常点，则发出动作信号给DCDC控 制单元600立即关闭桥臂电路500。同时，通知解锁单元400在一定时间后对电路进行解 锁，使桥臂电路500重新恢复正常工作。本发明的电路的响应速度短于桥臂直通电流上升 到危及开关管安全大小的时间。这样，不管由于什么原因发生了桥臂直通，工作电路都能被 有效关断，保护了开关管及电路安全。根据不同的应用需要，本领域技术人员也可以在本发明的范围内进行各种变换。 例如，当在实际应用中，在电路过流后要求电路一直保持关机状态，则此时无需设置解锁单 元400，桥臂电流异常时无需通知软件，也无需软件解锁和启动关闭DCDC控制单元600。本发明的电路还可以应用在其它需要进行电流监测并高速做出反应的场合，目前的上述具体 实施例中电路的动作延时为400ns 1. 3us之间(视桥臂异常电流上升的速率而定，速率 越高电路动作延时越小)。且上述电流检测也可使用取样电路、霍尔传感器等器件实现。而 解锁信号也可由单独的硬件电路发出，等等。本发明的电路的构成还满足了抗扰性要求，即当前电路构成在进行正常负载范围 内的任意操作时，电路均不会动作。同时本发明可以避免误动作的发生。即便是电路在某 些未知情况下(桥臂电流并未发生异常)送出了动作信号关闭了电路，由于动作信号同时 也送达了软件，软件会做出后继判断，对于误动作进行消除处理。本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发 明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合或材料，可对 本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例， 而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。
权利要求
1.一种桥臂直通保护电路，其中桥臂电路(500)由DCDC控制单元(600)发出的开关控 制信号驱动，其特征在于，所述保护电路包括电流采样单元(100)、判断单元(200)和执行 单元(300)；所述电流采样单元(100)输入端与桥臂电路(500)相连，用于对桥臂电流进行采样；所述判断单元(200)输入端与电流采样单元(100)输出端相连，用于对采样的桥臂电 流进行判断并在所述桥臂电流过流时输出过流保护信号；所述执行单元(300)输入端与所述判断单元(200)输出端相连，用于对过流保护信号 进行升压后输出给DCDC控制单元(600)的使能端，以关闭DCDC控制单元(600)。
2.根据权利要求1所述的桥臂直通保护电路，其特征在于，所述保护电路还包括解锁 单元G00)，所述解锁单元(400)输入端与所述判断单元(200)输出端相连，用于接收过流 保护信号以控制DCDC控制单元(600)的开启或关闭。
3.根据权利要求2所述的桥臂直通保护电路，其特征在于，所述解锁单元(400)在接 收过流保护信号后在设定的第一时间段后发出解锁信号给所述执行单元(300)，使执行单 元(300)停止向DCDC控制单元(600)输出过流保护信号，随后在设定的第二时间段后发出 DCDC启动信号给所述DCDC控制单元(600)的使能端以开启所述DCDC控制单元(600)。
4.根据权利要求1所述的桥臂直通保护电路，其特征在于，所述电流采样单元(100)至 少包括电流互感器(CT)和隔离变压器(T)；所述电流互感器(CT)的原边侧串联在所述桥 臂电路(500)中，所述电流互感器(CT)的副边侧与隔离变压器⑴的原边侧相连，所述隔 离变压器(T)的副边侧两端之间连有并联的第一电阻(Rl)和第一电容(Cl)，所述隔离变 压器(T)的副边侧第一端与第一二极管(Dl)的阳极相连，第一二极管(Dl)的阴极通过并 联的第二电阻(R2)、第三电阻(R3)和第四电阻(R4)连接到隔离变压器(T)的副边侧第二 端，第一二极管(Dl)的阴极还通过第五电阻(肪)连接至电流采样单元(100)的输出端，电 流采样单元的输出端通过并联的第六电阻(R6)和第二电容(C2)与隔离变压器(T)的副边 侧第二端相连。
5.根据权利要求1所述的桥臂直通保护电路，其特征在于，所述判断单元(200)至少 包括比较器(Ul)；所述判断单元O00)的输入端通过正向的第二二极管(拟)连接到高电 平(Vcc)，该判断单元O00)的输入端同时通过反向的第三二极管(D3)接地；所述判断单 元O00)的输入端与比较器(Ul)的同向输入端相连，比较器(Ul)的反向输入端通过并联 的第十电阻(RlO)和第三电容(C3)接地，且比较器(Ul)的反向输入端通过第九电阻(R9) 连至高电平(Vcc)；比较器(Ul)的同向输入端通过串联的反向的第四二极管(D4)和第七 电阻(R7)与比较器(Ul)的输出端相连，比较器(Ul)的输出端通过第八电阻(R8)连接至 高电平(Vcc)，且所述比较器(Ul)的输出端作为判断单元(200)的输出端。
6.根据权利要求1所述的桥臂直通保护电路，其特征在于，所述执行单元(300)至少包 括第一开关管Oil)和第二开关管(Q2)，执行单元(300)的输入端依次通过串联的第十二电 阻(R12)和第十五电阻(R15)接地，且第十二电阻(R12)和第十五电阻(R15)之间的节点 与所述第一开关管Oil)的基极相连，第一开关管Oil)的集电极通过第十一电阻(Rll)连 至高电平(Vcc)，第一开关管Oil)的发射极通过第十八电阻(R18)连至执行单元(300)的 输出端；所述第一开关管Oil)的基极与发射极之间连有第十六电阻(R16)，所述第一开关 管Oil)的发射极通过第十七电阻(R17)接地；执行单元(300)的输入端还与第二开关管的集电极相连，第二开关管的发 射极接地，第二开关管的基极通过第十四电阻(R14)连至解锁单元(400)以接收解锁 信号，第二开关管(Q2)的基极还通过并联的第十三电阻(R13)和第四电容(C4)接地。
7. —种整流电路，其特征在于，包括权利要求1至6中任一项所述的桥臂直通保护电路。
全文摘要
本发明涉及一种桥臂直通保护电路，其中桥臂电路由DCDC控制单元发出的开关控制信号驱动，所述保护电路包括电流采样单元、判断单元和执行单元；所述电流采样单元输入端与桥臂电路相连，用于对桥臂电流进行采样；所述判断单元输入端与电流采样单元输出端相连，用于对采样的桥臂电流进行判断并在所述桥臂电流过流时输出过流保护信号；所述执行单元输入端与所述判断单元输出端相连，用于对过流保护信号进行升压后输出给DCDC控制单元的使能端，以关闭DCDC控制单元。本发明还提供了一种采用该桥臂直通保护电路的整流电路。实施本发明的电路能够在桥臂电路发生直通时，有效地关闭DCDC控制单元，从而对桥臂电路进行保护。
文档编号H02H7/20GK102148494SQ201010121849
公开日2011年8月10日 申请日期2010年2月10日 优先权日2010年2月10日
发明者朱春辉, 黄晶晶 申请人:艾默生网络能源系统北美公司