CN102636676B - 桥式电流检测电路 - Google Patents

桥式电流检测电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种桥式电流检测电路。该桥式电流检测电路包括：电流互感器，电流检测电阻(Rs)、第一可控开关(S1)、第二可控开关(S2)、第三可控开关(S3)和第四可控开关(S4)。本发明可以将大反灌电流误触发控制芯片逐波限流保护动作而引起电源烧毁的隐患消除，从而提高电源的可靠性。

Description

桥式电流检测电路
技术领域
本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种桥式电流检测电路。
背景技术
图1是根据相关技术的全桥加副边同步整流的拓扑结构的示意图，如图1所示，电流互感器(CURRENT TRANSFORMER，简称为CT)原边电流等于全桥变压器原边电流。
开关管Q1、Q4导通，CT原边电流从CSA流向CSB，此时电源的能量从变压器原边传到副边，整个电路能量是从输入电源处发出，电流检测电路检测出来的电流为正向电流；而开关管Q1、Q4导通，CT原边电流从CSB流向CSA，电路拓扑能量往输入电源处回灌，此时电流检测电路检测出来的电流为反灌电流。同理，开关管Q2、Q3导通，CT原边电流从CSB流向CSA，电流检测电路检测出来的电流为正向电流；反之开关管Q2、Q3导通，CT原边电流从CSA流向CSB，电流检测电路检测出来的电流为反灌电流。反灌电流是由于各种情况下副边能量反灌到原边而产生。
图2是根据相关技术的桥式电流检测电路的示意图，如图2所示，CT原边电流从CSA流向CSB时，根据同名端关系，CT副边感应电流先经D1，再经Rs，最后从D4回来，形成环路。在Rs上形成电压，通过欧姆定律从而可以得出CT的副边电流大小，按照CT原副边匝比关系，得到CT原边电流大小，也就是全桥主变压器电流大小；而CT原边电流从CSB流向CSA时，CT副边感应电流先经D3，再经Rs，最后从D2回来形成环路。在Rs上形成电压，从而可以得到此时CT原边电流大小，也就是全桥主变压器电流大小。
不管Q1、Q2、Q3、Q4如何导通，全桥主电路中的电流是正向电流还是反灌电流，只要有电流流过CT原边绕组，就会在Rs上形成对应成比例的正向电压。
图3是根据相关技术的电流型全桥与同步整流的整体结构的示意图，如图3所示，D1、D2、D3、D4功能就是一个全波整流，通过Rs将CT上的正负交流信号整流成对应的正电压信号，该电压信号经R2、C2滤波之后输入到电流型控制芯片的电流检测引脚(CURRENTSENSE，简称为CS)，电流型控制芯片根据CS脚电平大小调整脉冲宽度调制(PULSE WIDTHMODULATION，简称为PWM)信号的占空比大小，PWM波如图中3中的OUTA、OUTB。
图4是根据相关技术的检测获得的电流检测信号的示意图，如图4所示，为Rs电阻上采得一个周期(全桥两组对管各开通半个周期)的CT电流波形，其中每半个周期的波形又分为阶段1和阶段2(在图4中分别用1和2标识)。经分析可知图4中阶段1对应的即为反灌电流整流而得的电压波形。当副边大反灌电流作用到原边时，此时该电流检测电路将反灌电流检测成对应成比例的正向电压。
但是，反灌电流越大，则对应正向电压越大，CS信号电压越大。当CS信号超过控制芯片内部逐波限流保护阀值电压，将误触发控制芯片逐波限流保护动作，从而引起电源模块烧毁。
发明内容
针对相关技术中电流检测电阻Rs将反灌电流检测成对应成比例的正向电压的问题而提出本发明，为此，本发明的主要目的在于提供一种桥式电流检测电路，以解决上述问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种桥式电流检测电路。
根据本发明的桥式电流检测电路包括：电流互感器，其中，电流互感器的原边绕组串联在全桥主电路中，电流互感器的副边绕组的一端连接至第一可控开关的一端和第二可控开关的一端，电流互感器的副边绕组的另一端连接至第三可控开关的一端和第四可控开关的一端；电流检测电阻，其中，电流检测电阻的一端连接至第一可控开关的另一端和第三可控开关的另一端，电流检测电阻的另一端连接至第二可控开关的另一端和第四可控开关的另一端并接地，其中第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关和第四可控开关，用于在控制信号的作用下，为电流互感器的副边绕组的感应电流到电流检测电阻提供通路。
进一步地，上述桥式电流检测电路还包括：基准供电电源，用于为电流检测电阻提供一个固定的正向分压；偏置分压电阻，其中，偏置分压电阻的一端连接至基准供电电源，偏置分压电阻的另一端连接至电流检测电阻的一端。
进一步地，上述桥式电流检测电路还包括：滤波电路，用于对电流检测电阻检测的电流进行滤波。
进一步地，滤波电路包括：电阻，其中，电阻的一端连接至电流检测电阻的一端，电阻的另一端输出滤波后的电流；电容，其中，电容的一端连接至电阻的另一端，电容的另一端接地。
进一步地，上述桥式电流检测电路还包括：二级管，其负极连接至电阻的另一端，正极接地。
进一步地，二级管为导通压降低于0.3V的肖特基二极管。
进一步地，上述桥式电流检测电路还包括：MOS开关管，其漏极连接至电阻的另一端，其源极接地。
进一步地，MOS开关管用于在控制信号的作用下，与第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关和/或第四可控开关同时导通。
进一步地，MOS开关管的导通时间不超过100ns。
进一步地，MOS开关管为小信号N沟道MOS管。
通过本发明，在四个可控开关S1、S2、S3、S4的控制下，电流检测电阻Rs将反灌电流检测成对应成比例的负向电压。由于控制芯片逐波限流保护动作阀值电压为正压，因此反灌电流对应的负向电压是不会触发芯片逐波限流保护动作的，即通过本发明的技术方案可以将大反灌电流误触发控制芯片逐波限流保护动作而引起电源烧毁的隐患消除，从而提高电源的可靠性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据相关技术的全桥加副边同步整流的拓扑结构的示意图；
图2是根据相关技术的桥式电流检测电路的示意图；
图3是根据相关技术的电流型全桥与同步整流的整体结构的示意图；
图4是根据相关技术的检测获得的电流检测信号的示意图；
图5是根据本发明实施例的桥式电流检测电路的示意图；
图6是根据本发明实施例的电流检测结构中可控开关S1、S2、S3、S4，以及开关管VT相对于全桥主管Q1、Q2、Q3、Q4的驱动时序图；
图7是根据本发明实施例的桥式电流检测电路检测获得的电流检测信号的示意图；
图8是根据本发明优选实施例的桥式电流检测电路的示意图；
图9是根据本发明优选实施例一的桥式电流检测电路检测获得的电流检测信号的示意图；
图10是根据本发明优选实施例二的桥式电流检测电路检测获得的电流检测信号的示意图；
图11是根据本发明优选实施例三的桥式电流检测电路检测获得的电流检测信号的示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明实施例提供了一种桥式电流检测电路。图5是根据本发明实施例的桥式电流检测电路的示意图，如图5所示，包括电流互感器、电流检测电阻Rs、第一可控开关S1、第二可控开关S2、第三可控开关S3和第四可控开关S4。下面对其结构进行详细描述。
电流互感器的原边绕组串联在全桥主电路中，电流互感器的副边绕组的一端连接至第一可控开关S1的一端和第二可控开关S2的一端，电流互感器的副边绕组的另一端连接至第三可控开关S3的一端和第四可控开关S4的一端；电流检测电阻Rs的一端连接至第一可控开关S1的另一端和第三可控开关S3的另一端，电流检测电阻Rs的另一端连接至第二可控开关S2的另一端和第四可控开关S4的另一端并接地，其中第一可控开关S1、第二可控开关S2、第三可控开关S3和第四可控开关S4，用于在控制信号的作用下，为电流互感器的副边绕组的感应电流到电流检测电阻Rs提供通路。
相关技术中，电流检测电阻Rs将反灌电流检测成对应成比例的正向电压。本发明实施例中，在四个可控开关S1、S2、S3、S4的控制下，电流检测电阻Rs将反灌电流检测成对应成比例的负向电压。由于控制芯片逐波限流保护动作阀值电压为正压，因此反灌电流对应的负向电压是不会触发芯片逐波限流保护动作的，即通过本发明的技术方案可以将大反灌电流误触发控制芯片逐波限流保护动作而引起电源烧毁的隐患消除，从而提高电源的可靠性。
需要说明的是，本发明的桥式电流检测电路的输入为全桥原边交流信号，输出为电流检测信号，该信号输入到电流型控制芯片的电流检测引脚，使得PWM信号跟随输入电流的变化而变化。
需要说明的是，当控制信号为高电平时可控开关开通，在开通期间，电流可以双向流过开关；而当控制信号为低电平时可控开关关断，在关断期间，开关上除了很小的漏电流之外，不能流过任何方向的电流。
下面对在四个可控开关S1、S2、S3、S4控制下的电流检测电阻Rs将反灌电流检测成对应成比例的负向电压的过程进行详细描述。
需要说明的是，在本发明实施例中，当主拓扑结构中开关管Q1、Q4导通时，电流互感器原边电流从CSA流向CSB为正向电流，反之检测出来的电流为反灌电流；当主拓扑结构中开关管Q2、Q3导通时，电流互感器原边电流从CSB流向CSA为正向电流，反之检测出来的电流为反灌电流。
图6是根据本发明实施例的电流检测结构中可控开关S1、S2、S3、S4，以及开关管VT相对于全桥主管Q1、Q2、Q3、Q4的驱动时序图，如图6所示，Q1和Q4开通时，S1和S4导通，此时CT副边电流通过S1、S4和Rs导通，在Rs上检测出电流信号的大小及方向；当电流从CSA流向CSB时，主拓扑能量由输入电源发出，CT副边电流先经S1，再经Rs，最后从S4回来形成环路，在Rs上形成对应成比例的正向电压；而当电流从CSB流向CSA时，主拓扑能量往输入电源送，即此时电流为反灌电流，CT副边电流先经S4，再经Rs，最后从S1回来形成环路，从而在Rs上形成对应成比例的负向电压。所以Rs上的正向电压对应为正向电流，负向电压对应为反灌电流。根据全桥工作的原理，反灌电流产生在主开关管开通的前期，主要是由于各种情况下副边电流反灌到原边而产生。
图7是根据本发明实施例的桥式电流检测电路检测获得的电流检测信号的示意图，如图7所示，该信号是正负的。
优选地，桥式电流检测电路还包括：基准供电电源Ur，用于为电流检测电阻Rs提供一个固定的正向分压；偏置分压电阻R1，其中，偏置分压电阻的一端连接至基准供电电源Ur，偏置分压电阻的另一端连接至电流检测电阻Rs的一端。
本优选实施例中，电流检测电阻的电压由两部分叠加而成：1、电流互感器的副边绕组感应电流在电流检测电阻上产生的电压信号；2、偏置电源部分在电流检测电阻上产生的固定正向偏压。
优选地，桥式电流检测电路还包括：滤波电路，用于对电流检测电阻Rs检测的电流进行滤波。
本优选实施例中，滤波电路对输入该滤波网络的电压信号进行滤波，从而抑制减弱一部分噪声的幅值。
优选地，滤波电路包括：电阻R2，其中，电阻R2的一端连接至电流检测电阻Rs的一端，电阻R2的另一端输出滤波后的电流；电容C2，其中，电容C2的一端连接至电阻R2的另一端，电容C2的另一端接地。
优选地，桥式电流检测电路还包括：二级管D，其负极连接至电阻R2的另一端，正极接地。
优选地，二级管D为导通压降低于0.3V的肖特基二极管。
本优选实施例中，二级管D嵌位控制芯片电流检测信号输入引脚的负向电压在任何条件下都不超过-0.3V，从而可以保护控制芯片。
优选地，桥式电流检测电路还包括：MOS开关管VT，其漏极连接至电阻R2的另一端，其源极接地。
优选地，MOS开关管VT用于在控制信号的作用下，与第一可控开关S1、第二可控开关S2、第三可控开关S3和/或第四可控开关S4同时导通。
优选地，MOS开关管VT的导通时间不超过100ns。
本优选实施例中，MOS开关管VT可以将来自主拓扑主管的开关噪声嵌位到地电平，从而将最终的电流检测信号前沿开关噪声消除掉。
优选地，MOS开关管VT为导通电阻小的小信号N沟道MOS管。
下面将结合实例对本发明实施例的实现过程进行详细描述。
图8是根据本发明优选实施例的桥式电流检测电路的示意图，如图8所示，在图5所示的桥式电流检测电路的基础上，依次增加了Ur和R1、R2和C2、D和VT。下面通过优选实施例一至优选实施例三对其进行详细描述。
优选实施例一
本发明优选实施例一在图5所示的桥式电流检测电路的基础上增加了Ur和R1。
图9是根据本发明优选实施例一的桥式电流检测电路检测获得的电流检测信号的示意图。由于通过Ur和R1在Rs上添加了一个正向偏压，因此该桥式电流检测电路检测获得的电流检测信号在图7的基础上叠加了一个正向的偏压，从而使电流检测信号整体往上偏移。
需要说明的是，加在Rs上的正向偏置电压大小可以通过电路调试来获得，本发明通过改变电源输出端负载，在空载、满载、空满载跳变等动作来测试Rs上稳态的负压，并取其中绝对值最大的负压确定为所要叠加的正向偏压大小。从而可以保证在电路稳态工作过程中，检测到噪声之外的稳态负向电压都被转换成了正向电压。
优选实施例二
本发明优选实施例二在图5所示的桥式电流检测电路的基础上增加了Ur、R1、R2和C2。
图10是根据本发明优选实施例二的桥式电流检测电路检测获得的电流检测信号的示意图。由于叠加了正向偏置电压的电流检测信号输入R2、C2滤波网络，经滤波之后(如图10所示，可以看出前沿噪声显著减小)，输入控制芯片的电流检测引脚。
需要注意R2、C2滤波参数的选取既不能太强也不能太弱，滤波能力太强，会把电流检测波形中每个周期的正向电流峰值滤平，把真正表现全桥原边主电流最大值的峰值点滤除掉了，这会导致电流环控制不准确，严重时造成电源模块的烧毁。而如果滤波能力太弱，则在电源带大容载开机瞬间产生的峰值电流会触发控制芯片的逐波限流动作，从而使电源开不了机。所以这个R2、C2滤波参数的取值，需要根据布板的具体情况，通过调试来确定。
优选实施例三
本发明优选实施例三在图5所示的桥式电流检测电路的基础上增加了Ur、R1、R2、C2、D和VT。
图11是根据本发明优选实施例三的桥式电流检测电路检测获得的电流检测信号的示意图。由于控制芯片CS引脚处的二极管D，须选用导通压降低于0.3V的肖特基二极管。该二极管的作用是嵌位控制芯片电流检测引脚处的负压。当电源原边有一个很大的反灌电流时，该反灌电流形成的负压通过叠加固定的直流偏置不能完全消除，此时二极管D会导通，将控制芯片CS脚处的负压电平嵌位到0.3V以下，保护芯片不受损坏。
控制芯片的CS引脚处增加的小信号MOS管VT，其驱动信号见图6所示。VT在全桥每组对管开通的稍前开通(这是由于驱动信号的上升沿是同时的，但由于VT是小信号MOS管，Qg小，所以能更快的开通)，开通维持时间不超过100ns，其作用是将电流检测信号的前沿噪声嵌位到地(见图11)，彻底消除前沿噪声误触发控制芯片逐波限流动作的隐患。
综上所述，根据本发明的上述实施例，提供了一种桥式电流检测电路。通过本发明，在四个可控开关S1、S2、S3、S4的控制下，电流检测电阻Rs将反灌电流检测成对应成比例的负向电压。由于控制芯片逐波限流保护动作阀值电压为正压，因此反灌电流对应的负向电压是不会触发芯片逐波限流保护动作的，即通过本发明的技术方案可以将大反灌电流误触发控制芯片逐波限流保护动作而引起电源烧毁的隐患消除，从而提高电源的可靠性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种桥式电流检测电路，其特征在于，包括：
电流互感器，其中，所述电流互感器的原边绕组串联在全桥主电路中，所述电流互感器的副边绕组的一端连接至第一可控开关（S1）的一端和第二可控开关（S2）的一端，所述电流互感器的副边绕组的另一端连接至第三可控开关（S3）的一端和第四可控开关（S4）的一端；
电流检测电阻（Rs），其中，所述电流检测电阻（Rs）的一端连接至所述第一可控开关（S1）的另一端和所述第三可控开关（S3）的另一端，所述电流检测电阻（Rs）的另一端连接至所述第二可控开关（S2）的另一端和所述第四可控开关（S4）的另一端并接地，其中所述第一可控开关（S1）、所述第二可控开关（S2）、所述第三可控开关（S3）和所述第四可控开关（S4）在开通期间，电流可以双向流过，用于在控制信号的作用下，为所述电流互感器的副边绕组的感应电流到所述电流检测电阻（Rs）提供通路。
2.根据权利要求1所述的桥式电流检测电路，其特征在于，还包括：
基准供电电源（Ur），用于为所述电流检测电阻（Rs）提供一个固定的正向分压；
偏置分压电阻（R1），其中，所述偏置分压电阻的一端连接至所述基准供电电源（Ur），所述偏置分压电阻的另一端连接至所述电流检测电阻（Rs）的一端。
3.根据权利要求1所述的桥式电流检测电路，其特征在于，还包括：滤波电路，用于对所述电流检测电阻（Rs）检测的电流进行滤波。
4.根据权利要求3所述的桥式电流检测电路，其特征在于，所述滤波电路包括：
电阻（R2），其中，所述电阻（R2）的一端连接至所述电流检测电阻（Rs）的一端，所述电阻（R2）的另一端输出滤波后的电流；
电容（C2），其中，所述电容（C2）的一端连接至所述电阻（R2）的另一端，所述电容（C2）的另一端接地。
5.根据权利要求4所述的桥式电流检测电路，其特征在于，还包括：二级管（D），其负极连接至所述电阻（R2）的另一端，正极接地。
6.根据权利要求5所述的桥式电流检测电路，其特征在于，所述二级管（D）为导通压降低于0.3V的肖特基二极管。
7.根据权利要求4所述的桥式电流检测电路，其特征在于，还包括：MOS开关管（VT），其漏极连接至所述电阻（R2）的另一端，其源极接地。
8.根据权利要求7所述的桥式电流检测电路，其特征在于，所述MOS开关管（VT）用于在所述控制信号的作用下，与所述第一可控开关（S1）、所述第二可控开关（S2）、所述第三可控开关（S3）和/或所述第四可控开关（S4）同时导通。
9.根据权利要求8所述的桥式电流检测电路，其特征在于，所述MOS开关管（VT）的导通时间不超过100ns。
10.根据权利要求7所述的桥式电流检测电路，其特征在于，所述MOS开关管（VT）为小信号N沟道MOS管。
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