CN114498548B - 过流保护方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种过流保护方法及装置，包括将电源输出电流值Io分别与先前设置好的快速保护阈值IF和慢速保护阈值IS进行比较，如果Io大于快速保护阈值，则MCU将立即封锁PWM发生器，封波保护；若Io介于IS和IF之间，则MCU不会立即封锁PWM发生器，在连续a个开关周期检测到Io介于IS和IF之间，封锁PWM发生器，封波保护。根据保护参数进行对电源输出电流值进行逻辑处理，有效实现多级、分时保护，既确保了高冲击电流时的快速保护，又能够在低冲击电流时正常工作，不误保护。

Description

过流保护方法及装置

技术领域

本发明涉及测量测试用电子设备技术领域，具体涉及一种过流保护方法及装置。

背景技术

目前，在电源输出过流保护的方法上，大多采用以下几种方式：

(1)硬件采样输出电流值，并通过比较器与保护基准电压进行比较，从而实现快速保护，如公开号为CN1848577A的发明专利申请公开的一种过流保护电路，采用硬件电路实现过流保护，优点是能够快速保护，缺点是不够灵活，一旦硬件参数确定后，保护阈值也即确定，无法设定多个阈值，实现多级保护。并且这种方式由于采用电阻分压的方式提供保护基准电压，电阻精度一般较低，且存在温漂与纹波，所以很难实现高精度保护。

(2)采样输出电流值，通过ADC芯片及MCU计算，得到输出电流值，然后与预设的保护值进行比较，从而实现保护如公开号为CN103219694B的发明专利公开的一种过流阀值可调的过流保护电路，包括采样单元、比较单元、控制单元，采样单元和控制单元分别与比较单元电连接，它还包括用于输出识别电压的过流阀值识别单元，过流阀值识别单元与控制单元电连接以向控制单元输出识别电压，识别电压供控制单元用于确定当前采用的过流阀值。采用数字控制的方式实现电路过流保护，但是保护逻辑在检测到输出电流值大于预设的保护值后即会立即保护停机，且保护阈值一般仅有一个，没有多级保护。

而且为了保证设备在过流情况下不损坏内部器件，厂家在设置这个保护阈值的时候，会比较保守，不会设置太高。此外，这种保护方式在输出电压已经建立的情况下，突加容性负载，很容易导致设备报输出过流保护停机，导致用户端的设备无法正常工作。而这种情况在测试电子设备领域非常常见，因为对于测试电子设备而言，它的负载大部分为AC-DC、DC-DC、DC-AC等电源类产品，常见的如光伏逆变器、储能逆变器、车载DC-DC、OBC等，此类电源产品在输入端往往都会加入较大容值的电容。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何有效实现输出电流的分级保护。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

第一方面，采用一种过流保护方法，所述方法包括：

S10、采样得到电源的输出电流值Io；

S20、判断是否满足Io≥IF，IF为快速保护阈值，若是则执行步骤S60，若否则执行步骤S30；

S30、判断是否满足Io≥IS，IS为慢速保护阈值，若是则执行步骤S40，若否则执行步骤S50；

S40、令N＝N+1，并判断是否满足N≥a，N表示慢速保护周期计数值，a表示慢速保护周期数，若是则执行步骤S60，若否则执行步骤S10；

S50、N值清零，然后执行步骤S10；

S60、执行保护动作，封锁PWM发生器，然后执行步骤S10。

通过在MCU设备中设置各保护参数，并根据保护参数进行对电源输出电流值进行逻辑处理，有效实现多级、分时保护，既确保了高冲击电流时的快速保护，又能够在低冲击电流时正常工作，不误保护。

进一步地，所述方法还包括：

判断所述MCU设备是否处于保护状态；

若未处于保护状态，则执行所述步骤S50；

若处于保护状态，判断是否满足Io<IR，IR为恢复电流值；

若是，则恢复所述PWM发生器，执行所述步骤S50；

若否，则直接执行所述步骤S50。

进一步地，所述采样得到电源的输出电流值Io，包括：

所述电源输出电流经滤波电容进行滤波处理后，经采样电阻采样得到采样电压值U1；

利用运算放大器对所述采样电压值U1进行放大，得到电压值U2；

所述电压值U2经差分电路进入ADC采样电路，得到所述输出电流值Io。

第二方面，采用一种过流保护装置，所述装置包括电源、电流获取电路、MCU设备和PWM发生器，所述电源经所述电流获取电路与所述MCU设备连接，所述MCU设备经所述PWM发生器与所述电源连接；

其中，所述MCU设备中设置有慢速保护阈值IS、快速保护阈值IF和慢速保护周期数a，所述MCU设备包括：

获取模块，用于获取电源的输出电流值Io；

第一判断模块，用于判断是否满足Io≥IF；

第二判断模块，用于在所述第一判断模块输出结果为否时，判断是否满足Io≥IS；

第三判断模块，用于在所述第二判断模块输出结果为是时，令N＝N+1，并判断是否满足N≥a，N表示慢速保护周期计数值；

第一确定模块，用于在所述第一判断模块和所述第三判断模块输出结果为是时，执行保护动作，封锁PWM发生器；以及用于在所述第二判断模块输出结果为否时，控制N值清零。

进一步地，所述MCU设备中还设置有恢复电流值IR，所述MCU设备还包括：

第四判断模块，用于判断所述MCU设备是否处于保护状态；

第二确定模块，用于在所述第四判断模块输出结果为否时，控制所述N值清零；

第五判断模块，用于在所述第四判断模块输出结果为是时，判断是否满足Io<IR，IR为恢复电流值；

第三确定模块，用于在所述第五判断模块输出结果为是时，恢复所述PWM发生器，控制所述N值清零；以及用于在所述第五判断模块输出结果为否时，控制所述N值清零。

进一步地，所述电流获取电路包括电容、采样电阻、运算放大器、差分电路和ADC采样电路，其中：

所述电容并联在所述电源两端，所述电容两端并联有负载，所述电容与所述负载之间串联采样电阻，所述采样电阻经运算放大器与差分电路连接，所述差分电路经ADC采样电路与所述MCU设备连接。

第三方面，采用一种设备，所述设备包括存储器、处理器；其中，所述处理器通过读取所述存储器中存储的可执行程序代码来运行与所述可执行程序代码对应的程序，以用于实现如上所述的方法。

本发明的优点在于：

(1)本发明通过在MCU设备中设置各保护参数，并根据保护参数进行对电源输出电流值进行逻辑处理，有效实现多级、分时保护，既确保了高冲击电流时的快速保护，又能够在低冲击电流时正常工作，不误保护。

(2)考虑到了类似突加容性负载或者短路的情况，在MCU设备中设置恢复电流值，既能够实现快速保护，不损坏设备，同时又能够保证在此类工况下不停机，仍正常工作，确保用户测试正常进行。

(3)采用高速运算放大器及MCU数字控制的方式，不仅能够实现高速保护，而且得益于运算放大器、采样电阻等的低温漂、高精度特性，能够实现高精度保护。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明实施例一中过流保护方法的流程图；

图2是本发明实施例一中过流保护方法的整体流程图；

图3是本发明实施例一中快速保护动作逻辑、保护电流、重启电流与时间的关系图；

图4是本发明实施例一中慢速保护动作逻辑、保护电流、重启电流与时间的关系图；

图5是本发明实施例二中过流保护装置的结构图；

图6是本发明实施例二中MCU设备结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

如图1所示，本发明第一实施例公开了一种过流保护方法，用于在MCU设备上执行，所述方法包括如下步骤：

S10、采样得到电源的输出电流值Io；

S20、判断是否满足Io≥IF，IF为快速保护阈值，若是则执行步骤S60，若否则执行步骤S30；

S30、判断是否满足Io≥IS，IS为慢速保护阈值，若是则执行步骤S40，若否则执行步骤S50；

S40、令N＝N+1，并判断是否满足N≥a，N表示慢速保护周期计数值，a表示慢速保护周期数，若是则执行步骤S60，若否则执行步骤S10；

S50、N值清零，然后执行步骤S10；

S60、执行保护动作，封锁PWM发生器，然后执行步骤S10。

需要说明的是，快速保护阈值IF表示设备在极短时间内能够承受的电流极限，目的是做快速保护，使得设备在出现大电流时快速切断输出、保护设备，慢速保护阈值IS表示设备输出电流处于该电流与IF之间时，允许短时间工作，这个时间即为a×T，需视设备内部功率器件实际能够承受的电流情况而定。

需要说明的是，MCU设备对电源的输出电流值Io进行判断，若输出电流值Io≥快速保护阈值IF，则MCU设备自带的快速保护单元可快速作出响应，封锁PWM发生器，停止发波。本实施例中快速保护阈值IF的设置，能够有效保护设备在大电流冲击下的安全性。

若输出电流值Io＜快速保护阈值IF，则MCU设备将进行下一步判断，即将Io与慢速保护阈值IS进行比较，若输出电流值Io≥慢速保护阈值IS，则慢速保护周期计数值N将加1，同时判断慢速保护周期计数值N是否大于等于设定的慢速保护周期数a，若N≥a，则MCU的逻辑单元做出保护动作，封锁PWM发生器，停止发波；若N＜a，则表示过流值处于IS和IF之间，且过流的持续时间尚在设备能够承受的范围内，所以此时设备不会做出保护动作，仍能正常输出。

需要说明的是，快速保护阈值IF和慢速保护阈值IS取值的主要依据来自设备内部功率器件的规格书。一般电源类产品内部主要功率器件为MOSFET或者二极管，此类产品在规格书中都会给出其安全工作范围，即SOA(Safe Operating Area)。依据实际需要以及SOA来确定快速保护阈值IF和慢速保护阈值IS即可。

应当说明的是，快速保护阈值和慢速保护阈值取值的时候既要保证不影响设备正常输出，即IS的取值不能太小，要在设备额定最大输出电流的基础上，放一定的裕量，同时又要保证设备内部器件的安全性，即IF的取值不能过大，要根据器件手册中的SOA来确定具体的值及保护动作时间。

需要说明的是，本实施例设置慢速保护周期数a时，需充分评估设备能够在快速保护阈值IF电流下正常运行的最大时长，在此基础上来确定慢速保护的动作时间，即慢速保护周期数a。

需要说明的是，周期数a指的是PWM的周期，即直流电源的开关周期，周期数的确定主要依据器件手册中的SOA数据，例如直流电源的开关频率为100kHz，则开关周期即为T＝1/f＝1/100000＝10uS，这也是大部分直流电源的最小控制周期。慢速保护阈值IS以及慢速保护周期数a的设置，能够有效确保设备在短时过流情况下的正常稳定工作，并且能够有效防止干扰导致过流保护误动作的发生，大大提高了设备的稳定性。

在一些实施例中，如图2所示，在不满足Io≥IS时，所述方法还包括：

判断所述MCU设备是否处于保护状态；

若未处于保护状态，则执行所述步骤S50；

若处于保护状态，判断是否满足Io<IR，IR为恢复电流值；

若是，则恢复所述PWM发生器，执行所述步骤S50；

若否，则直接执行所述步骤S50。

需要说明的是，一旦设备处于输出过流保护封波状态下，MCU会进一步判断输出电流Io是否小于恢复电流值IR，若输出电流Io小于恢复电流值IR，则设备将立刻恢复PWM发波，同时将慢速保护周期计数值N清零，此时设备又恢复正常工作状态，直到下一次保护动作。

需要说明的是，此处恢复电流值IR的设置，在出现类似输出电压已经建立时突加容性负载或短路等的情况下，瞬时电流会非常大，远远超过设置的保护阈值，此时直流电源能够快速保护，封锁PWM，输出电流能够快速降低，确保设备不被瞬时的大电流损坏，当输出电流降至恢复电流值IR，设备再次恢复PWM发波，使电容充满电后，电流降至设备安全范围继续运行，或者使得设备能够继续在设定的电流值Iset恒流工作，如图3和图4所示，这样就确保了设备在此类工况下持续稳定的工作，而不会保护停机导致设备无法正常使用。

本实施例实现对输出电流的高精度分级保护，兼顾设备运行的安全性和稳定性，同时加入了恢复电流IR，使得设备在过流保护后仍能够自动正常运行。

在一些实施例中，所述步骤S10：采样得到电源的输出电流值Io，包括：

所述电源输出电流经滤波电容进行滤波处理后，经采样电阻采样得到采样电压值U1；

利用运算放大器对所述采样电压值U1进行放大，得到电压值U2；

所述电压值U2经差分电路进入ADC采样电路，得到所述输出电流值Io。

需要说明的是，本实施例利用滤波电容对电源输出电流进行滤波处理，用以对输出电压进行滤波，以实现较小的纹波输出，通过采用高精度、低温漂采样电阻Rsense对直流电源的输出电流进行高精度采样，得到一个采样电压值U1，然后经过高速运放对该电压值U1进行放大处理，得到电压值U2，再将U2通过差分电路送至高速ADC，差分电路可有效避免共模干扰，使得采样值更加稳定、精确。电压信号U2在ADC内部进行模数转换后，得到数字量传送至MCU，之后经过校准、换算等操作后，得到准确的输出电流值Io。电流采样精度可以达到万分之几，甚至更高，同时由于是采样差分传输，抗干扰能力也很强，进一步保证了采样值的精度和可靠性。

本实施例采用高速运放及MCU数字控制的方式，实现高速保护、高精度保护的同时，加入算法逻辑后，可有效实现多级、分时保护，既确保了高冲击电流时的快速保护，又能够在低冲击电流时正常工作，不误保护。同时，在算法上也考虑到了类似突加容性负载或者短路的情况，加入了恢复电流IR的设置，既能够实现快速保护，不损坏设备，同时又能够保证在此类工况下不停机，仍正常工作，确保用户测试正常进行。

如图5至图6所示，本发明第二实施例公开了一种过流保护装置，所述装置包括电源10、电流获取电路20、MCU设备30和PWM发生器40，所述电源10经所述电流获取电路20与所述MCU设备30连接，所述MCU设备30经所述PWM发生器40与所述电源10连接；

其中，所述MCU设备30中设置有慢速保护阈值IS、快速保护阈值IF和慢速保护周期数a，所述MCU设备包括：

获取模块31，用于获取电源的输出电流值Io；

第一判断模块32，用于判断是否满足Io≥IF；

第二判断模块33，用于在所述第一判断模块32输出结果为否时，判断是否满足Io≥IS；

第三判断模块34，用于在所述第二判断模块33输出结果为是时，令N＝N+1，并判断是否满足N≥a，N表示慢速保护周期计数值；

第一确定模块35，用于在所述第一判断模块31和所述第三判断模块34输出结果为是时，执行保护动作，封锁PWM发生器40；以及用于在所述第二判断模块33输出结果为否时，控制N值清零。

需要说明的是，本实施例通过电流获取电流获取电源输出电流，输入到MCU内部进行逻辑运算，MCU设备中设置有快速保护阈值IF、慢速保护阈值IS、恢复值IR、慢速保护恢复周期数a；将Io值分别与先前设置好的快速保护阈值IF和慢速保护阈值IS进行比较，如果Io大于快速保护阈值，则MCU将立即封锁PWM发生器，封波保护；若Io介于IS和IF之间，则MCU不会立即封锁PWM发生器，而是需要连续a个开关周期检测到Io介于IS和IF之间，才会封锁PWM发生器，封波保护。

在一些实施例中，所述MCU设备中还设置有恢复电流值IR，所述MCU设备还包括：

第四判断模块，用于判断所述MCU设备是否处于保护状态；

第二确定模块，用于在所述第四判断模块输出结果为否时，控制所述N值清零；

第五判断模块，用于在所述第四判断模块输出结果为是时，判断是否满足Io<IR，IR为恢复电流值；

第三确定模块，用于在所述第五判断模块输出结果为是时，恢复所述PWM发生器，控制所述N值清零；以及用于在所述第五判断模块输出结果为否时，控制所述N值清零。

需要说明的是，发生封波保护后，电流往往会快速下降，当电流降至安全阈值(恢复值)IR后，MCU会恢复PWM发生器，重新发波，此时如果过流现象已经消失(如突加容性负载的情况，在电容充满电后，过流现象就消失了)，则设备会以封波前的状态正常工作，此时若输出端负载仍为低阻值负载或短路，则设备会在用户设置的恒流值Iset恒流工作。以上现象都不会导致设备在发生过流等现象后保护停机，导致设备无法正常输出。

在一些实施例中，所述电流获取电路包括电容21、采样电阻22、运算放大器23、差分电路24和ADC采样电路25，其中：

所述电容21并联在所述电源10两端，所述电容21两端并联有负载50，所述电容21与所述负载50之间串联采样电阻22，所述采样电阻22经运算放大器与23差分电路24连接，所述差分电路24经ADC采样电路25与所述MCU设备30连接。

需要说明的是，本实施例通过采用高精度、低温漂采样电阻Rsense对直流电源的输出电流进行高精度采样，得到一个采样电压值U1，然后经过高速运放对该电压值U1进行放大处理，得到电压值U2，再将U2通过差分电路送至高速ADC，差分电路可有效避免共模干扰，使得采样值更加稳定、精确。电压信号U2在ADC内部进行模数转换后，得到数字量传送至MCU，之后经过校准、换算等操作后，得到准确的输出电流值Io。

本发明第三实施例公开了一种设备，所述设备包括存储器、处理器；其中，所述处理器通过读取所述存储器中存储的可执行程序代码来运行与所述可执行程序代码对应的程序，以用于实现如上所述的方法。

需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行***、装置或设备(如基于计算机的***、包括处理器的***或其他可以从指令执行***、装置或设备取指令并执行指令的***)使用，或结合这些指令执行***、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行***、装置或设备或结合这些指令执行***、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种过流保护方法，其特征在于，用于在MCU设备上执行，所述方法包括：

S10、采样得到电源的输出电流值Io，包括：

所述电源输出电流经滤波电容进行滤波处理后，经采样电阻采样得到采样电压值U1；

利用运算放大器对所述采样电压值U1进行放大，得到电压值U2；

所述电压值U2经差分电路进入ADC采样电路，得到所述输出电流值Io；

S20、判断是否满足Io≥IF，IF为快速保护阈值，若是则执行步骤S60，若否则执行步骤S30；

S30、判断是否满足Io≥IS，IS为慢速保护阈值，若是则执行步骤S40，若否则执行步骤S50；

S40、令N＝N+1，并判断是否满足N≥a，N表示慢速保护周期计数值，a表示慢速保护周期数，若是则执行步骤S60，若否则执行步骤S10；

S50、N值清零，然后执行步骤S10；

S60、执行保护动作，封锁PWM发生器，然后执行步骤S10；

在不满足Io≥IS时，所述方法还包括：

判断所述MCU设备是否处于保护状态；

若未处于保护状态，则执行所述步骤S50；

若处于保护状态，判断是否满足Io<IR，IR为恢复电流值；

若是，则恢复所述PWM发生器，执行所述步骤S50；

若否，则直接执行所述步骤S50。

2.一种过流保护装置，其特征在于，所述装置包括电源、电流获取电路、MCU设备和PWM发生器，所述电源经所述电流获取电路与所述MCU设备连接，所述MCU设备经所述PWM发生器与所述电源连接；所述电流获取电路包括电容、采样电阻、运算放大器、差分电路和ADC采样电路，所述电容并联在所述电源两端，所述电容两端并联有负载，所述电容与所述负载之间串联采样电阻，所述采样电阻经运算放大器与差分电路连接，所述差分电路经ADC采样电路与所述MCU设备连接；

其中，所述MCU设备中设置有慢速保护阈值IS、快速保护阈值IF和慢速保护周期数a，所述MCU设备包括：

获取模块，用于获取电源的输出电流值Io；

第一判断模块，用于判断是否满足Io≥IF；

第二判断模块，用于在所述第一判断模块输出结果为否时，判断是否满足Io≥IS；

第三判断模块，用于在所述第二判断模块输出结果为是时，令N＝N+1，并判断是否满足N≥a，N表示慢速保护周期计数值；

第一确定模块，用于在所述第一判断模块和所述第三判断模块输出结果为是时，执行保护动作，封锁PWM发生器；以及用于在所述第二判断模块输出结果为否时，控制N值清零；

所述MCU设备中还设置有恢复电流值IR，所述MCU设备还包括：

第四判断模块，用于判断所述MCU设备是否处于保护状态；

第二确定模块，用于在所述第四判断模块输出结果为否时，控制所述N值清零；

第五判断模块，用于在所述第四判断模块输出结果为是时，判断是否满足Io<IR，IR为恢复电流值；

第三确定模块，用于在所述第五判断模块输出结果为是时，恢复所述PWM发生器，控制所述N值清零；以及用于在所述第五判断模块输出结果为否时，控制所述N值清零。

3.一种设备，其特征在于，所述设备包括存储器、处理器；其中，所述处理器通过读取所述存储器中存储的可执行程序代码来运行与所述可执行程序代码对应的程序，以用于实现如权利要求1所述的方法。