用於高功率因數驅動系統的採樣短路保護電路及方法
2023-09-10 14:57:45 2
專利名稱：用於高功率因數驅動系統的採樣短路保護電路及方法
技術領域：
本發明涉及高功率因數驅動系統，尤其涉及用於高功率因數驅動系統的採樣短路保護電路及方法。
背景技術：
高功率因數驅動系統是通過PFC (功率因數校正)控制電路控制開關管(例如電晶體、場效應管、可控矽閘流管等)的導通和關斷來維持穩定電壓或電流輸出的一種電源，也被稱為PFC控制系統，例如開關電源、LED照明驅動電源等。圖1示出一種傳統的PFC控制系統，包括功率轉換電路10、PFC控制電路12、開關管(例如MOS管)Ml、以及採樣電阻Rs。功率轉換電路10可以將輸入電流/電壓轉換成所需的目標電流/電壓。PFC控制電路12在DR管腳上輸出驅動信號以控制開關管Ml的導通和關斷，從而控制功率轉換電路10的工作狀態。另外，PFC控制電路12通過CS管腳(SP，採樣端)檢測採樣電阻Rs的電壓值來確定流經開關管Ml的電流信號，從而在正常工作時可以通過採樣端檢測來達到限流或者取電流的目的。但是，當出現異常狀態尤其是採樣短路時，例如採樣端焊接異常、CS管腳與地短路、和/或採樣電阻Rs損壞或短路時，PFC控制電路12在採樣端檢測到的採樣電壓很小或者為0，便會認為開關管Ml的輸出電流不夠，並因此增大開關管Ml的導通時間以增大電流。此類異常狀態會導致無法準確監控流經開關管Ml的電流，並且如果過度地使流經開關管Ml的電流增大，那麼在開關管Ml關斷時其源漏兩極的電壓會超出開關管Ml的耐壓值，可能導致開關管Ml損壞，從而危害整個PFC控制系統。因此，本領域需要一種採樣短路保護電路和/或方法，以有效地檢測高功率因數驅動系統的異常狀態(尤其是採樣短路)並提供有效的採樣短路保護。
發明內容
本發明旨在解決現有技術的不足，提供一種用於高功率因數驅動系統的採樣短路保護電路及方法，使得在異常狀態下尤其是採樣短路時，例如採樣端焊接異常、CS端與地短路、或者採樣電阻損壞時，系統能檢測到這種狀態並且關斷開關管，直到系統重啟後進入下一個檢測周期，如果採樣端仍處於短路狀態，則繼續關斷並重啟；如果採樣短路狀態解除，系統恢復正常工作。本發明提供了一種用於高功率因數驅動系統的功率因數校正(PFC)控制電路，該高功率因數驅動系統可包括功率轉換電路、耦合至功率轉換電路的開關管以及耦合至開關管的採樣電阻，該功率因數校正控制電路可包括功率因數校正控制模塊，用於產生驅動信號以控制該開關管的導通和關斷；以及採樣短路保護電路。採樣短路保護電路可包括短路檢測電路，其接收由功率轉換電路的輸入源提供的輸入電壓信號和經由採樣電阻檢測到的採樣電壓信號，當輸入電壓信號大於第一基準電壓並且採樣電壓信號持續地小於第二基準電壓達預定數目個周期之後確定檢測到採樣短路；以及邏輯電路，其接收短路檢測電路的輸出以及指示該功率因數校正控制電路是否處於欠壓狀態的欠壓信號，並在短路檢測電路檢測到採樣短路時產生保護信號直至接收到指示該功率因數校正控制電路處於欠壓狀態的欠壓信號，該保護信號使功率因數校正控制模塊關斷該開關管。
在一個實施例中，短路檢測電路可包括第一比較器，用於將輸入電壓信號與第一基準電壓作比較；第二比較器，用於將採樣電壓信號與第二基準電壓作比較；門電路，其接收第一比較器和第二比較器的輸出，在輸入電壓信號大於第一基準電壓並且米樣電壓信號小於第二基準電壓時輸出第二電平，否則輸出第一電平；以及計數器，用於接收該門電路的輸出和第一時鐘信號，計數器在該門電路輸出第一電平時清零，在該門電路輸出第二電平時在第一時鐘信號的控制下進行計數，並在連續計數達預定數目個周期之後產生指示檢測到採樣短路的第二時鐘信號以提供給該邏輯電路。
在一個實施例中，該門電路可包括或門、或非門、與門或者與非門，該邏輯電路可包括第一 RS觸發器。
在一個實施例中，該功率因數校正控制電路還可包括欠壓鎖存電路，用於檢測該功率因數校正控制電路的電源端是否處於欠壓狀態並產生該欠壓信號。
在一個實施例中，該功率因數校正控制模塊可包括恆流環控制電路，用於根據輸入電壓信號、採樣電壓信號、以及功率轉換電路的反饋信號來產生關斷信號；振蕩器，用於產生第一時鐘信號；第二 RS觸發器，用於接收該關斷信號和第一時鐘信號；以及邏輯驅動電路，用於根據採樣短路保護電路輸出的保護信號和第二 RS觸發器的輸出來產生驅動信號以控制該開關管的導通和關斷。
本發明還公開了一種包括如上所述的功率因數校正控制電路的高功率因數驅動系統。該高功率因數驅動系統還可包括交流輸入源；整流橋，用於對交流輸入源的輸入信號進行整流以向功率轉換電路提供輸入；耦合至整流橋的分壓電阻，用於產生輸入電壓信號；以及耦合至整流橋的啟動電路，用於向該功率因數校正控制電路的電源端供電。
在一個實施例中，該高功率因數驅動系統還可包括變壓器，包括耦合在整流橋與開關管之間的原邊繞組、用於提供輸出的副邊繞組、以及用於提供該反饋信號的輔助繞組。
在另一個實施例中，該高功率因數驅動系統還可包括耦合在整流橋與開關管之間以提供輸出的電感、以及耦合至該電感以提供該反饋信號的輔助繞組。
本發明還提供了一種用於高功率因數驅動系統的控制方法。該高功率因數驅動系統可包括功率因數校正控制電路、功率轉換電路、耦合至功率轉換電路的開關管以及耦合至該開關管的採樣電阻。該方法可包括通過該功率因數校正控制電路產生驅動信號以控制該開關管的導通和關斷；接收由功率轉換電路的輸入源提供的輸入電壓信號和經由採樣電阻檢測到的採樣電壓信號；當輸入電壓信號大於第一基準電壓並且採樣電壓信號持續地小於第二基準電壓達預定數目個周期之後確定檢測到採樣短路；以及在檢測到採樣短路時產生保護信號直至接收到指示該功率因數校正控制電路處於欠壓狀態的欠壓信號，該保護信號使該功率因數校正控制電路關斷該開關管。
在一個實施例中，該方法還可包括當輸入電壓信號大於第一基準電壓並且米樣電壓信號小於第二基準電壓時在第一時鐘信號的控制下進行計數，否則將該計數清零；以及在連續計數達預定數目個周期之後產生指示檢測到採樣短路的第二時鐘信號。
在一個實施例中，該方法還可包括檢測該功率因數校正控制電路的電源端是否處於欠壓狀態並產生該欠壓信號。在一個實施例中，產生驅動信號可包括根據輸入電壓信號、米樣電壓信號、以及功率轉換電路的反饋信號來產生關斷信號；產生第一時鐘信號；以及根據該保護信號、關斷信號和第一時鐘信號產生驅動信號以控制該開關管的導通和關斷。本發明解決了傳統高功率因數驅動系統因採樣短路而損壞開關管甚至整個系統的問題，為高功率因數驅動系統提供了安全保證。
圖1不出一種傳統的PFC控制系統的框圖。圖2示出根據本發明一實施例的高功率因數驅動系統的框圖。圖3示出根據本發明一實施例的CS短路保護電路的示意圖。圖4示出根據本發明一實施例的包括採樣短路保護電路的高功率因數驅動系統的示意圖。圖5示出根據本發明另一實施例的包括採樣短路保護電路的高功率因數驅動系統的示意圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步說明，但是本領域技術人員將明白，以下描述和附圖僅是示例性的，而不應限制本發明的保護範圍。圖2示出根據本發明一實施例的高功率因數驅動系統(例如，開關電源)，其包括功率轉換電路10、功率因數校正(PFC)控制電路15、開關管(例如MOS管)Ml、以及採樣電阻Rs0功率轉換電路10可以是可用於將輸入電流/電壓轉換成所需的目標電流/電壓的任何適當的功率轉換電路，例如變壓器、電感等。PFC控制電路15可包括PFC控制模塊20和CS短路保護電路25。PFC控制模塊20在PFC控制電路15的DR管腳上輸出驅動信號以控制開關管Ml的導通和關斷，從而控制功率轉換電路10的工作狀態。PFC控制電路15通過CS管腳(即採樣端)檢測採樣電阻Rs的電壓值(即，採樣電壓信號CS)來確定流經開關管Ml的電流信號。CS短路保護電路25根據由功率轉換電路10的輸入源(例如，交流源)提供的輸入電壓信號VAC(例如，功率轉換電路10的輸入電壓的包絡信號、或者該輸入電壓的分壓信號等)和PFC控制電路15經由採樣電阻Rs檢測到的採樣電壓信號CS來判斷是否發生採樣短路，並相應地輸出信號SD至PFC控制模塊20。在未檢測到短路時，信號SD可處於第一電平(或無效電平)，不影響PFC控制模塊20產生的驅動輸出DR。在檢測到採樣短路時，如採樣端焊接異常、CS管腳與地短路、和/或採樣電阻Rs損壞或短路時，信號SD可處於第二電平(或有效電平、或稱為保護信號)以使PFC控制模塊20關斷開關管M1，直至CS短路保護電路25接收到指示PFC控制電路15處於欠壓狀態的欠壓信號UVLO時信號SD再次變為無效，不再影響PFC控制模塊20。欠壓信號UVLO可由能夠檢測PFC控制電路15是否處於欠壓狀態的任何器件來提供，例如下文描述的欠壓鎖存電路。該高功率因數驅動系統由於開關管Ml持續關斷導致欠壓而重啟之後、或者由於其它原因而重啟之後，PFC控制電路15不再處於欠壓狀態，欠壓信號UVLO失效，從而CS短路保護電路25進入下一個檢測周期，繼續根據輸入電壓信號VAC和採樣電壓信號CS來判斷是否發生採樣短路，如果採樣端仍處於短路狀態，則繼續關斷開關管Ml並等待重啟；如果採樣短路狀態解除，該高功率因數驅動系統恢復正常工作。圖3示出根據本發明一實施例的CS短路保護電路25的示意圖。在該實施例中，CS短路保護電路25可包括短路檢測電路30和邏輯電路38。短路檢測電路30用於根據輸入電壓信號VAC和採樣電壓信號CS來判斷是否發生採樣短路並相應地輸出指示是否發生採樣短路的信號。例如，當信號VAC大於預設的第一基準電壓VREFl並且信號CS持續地小於預設的第二基準電壓VREF2達預定數目個周期之後，短路檢測電路30確定檢測到採樣短路。邏輯電路38根據短路檢測電路30的輸出和欠壓信號UVLO來產生信號SD。例如，當短路檢測電路30檢測到採樣短路時，邏輯電路38產生保護信號SD使得PFC控制模塊20關斷開關管Ml，直到欠壓信號UVLO指示PFC控制電路15處於欠壓狀態時使信號SD失效從而不再影響PFC控制模塊20。參考圖3，在一個實施例中，短路檢測電路30可包括第一比較器31、第二比較器32、門電路33和計數器34。第一比較器31用於將信號VAC與VREFl作比較，第二比較器32用於將信號CS與VREF2作比較，門電路33接收第一比較器31和第二比較器32的輸出，並設置成在信號VAC大於VREFl並且信號CS小於VREF2時輸出第二電平(例如，高電平)，否則輸出第一電平(例如，低電平或其它無效電平)。計數器34用於接收門電路33的輸出和第一時鐘信號CLKl，並且在門電路33輸出第一電平時清零，在門電路33輸出第二電平時在第一時鐘信號CLKl的控制下進行計數，在連續計數達預定數目個周期之後產生指示檢測到採樣短路的第二時鐘信號CLK2。在如圖3所示的一個具體實施例中，門電路33被示為或非門，第一比較器31的正輸入端接收VREFl，其負輸入端接收信號VAC，並且其輸出耦合至或非門33的一個輸入端。第二比較器32的正輸入端接收信號CS，其負輸入端接收VREF2，並且其輸出耦合至或非門33的另一個輸入端。或非門33的輸出耦合至計數器34的一端，計數器34的另一端接收第一時鐘信號CLKl，CLKl可以是由振蕩器產生的脈衝信號，也可以是與PFC控制電路15輸出的驅動信號DR相關的信號，如其反相信號或者同相信號。計數器34在其輸出端產生第二時鐘信號CLK2。邏輯電路38被示為RS觸發器，其兩個輸入端分別接收第二時鐘信號CLK2和欠壓信號UVL0，其中信號UVLO可以為PFC控制電路15的電源端欠壓鎖存信號，用於對CS短路保護電路25進行復位。RS觸發器38在第二時鐘信號CLK2指示發生採樣短路時產生保護信號SD直至欠壓信號UVLO指示PFC控制電路15處於欠壓狀態，該保護信號SD使PFC控制模塊20輸出的驅動信號DR關斷開關管Ml。為便於描述，假定UVLO為低電平(例如O)時指示非欠壓狀態，PFC控制電路15正常工作；UVL0為高電平(例如I)時指示PFC控制電路15處於欠壓狀態。假設該高功率因數驅動系統成功啟動後進入正常操作(PFC控制電路15非欠壓，UVLO信號無效，例如低電平)，第一比較器31將輸入電壓信號VAC與VREFl進行比較，第二比較器32將採樣電壓信號CS與VREF2進行比較。信號VAC可以是工頻頻率(即功率轉換電路10的輸入源的供電頻率，例如50Hz、60Hz等)的2倍，例如IOOHz或者120Hz等的信號。當VAC高於VREFl時，第一比較器31輸出低電平，對或非門33不起作用；iVAC低於VREFl時，第一比較器31輸出高電平，使得或非門33輸出低電平。信號CS是該高功率因數驅動系統的工作頻率(例如，系統輸出頻率、CLKl頻率)並且可以是較高頻率的信號，例如一般在30Khz IOOKhz的範圍中。當CS大於VREF2時，第二比較器32輸出高電平，使得或非門33輸出低電平；當CS小於VREF2時，第二比較器32輸出低電平。當或非門33輸出低電平時，計數器34清零並且不進行計數，CLK2信號保持為低電平，使得信號SD保持高電平，不影響PFC控制模塊20輸出的驅動信號DR。當或非門33輸出高電平時，計數器34開始在時鐘信號CLKl的控制下進行計數，達到設定的計數周期，如時鐘信號CLKl的N個周期後，時鐘信號CLK2變為高電平，RS觸發器38輸出保護信號SD (例如，低電平)，從而使PFC 控制模塊20輸出的驅動信號DR關斷開關管Ml。保護信號SD —直保持為低電平，開關管 Ml持續關斷使PFC控制電路15的電源端供電電壓下降，直到欠壓信號UVLO變為高(其指示PFC控制電路15處於欠壓狀態並且關閉部分電路)，信號SD才會恢復為高電平，不再影響PFC控制模塊20。
當系統正常工作時，由於信號VAC的頻率(例如100Hz、120Hz等)遠低於信號CS的頻率(例如，30Khz IOOKhz)，在VAC的一個周期中，當VAC小於VREFl時，第一比較器31輸出高電平，或非門33的輸出保持為低電平，計數器34不計數；當VAC大於VREFl時，第一比較器31輸出低電平，且信號CS以較高頻率在VREF2上下波動，第二比較器32交替地輸出高低電平，從而使或非門33輸出高頻的高低電平(30kHz IOOkHZ )，計數器34在每個周期都會清零，時鐘信號CLK2保持為低電平，因此RS觸發器38輸出的信號SD始終為高電平， 不會對PFC控制模塊20產生影響。
當PFC控制電路15的CS管腳發生異常短路時，採樣電壓信號CS —直是低電平， 第二比較器32持續輸出低電平，那麼在信號VAC高於VREFl的這段時間內，或非門33的兩個輸入端都是低電平，或非門33輸出高電平，計數器34開始在時鐘信號CLKl的控制下計數，達到預設的計數周期N (例如，CLKl的N個周期，其中N為大於I的正整數)時，時鐘信號CLK2輸出高電平指示發生採樣短路，使得RS觸發器38輸出低電平的保護信號SD，從而使PFC控制模塊20輸出的驅動信號DR關斷開關管M1，直至PFC控制電路15的欠壓信號 UVLO變為高電平時，RS觸發器38輸出的信號SD才會恢復為高電平，不再影響PFC控制模塊20。
S卩，當外部輸入的電壓信號VAC高於VREFl但採樣電壓信號CS在多個計數周期裡持續小於VREF2時，表明採樣端可能發生異常短路，CS短路保護電路25產生保護信號SD (例如，低電平)，從而使PFC控制模塊20輸出的驅動信號DR關斷開關管Ml，防止了 PFC控制電路15因低採樣電壓信號CS而不恰當地增大開關管Ml的導通時間，為該高功率因數驅動系統提供了有效的採樣短路保護。根據本發明的一個實施例，當輸入電壓信號VAC低於 VREFl時，CS短路保護電路25不會產生保護信號，以免在輸入電壓處于波谷時由於採樣電壓較低引起誤判。
應注意，圖3僅僅是短路檢測電路30和邏輯電路38的一種具體實施方式
，各種其他電路結構和信號電平可用於檢測採樣短路，只要能在輸入電壓信號VAC大於VREFl並且採樣電壓信號CS持續地小於VREF2達預定數目個周期之後指示發生採樣短路即可。也有各種其他電路結構和信號電平可用於在檢測到採樣短路時產生保護信號直至PFC控制電路15處於欠壓狀態。例如，門電路33可包括或門、與門、與非門等，第一比較器31和/或 第二比較器32的正負輸入端也可以相應地交換。所列舉的各種信號電平也是示例性的，可以設計和使用不同的信號電平。
圖4示出根據本發明一實施例的包括採樣短路保護電路的高功率因數驅動系統，其可以是例如隔離控制電路、恆壓控制系統、恆流控制系統、以及實地與浮地的控制系統等。該系統可包括交流輸入源Vac、整流橋401、輸入電容器Cl、整流橋輸出電壓採樣電阻Rl和R2、啟動電路R3和C2、變壓器(T)410、耦合至變壓器410的原邊繞組LI的開關管Ml和採樣電阻(Rs)416、耦合至變壓器410的副邊繞組L2的輸出二極體Dl和輸出電容器C3、耦合至變壓器410的輔助繞組L3的供電及輸出檢測電路(包括電阻R4、R5和二極體D2)、以及PFC控制電路415。PFC控制電路415可類似於圖2至3中描述的PFC控制電路15，包括PFC控制模塊420和CS短路保護電路425，其中PFC控制模塊420用於產生驅動信號DR以控制開關管Ml的導通和關斷，CS短路保護電路425在檢測到採樣短路時產生保護信號SD直至接收到指示PFC控制電路415處於欠壓狀態的欠壓信號UVL0，該保護信號使PFC控制t吳塊420關斷開關管Ml。在工作中，交流源Vac提供的交流輸入經整流橋401整流和輸入電容器Cl濾波後變為頻率為Vac兩倍的信號。該系統在電阻Rl和R2之間提供整流橋輸出電壓的分壓信號作為輸入電壓信號VAC，並在電阻R3與電容器C2之間提供啟動信號VCC，啟動信號VCC可以向PFC控制電路415供電。例如，在系統啟動時，電容器C2充電直至啟動信號VCC高於某一閾值之後使PFC控制電路415進入正常工作。另外，該系統在採樣電阻Rs的一端提供採樣電壓信號CS，在輔助繞組L3與電阻R4之間通過二極體D2協同啟動信號VCC —起向PFC控制電路415的電源端供電，並在檢測電阻R4與R5之間提供反饋電壓信號FB。PFC控制電路415接收輸入電壓信號VAC、採樣電壓信號CS、電源端電壓信號以及反饋信號FB，以產生驅動信號DR用於控制開關管Ml的導通和關斷。在一個實施例中，PFC控制模塊420可包括恆流環控制電路422、振蕩器423、RS觸發器424、以及邏輯驅動電路426。恆流環控制電路422的輸入端接收輸入電壓信號VAC、採樣電壓信號CS和反饋信號FB，其輸出端耦合至RS觸發器424的復位端，用於控制輸出恆流。例如，當開關管Ml導通時信號CS逐漸增大，當信號CS增大到(預設的或根據信號VAC和FB來動態地配置的)閾值時，恆流環控制電路422輸出用於指示關斷開關管Ml的關斷信號。振蕩器423可用於產生時鐘信號CLKl (其可以是指示使開關管Ml導通的導通信號)。RS觸發器424接收恆流環控制電路422輸出的關斷信號以及振蕩器423輸出的時鐘信號CLKl，其產生的Q輸出信號耦合至邏輯驅動電路426以產生驅動信號DR來控制開關管Ml。通過恆流環控制電路422和振蕩器423控制開關管Ml導通和關斷的技術可以使用本領域已知的任何技術來完成，因此在這裡不詳細描述。在一個實施例中，PFC控制電路415還可包括欠壓鎖存電路421。欠壓鎖存電路421耦合至PFC控制電路415的電源端(即VCC埠)以在檢測到該電源端的供電電壓處於欠壓狀態(例如，降到某一閾值以下)時在其輸出端為CS短路保護電路425提供UVLO信號以指示PFC控制電路415處於欠壓狀態。CS短路保護電路425接收輸入電壓信號VAC、採樣電壓信號CS、時鐘信號CLKl、和欠壓信號UVL0，並輸出信號SD到邏輯驅動電路426。邏輯驅動電路426接收RS觸發器424的Q輸出信號和CS短路保護電路425輸出的信號SD，並在DR管腳輸出驅動信號DR，用於控制開關管Ml的柵極以使開關管Ml導通或關斷。其中CS短路保護電路425在檢測到CS短路時輸出的信號SD是有效的保護信號並且使得邏輯驅動電路426輸出的驅動信號DR將開關管Ml關斷，從而對系統進行保護。CS短路保護電路425可以如圖3所示的電路25那樣配置和操作。PFC控制電路415還可以包括其他保護電路，並通過適當的邏輯驅動電路426輸出驅動信號DR來有效地使開關管Ml導通和關斷。CS短路保護電路25 (425)和PFC控制模塊20 (420)可以是分開的集成電路，也可以 (加上其它所需電路模塊)集成在一起作為單個PFC控制電路415。
結合圖3和圖4，當該高功率因數驅動系統正常工作時，CS短路保護電路425的輸出信號SD始終為高電平，不會對邏輯驅動電路426產生影響。PFC控制電路415根據恆流環控制電路422輸出的關斷信號、振蕩器423輸出的導通信號(以及可能還有其它輸入信號)控制開關管Ml周期性地導通和關斷，使得該高功率因數驅動系統輸出的電流Io保持恆定，向負載(如LED燈串或其它負載)供電。
當系統工作異常尤其是發生採樣短路時，採樣電壓信號CS持續地為低電平，第二比較器32輸出低電平，那麼在輸入電壓信號VAC高於VREFl這段時間內，或非門33的兩個輸入端都是低電平，或非門33輸出高電平，計數器34開始計數，達到計數周期N時，CLK2 輸出高電平，信號SD為低電平的保護信號,PFC控制電路415輸出的驅動信號DR使開關管 Ml關斷。開關管Ml處於關斷狀態達一定時間後，變壓器410通過輔助繞組L3向PFC控制電路415的電源端供電的電壓逐漸下降，當PFC控制電路415的電源端電壓下降到某個閾值以下時，欠壓鎖存電路421檢測到這種狀態並產生指示電源端欠壓狀態的欠壓信號UVLO (例如，高電平)，使得CS短路保護電路425的輸出SD為高電平，不再影響PFC控制電路415 的工作。同時，PFC控制電路415由於處於欠壓狀態而關閉部分電路，不再產生驅動輸出DR。 此後，交流源Vac對電容器C2充電，PFC控制電路415的電源端由啟動電壓VCC供電並在達到啟動閾值之後重啟該高功率因數驅動系統。也可能因其它原因而發生重啟，例如交流源Vac重啟。在啟動或重啟期間，欠壓鎖存電路421鎖定欠壓信號UVLO的先前狀態(例如， 指示欠壓狀態的電平)。因此，從接收到指示欠壓狀態的欠壓信號UVLO到啟動或重啟完成期間，CS短路保護電路425輸出的信號SD保持高電平，不影響PFC控制電路415的工作， 從而該高功率因數驅動系統按常規啟動或重啟。
啟動或重啟完成之後，欠壓信號UVLO變為無效，CS短路保護電路425可以繼續根據VAC和CS的狀態來周期性地檢測採樣短路，如果採樣端仍處於短路狀態，繼續關斷重啟； 如果採樣短路狀態解除，系統恢復正常工作。
圖5示出根據本發明另一實施例的包括採樣短路保護電路的高功率因數驅動系統的不意圖。圖5為非隔離系統的一個實例,該系統可包括交流輸入源Vac、整流橋501、輸入電容器Cl、整流橋輸出電壓採樣電阻Rl和R2、啟動電路R3和C2、電感LI、開關管Ml和採樣電阻Rs、二極體Dl和輸出電容器C3、與耦合至電感LI的輔助繞組L2相耦合的供電及輸出檢測電路(包括電阻R4、R5和二極體D2 )、以及PFC控制電路515。PFC控制電路515可類似於圖2至4中描述的PFC控制電路15和415，包括PFC控制模塊520和CS短路保護電路525，其中PFC控制模塊520用於產生驅動信號DR以控制開關管Ml的導通和關斷，CS 短路保護電路525在檢測到採樣短路時產生保護信號SD直至接收到指示PFC控制電路515 處於欠壓狀態的欠壓信號UVLO (其可類似地由欠壓鎖存電路通過檢測PFC控制電路515的電源端是否處於欠壓狀態來提供)，該保護信號使PFC控制模塊520關斷開關管Ml。
在工作中，交流源Vac提供的交流輸入經整流橋501整流和輸入電容器Cl濾波後變為頻率為Vac兩倍的信號。該系統在電阻Rl和R2之間提供整流橋輸出電壓的分壓信號作為輸入電壓信號VAC，並在電阻R3與電容器C2之間提供啟動信號VCC，啟動信號VCC可以向PFC控制電路515供電。例如，在系統啟動時，電容器C2充電直至啟動信號VCC高於某一閾值之後使PFC控制電路515進入正常工作。另外，該系統在採樣電阻Rs的一端提供採樣電壓信號CS，在輔助繞組L2與電阻R4之間通過二極體D2協同啟動信號VCC —起向PFC控制電路515的電源端供電，並在檢測電阻R4與R5之間提供反饋電壓信號FB。PFC控制電路515接收輸入電壓信號VAC、採樣電壓信號CS、電源端電壓信號以及反饋信號FB，以產生驅動信號DR用於控制開關管Ml的導通和關斷。當系統發生採樣短路時，CS短路保護電路525檢測到短路狀態，通過PFC控制模塊520對開關管Ml進行關斷，直到系統發生重啟以後，重新檢測，直到短路現象解除。其原理與圖4的實例保護原理相同，不再贅述。本發明公開了用於高功率因數驅動系統的採樣短路保護電路及方法，並且參照附圖描述了本發明的具體實施方式
和效果。應該理解的是，上述實施例只是對本發明的示例性說明，而不是對本發明的限制，任何不超出本發明實質精神範圍內的發明創造，包括隔離系統、非隔離系統、恆流系統、恆壓系統等各種高功率因數驅動系統的應用，對電路的局部構造的變更、在本發明提供的採樣短路保護方法的精神下對電路實現方法的變更，對元器件的類型或型號的替換，各種信號電平的其它變型、以及其他非實質性的替換或修改等，均落入本發明保護範圍之內。
權利要求
1.一種用於高功率因數驅動系統的功率因數校正(PFC)控制電路，所述高功率因數驅動系統包括功率轉換電路、耦合至所述功率轉換電路的開關管以及耦合至所述開關管的採樣電阻，所述功率因數校正控制電路包括 功率因數校正控制模塊，用於產生驅動信號以控制所述開關管的導通和關斷；以及 採樣短路保護電路，其包括 短路檢測電路，其接收由所述功率轉換電路的輸入源提供的輸入電壓信號和經由所述採樣電阻檢測到的採樣電壓信號，當所述輸入電壓信號大於第一基準電壓並且所述採樣電壓信號持續地小於第二基準電壓達預定數目個周期之後確定檢測到採樣短路；以及 邏輯電路，其接收所述短路檢測電路的輸出以及指示所述功率因數校正控制電路是否處於欠壓狀態的欠壓信號，並在所述短路檢測電路檢測到採樣短路時產生保護信號直至接收到指示所述功率因數校正控制電路處於欠壓狀態的欠壓信號，所述保護信號使所述功率因數校正控制模塊關斷所述開關管。
2.如權利要求I所述的功率因數校正控制電路，其特徵在於，所述短路檢測電路包括 第一比較器，用於將所述輸入電壓信號與第一基準電壓作比較； 第二比較器，用於將所述採樣電壓信號與第二基準電壓作比較； 門電路，其接收所述第一比較器和所述第二比較器的輸出，在所述輸入電壓信號大於第一基準電壓並且所述採樣電壓信號小於第二基準電壓時輸出第二電平，否則輸出第一電平；以及 計數器，用於接收所述門電路的輸出和第一時鐘信號，所述計數器在所述門電路輸出第一電平時清零，在所述門電路輸出第二電平時在所述第一時鐘信號的控制下進行計數，並在連續計數達所述預定數目個周期之後產生指示檢測到採樣短路的第二時鐘信號以提供給所述邏輯電路。
3.如權利要求2所述的功率因數校正控制電路，其特徵在於，所述門電路包括或門、或非門、與門或者與非門，所述邏輯電路包括第一 RS觸發器。
4.如權利要求I所述的功率因數校正控制電路，其特徵在於，還包括 欠壓鎖存電路，用於檢測所述功率因數校正控制電路的電源端是否處於欠壓狀態並產生所述欠壓信號。
5.如權利要求I至4中任一項所述的功率因數校正控制電路，其特徵在於，所述功率因數校正控制模塊包括 恆流環控制電路，用於根據所述輸入電壓信號、所述採樣電壓信號、以及所述功率轉換電路的反饋信號來產生關斷信號； 振蕩器，用於產生第一時鐘信號； 第二 RS觸發器，用於接收所述關斷信號和所述第一時鐘信號；以及 邏輯驅動電路，用於根據所述採樣短路保護電路輸出的所述保護信號和所述第二 RS觸發器的輸出來產生所述驅動信號以控制所述開關管的導通和關斷。
6.一種包括如權利要求I至5中任一項所述的功率因數校正控制電路的高功率因數驅動系統，所述高功率因數驅動系統還包括 交流輸入源； 整流橋，用於對所述交流輸入源的輸入信號進行整流以向所述功率轉換電路提供輸A ； 耦合至所述整流橋的分壓電阻，用於產生所述輸入電壓信號；以及 耦合至所述整流橋的啟動電路，用於向所述功率因數校正控制電路的電源端供電。
7.如權利要求6所述的高功率因數驅動系統，其特徵在於，還包括 變壓器，包括耦合在所述整流橋與所述開關管之間的原邊繞組、用於提供輸出的副邊繞組、以及用於提供所述反饋信號的輔助繞組；或者 耦合在所述整流橋與所述開關管之間以提供輸出的電感、以及耦合至所述電感以提供所述反饋信號的輔助繞組。
8.一種用於高功率因數驅動系統的控制方法，所述高功率因數驅動系統包括功率因數校正(PFC)控制電路、功率轉換電路、耦合至所述功率轉換電路的開關管以及耦合至所述開關管的採樣電阻，所述方法包括 通過所述功率因數校正控制電路產生驅動信號以控制所述開關管的導通和關斷； 接收由所述功率轉換電路的輸入源提供的輸入電壓信號和經由所述採樣電阻檢測到的採樣電壓信號； 當所述輸入電壓信號大於第一基準電壓並且所述採樣電壓信號持續地小於第二基準電壓達預定數目個周期之後確定檢測到採樣短路；以及 在檢測到採樣短路時產生保護信號直至接收到指示所述功率因數校正控制電路處於欠壓狀態的欠壓信號，所述保護信號使所述功率因數校正控制電路關斷所述開關管。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，還包括 當所述輸入電壓信號大於第一基準電壓並且所述採樣電壓信號小於第二基準電壓時在第一時鐘信號的控制下進行計數，否則將所述計數清零；以及 在連續計數達所述預定數目個周期之後產生指示檢測到採樣短路的第二時鐘信號。
10.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，還包括 檢測所述功率因數校正控制電路的電源端是否處於欠壓狀態並產生所述欠壓信號。
11.如權利要求8至10中任一項所述的方法，其特徵在於，產生驅動信號包括 根據所述輸入電壓信號、所述採樣電壓信號、以及所述功率轉換電路的反饋信號來產生關斷信號； 產生第一時鐘信號；以及 根據所述保護信號、所述關斷信號和所述第一時鐘信號產生所述驅動信號以控制所述開關管的導通和關斷。
全文摘要
本發明提供了用於高功率因數驅動系統的採樣短路保護電路及方法。高功率因數驅動系統可包括功率轉換電路、PFC控制電路、開關管以及耦合至開關管的採樣電阻。該PFC控制電路可包括PFC控制模塊，用於產生驅動信號以控制開關管的導通和關斷；以及採樣短路保護電路。採樣短路保護電路可包括短路檢測電路，用於當功率轉換電路的輸入源提供的輸入電壓信號大於第一基準電壓並且經由採樣電阻檢測到的採樣電壓信號持續地小於第二基準電壓達預定數目個周期之後確定檢測到採樣短路；以及邏輯電路，用於在短路檢測電路檢測到採樣短路時產生保護信號直至接收到指示該PFC控制電路處於欠壓狀態的欠壓信號，該保護信號使PFC控制模塊關斷開關管。
文檔編號H02H7/12GK102983554SQ20121059485
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月31日 優先權日2012年12月31日
發明者王棟, 吳建興 申請人:杭州士蘭微電子股份有限公司