阅读说明：本技术 供电电路及用其供电的负载的状态监测方法 (Power supply circuit and method for monitoring state of load supplied by power supply circuit ) 是由 杨小华 彭胜军 于 2018-07-12 设计创作，主要内容包括：提供了一种供电电路及用其供电的负载的状态监测方法。根据本公开的实施例,供电电路包括：功率器件,其电流路径连接在第一和第二参考电压之间以在导通时在第一和第二参考电压之间形成电流通道以便向负载供电,该功率器件的控制端子接收通/断控制信号；限流电阻器,连接在所述电流通道中；箝位器件,连接在第一和第二参考电压之一与功率器件的控制端子之间,并具有预定的阈值电压,从而当所述电流通道中的电流增大而使得箝位器件两端的电压超出其预定阈值电压时,箝位器件导通并因此相对于其所连接到的参考电压而将功率器件的基极箝位,其中,功率器件和箝位器件彼此热耦合。根据本公开的实施例,可以可靠地实现电源限流/短路保护。(A power supply circuit and a method for monitoring the state of a load supplied with power by the power supply circuit are provided. According to an embodiment of the present disclosure, a power supply circuit includes: a power device having a current path connected between first and second reference voltages to form a current path between the first and second reference voltages when conducting to supply power to a load, a control terminal of the power device receiving an on/off control signal; a current limiting resistor connected in the current path; a clamping device connected between one of the first and second reference voltages and the control terminal of the power device and having a predetermined threshold voltage, such that when the current in said current path increases such that the voltage across the clamping device exceeds its predetermined threshold voltage, the clamping device conducts and thus clamps the base of the power device with respect to the reference voltage to which it is connected, wherein the power device and the clamping device are thermally coupled to each other. According to the embodiment of the present disclosure, power supply current limiting/short circuit protection can be reliably realized.)

供电电路及用其供电的负载的状态监测方法

技术领域

本公开一般地涉及电力电子技术，更具体地，涉及一种具有改进性能的供电电路及用其供电的负载的状态监测方法。

背景技术

在变频器中用到风扇。图1示出了通常用于为风扇供电的电路。如图1所示，在该电路中，利用光耦OPP将风扇的控制侧与供电侧相隔离。在控制侧，通过端口FAN_C接收风扇的通/断控制信号。例如，该端口连接至变频器的控制器如单片机(MCU)。通/断控制信号可以控制开关器件T1如三极管的开关，并通过光耦OPP将这种开关状态传递至供电侧，更具体地可以控制开关器件T2如三极管的开关。风扇的一端可以连接至电源电压，而另一端可以连接至端口FAN_C1。端口FAN_C1根据开关器件T2的通断而选择性地连接打到风扇的地电压FGND。于是，可以控制风扇的启停。

但是，这种电路无法对风扇运行状态提供检测，而需要人工去判断风扇运行状态。另外，在风扇堵转或短路时不能及时提供保护和告警而可能造成电路损坏。

发明内容

有鉴于此，本公开的目的至少部分地在于提供一种具有改进性能的供电电路及用其供电的负载的状态监测方法。

根据本公开的一个方面，提供了一种供电电路，包括：功率器件，所述功率器件的电流路径连接在第一参考电压和第二参考电压之间以在所述功率器件导通时在第一参考电压和第二参考电压之间形成电流通道以便向负载供电，所述功率器件的控制端子接收通/断控制信号；限流电阻器，连接在所述电流通道中；箝位器件，连接在第一参考电压和第二参考电压之一与所述功率器件的控制端子之间，所述箝位器件具有预定的阈值电压，从而当所述电流通道中的电流增大而使得所述箝位器件两端的电压超出其预定阈值电压时，所述箝位器件导通并因此相对于其所连接到的参考电压而将所述功率器件的基极箝位，其中，所述功率器件和所述箝位器件彼此热耦合。

由于功率器件与箝位器件彼此热耦合，故而在例如由于过载或短路等导致升温的情况下，功率器件随温度的特性变化与箝位器件随温度的特性变化可以至少部分地抵消，从而抑制供电电路的特性变化，例如最大电流的变化。

根据本公开的实施例，所述箝位器件和所述功率器件可以在不同的封装中，所述箝位器件的封装还可以包括与所述箝位器件电气隔离的额外引脚，所述额外引脚可以与所述功率器件热耦合以便使得热量能够从所述功率器件传递到所述箝位器件的封装内部。例如，所述额外引脚可以通过导热的导线连接到所述功率器件，特别是其集电极。于是，可以相对容易地实现二者之间的热耦合。

根据本公开的实施例，所述箝位器件的封装可以包括两组二极管，其中第一组二极管可以连接在第一参考电压和第二参考电压之一与所述功率器件的控制端子之间作为所述箝位器件，且第二组二极管可以通过所述额外引脚与所述功率器件热耦合。有利地，所述两组二极管可以制造在相同的衬底上。于是，可以利用相同封装内的冗余部件，实现封装内外的热耦合。

根据本公开的实施例，所述功率器件可以是P型器件，其发射极可以通过所述限流电阻器连接到第一参考电压，且所述箝位器件可以连接在第一参考电压和所述P形器件的基极之间。P型器件适于将负载的正端连接到电源电压。

根据本公开的实施例，所述供电电路还可以包括：电流监测电路，对所述电流通道中的电流进行监测。例如，所述电流监测电路根据所述限流电阻器两端的电压实现对电流的监测。这样，限流电阻器一方面如上所述起到限流作用，另一方面还用作电流监测部件。

根据本公开的实施例，所述电流监测电路可以包括运放差分放大器，所述运算放大器的差分输入端接收所述限流电阻器两端的电压，并在其输出端输出与所述电流通道中的电流成比例的电压值。通过运放差分放大器，例如通过设置其增益(放大倍率)，可以相对容易地将限流电阻器两端的电压(反映功率器件中的电流)转换到设定范围(例如，控制器的额定输入电压范围)。

根据本公开的实施例，可以在所述通/断控制信号控制所述功率器件导通之后经过预定时间后，开始对电流进行监测。这样，可以避免电路刚开始工作之后的建立时间段中可能出现的不稳定状况。

根据本公开的实施例，所述供电电路还可以包括：控制器，其中，在所述电流监测电路监测到电流为异常时，所述控制器通过所述通/断控制信号将所述功率器件关断。这样，可以避免由于异常状况而导致电路损坏。

根据本公开的实施例，所述控制器可以在将所述功率器件关断预定时间之后，通过所述通/断控制信号再次导通所述功率器件，且通过电流监测电路再次监测电流，其中，当经过预定次数的关断、再次导通、监测到异常的循环时，所述控制器关断所述供电电路，并发出警报。于是，可以使电路在避免暂时性异常的同时尽可能保持工作状态。

根据本公开的实施例，所述负载可以为变频器中的风扇。

根据本公开的另一方面，提供了一种变频器，包括：风扇；以及如上所述用于风扇的供电电路。

根据本公开的另一方面，提供了一种对使用上述供电电路进行供电的负载进行状态监控的方法，包括：对所述电流通道中的电流进行监测；以及在监测到电流为异常时，通过所述通/断控制信号将所述功率器件关断。

根据本公开的实施例，该方法还可以包括：将所述功率器件关断预定时间之后，通过所述通/断控制信号再次导通所述功率器件，且通过电流监测电路再次监测电流；当经过预定次数的关断、再次导通、监测到异常的循环时，关断所述供电电路并发出警报。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了通常用于为风扇供电的电路；

图2是示出了根据本公开实施例的供电电路的示意电路图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。这里使用的词语“一”、“一个(种)”和“该”等也应包括“多个”、“多种”的意思，除非上下文另外明确指出。此外，在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

图2是示出了根据本公开实施例的供电电路的示意电路图。

如图2所示，根据该实施例的供电电路200包括功率器件T02。通过该功率器件T02，来为负载例如风扇供电。更具体地，功率器件T02的电流路径可以连接在第一参考电压VDD(例如，在变频器应用中为24V)与第二参考电压GND之间。这样，当功率器件T02导通时，可以在第一参考电压VDD与第二参考电压GND之间形成电流通道，并因此可以在输出端口VDD_FAN处向负载供电。在该示例中，以地电压GND作为第二参考电压，但是本公开不限于此。另外，功率器件T02的控制端子可以接收通/断控制信号，以实现供电的启停。

在上述电流通道中，连接有限流电阻器R5。于是，流经功率器件T02的电流同样流过限流电阻器R5。根据本公开的实施例，该限流电阻器R5与之下描述的箝位器件一起，可以实现限流作用，这将在以下进一步详细描述。

在一个示例中，功率器件T02可以是P型器件，更具体地，P型三极管。这种情况下，P型三极管的发射极与集电极之间可以形成该P型三极管的电流路径，且其基极可以作为该P型三极管的控制端子。另外，发射极可以连接至高参考电压(例如，第一参考电压VDD)一侧，而集电极可以连接至低参考电压(第二参考电压GND)一侧。限流电阻器R5可以连接在发射极与第一参考电压VDD之间。

在使用P型器件的情况下，可以使用开关器件T01来实现控制信号的逻辑反转。具体地，对于如图2所示连接的P型器件，其基极处为低电平时导通，而其基极处为高电平时截止。通常，在控制端子FAN_C处提供的通/断控制信号可能为高电平有效(即，此时希望供电)，通过开关器件T01可以将控制端子FAN_C处的通/断控制信号反转。在一个示例中，开关器件T01为N型三极管，其集电极(通过电阻器R3、R4，R3例如为4.7KΩ，R4例如为10KΩ和22KΩ电阻器的并联)连接至第一参考电压VDD，其发射极接地，其基极(通过电阻器R1、R2的分压网络，R1例如为4.7KΩ，R2例如为10KΩ)接收通/断控制信号。

更具体地，当控制端子FAN_C处的通/断控制信号为高电平时，开关器件T01可以导通，并因此可以将功率器件T02的基极电位拉低从而使功率器件T02导通。另一方面，当控制端子FAN_C处的通/断控制信号为低电平时，开关器件T01可以截止，因此功率器件T02的基极电位可以被上拉至第一参考电压VDD从而功率器件T02截止。

根据本公开的实施例，在功率器件T02的控制端子处，还连接有箝位器件。在图2的示例中，以两个串接的二极管(集成组件IC的引脚1、2之间的二极管)作为箝位器件。这是因为，当二极管导通时，其两端的压降是其结电压。在此，对于P型功率器件的情况，箝位器件可以连接在功率器件T02的控制端子与第一基准电压VDD之间，以相对于第一基准电压VDD(与功率器件VDD的发射极电位相关)来箝位基极电位(从而实现对功率器件T02的基极-发射极电压的控制)。

在工作中，当根据通/断控制信号，开关器件T01导通且因此功率器件T02导通时，当功率器件T02的电流路径中的电流变大时，由于限流电阻器R5的存在，功率器件T02的发射极电位相对于第一参考电压VDD将降低。随着发射极电位的降低，功率器件T02的基极电位(与发射极电位相差基极-发射极结电压)也相对于第一参考电压VDD降低。当电流变大到一定程度而导致基极电位与第一参考电压VDD之间的差超出箝位器件的阈值电压时，箝位器件将导通并因此如上所述箝位基极电位(箝位为约VDD-U_IC，其中U_IC是箝位器件在导通时的结电压，在图示2个二极管的情况下，典型值为约1.25V)。这种情况下，如果电流继续增大从而导致发射极电位继续下降的话，那么功率器件T02的基极-发射极电压将会低于其阈值电压，从而使得功率器件T02截止。也就是说，存在如下所示的最大允许输出电流：

I_max≤(U_IC–U_{be_T02})/R，

其中，U_{be_T02}为功率器件T02的基极-发射极结电压，典型值为约0.65V；R为限流电阻器R5的阻值。例如，在R＝2.75Ω的情况下，I_max的典型值为约218mA。

这里需要指出的是，可以根据实际情况设置限流电阻器R5。例如，可以通过多个电阻器的并联电路来实现一定阻值的限流电阻器。在一个示例中，可以通过8个并联的22Ω电阻器来实现2.75Ω的限流电阻器。

当负载电流小于I_max时，功率器件T02可以处于饱和状态，因此该功率器件T02上的电压降(集电极-发射极电压差V_ce)可以很小，其功耗和结温可以保持在额定的范围内。

而当外部的负载电流超过最大允许输出电流I_max时，功率器件T02上的压降V_ce可以等于VDD-I_max×R_load，其中R_load为负载电阻。当R_load减小时，功率器件T02上的压降V_ce增大，使得功率器件T02可以处于放大状态。根据功率P＝I_max×V_ce可知，功率器件T02随着R_load减小而功耗增加，导致结温升高。致使功率器件T02的基极-发射极结电压U_{be_T02}将降低，例如为约2mV/℃。如果此时箝位器件的U_IC保持不变，则根据上式最大允许输出电流I_max将增大。于是，功率器件T02的结温升高可以进一步升高，形成恶性循环。

为避免这种恶性循环，根据本公开的实施例，将箝位器件与功率器件T02彼此热耦合。于是，当功率器件T02升温时，箝位器件也将升温，这可以影响箝位器件的箝位电压U_IC。例如，在箝位器件为二极管的情况下，升温将影响箝位器件的结特性，特别是结电压。在此，箝位器件的箝位电压U_IC随温度的变化趋势可以与功率器件T02的结电压U_{be_T02}随温度的变化趋势相同，在该示例中，都是随温度升高而降低。例如，U_IC可以随温度升高的降低速度可以为约4mV/℃。这样，可以抵消功率器件T02结温升高而使最大允许输出电流I_max增大的影响。

箝位器件与功率器件T02之间的热耦合可以通过多种方式来实现。例如，可以将二者彼此靠近设置，可以在二者之间设置导热机构如导热胶等。如果箝位器件与功率器件T02分别包括在不同的封装中，可以通过各自封装的引脚或热沉(如果存在的话)来实现彼此之间的热耦合。例如，箝位器件的封装(即，集成组件IC)还可以包括与箝位器件(集成组件IC的1、2脚之间的二极管)电气隔离的额外引脚(例如，集成组件IC的3、4、5脚)，可以通过这些额外引脚来实现与功率器件T02的热耦合，以便使得热量能够从功率器件T02传递到集成组件IC的封装内部，以便影响封装内的箝位器件。例如，这些额外引脚可以通过导热的导线例如印刷电路板(PCB)上的金属迹线连接到功率器件TR02，特别是在功率器件T02为P型三极管的情况下连接到其集电极，以实现彼此之间的热耦合。为避免对电路的电气特性造成影响，这些额外引脚及其相关器件(例如，在图2的示例中，集成组件IC的4、5脚之间的另外两个二极管)可以不形成任何电路功能。有利地，集成组件IC中的箝位器件(1、2脚之间的两个二极管)和热耦合所涉及的其他器件(4、5脚之间的另外两个二极管)可以制造在相同的衬底上，这样有利于将热量传递到箝位器件。

当负载发生短路时，电压降VDD(例如，24V)将全部加在功率器件T02上。由于如上最大允许输出电流基本稳定，因此此时功率器件T02的功耗约为24V×218mA＝5.23W。选择功率器件T02的额定功耗大于该值(例如，为约20W)，可以(结合以下描述的限流关断功能)实现短路保护。

如上所述，通过箝位器件与功率器件之间的热耦合，可以在负载过载或短路的情况下有效地稳定最大允许输出电流，尽量避免器件损坏。

另外，为了供电稳定，功率器件T02的集电极处可以连接有电感器C(例如，约100nF)。另外，在输出端子VDD_FAN处，还可以连接有保护电路D(例如，BAW56)。通过该保护电路D，可以使得在负载如风扇的插拔过程中，将输出端子VDD_FAN处的电压箝位在VDD。

根据本公开的实施例，还可以对电流通道中的电流进行监测，并根据监测结果实现相应的控制，例如在监测到过流时可以切断电路。

本领域存在各种电流监测电路。在图2的示例中，由于电流通道中的电流同样流过限流电阻器R5，于是可以将电流监测转换为限流电阻器R5两端电压降的监测。图2中的虚线框示出了这种电流监测电路(事实上为监测限流电阻器R5两端电压降的电压读出电路)的示例。图2的虚线框中是以运算差分放大器C为基础的典型放大电路，可以对输入端处接收到的电压进行放大。在此不对该放大电路的详情进行描述。图中示出了各电阻器、电容器的示例值，但是本公开不限于此。

在电流监测电路的输出端口FAN_I处，得到的电压U为：

U＝VREF-I*R*G，

其中，VREF为运算差分放大器C的正相输入处连接的参考电压，I为电流通道中的电流，R为限流电阻器R5的阻值，G为放大电路的增益(根据图2中的示例设置，G为100KΩ/(33KΩ+3.3KΩ)≈2.755)。该电压U可以送到控制器(例如，变频器中的MCU)中，以便实现相应的保护，例如通过通/断控制信号切断电路。

这样，根据负载正常工作时的电流范围，可以确定电压U的正常范围。当监测到的电压U超出该正常范围时，可以确定电流通道中的电流超出了正常范围。

例如，以风扇为例，假定风扇的额定参数为100mA/24V，堵转自身保护后电流<20mA，半堵转电流>130mA。假定风扇正常运行电流为30-130mA。在VREF＝1.82V，R＝2.75Ω，G＝2.755的情况下，电压U的正常范围为1.59V–0.84V。电压U超出这个范围可以指示风扇异常。

根据本公开的实施例，可以在该供电电路根据通/断控制信号而接通一定时间(例如，1秒)之后，开始进行电流监测(电压U的读取)。如果电压U在正常范围(例如，1.59V–0.84V)内，则判断负载正常工作。如果检测到电压U在正常范围之外达一定时间(例如，2秒)，则可以确定负载工作异常，可以直接切断供电电路200的供电，并向外部发出警报。备选地，可以切断供电一定时间(例如，5秒)，然后再次通过通/断控制信号开启供电，并在一定时间(例如，1秒)之后再监测电流。可以重复上述的过程若干次。如果监测到电流正常，则可以继续供电；而监测到电流仍然异常，则可以彻底切断供电电路200，并向外部发出警报。

尽管在以上以变频器中使用的风扇为例进行了描述，但是本公开不限于此。本公开的供电电路可以用于其他不同类型的负载。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。