一种磁通门磁饱和保护电路及磁饱和检测方法
阅读说明：本技术 一种磁通门磁饱和保护电路及磁饱和检测方法 (Fluxgate magnetic saturation protection circuit and magnetic saturation detection method ) 是由 不公告发明人 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及磁通门设计领域,特别涉及一种磁通门磁饱和保护电路及磁饱和检测方法,磁通门磁饱和保护电路,包括：桥式震荡电路、磁环、频率采样电路以及信号处理电路。当磁通门发生磁饱和现象时,体现出来的特征为驱动频率的突然增加,通过频率采样电路,采样系统的震荡频率,信号处理电路判断出高频状态下系统处于磁饱和状态,并输出保护信号,从而有效解决当下磁通门磁饱和工作异常的问题。(The invention relates to the field of fluxgate design, in particular to a fluxgate magnetic saturation protection circuit and a magnetic saturation detection method, wherein the fluxgate magnetic saturation protection circuit comprises: bridge type oscillating circuit, magnetic ring, frequency sampling circuit and signal processing circuit. When the fluxgate generates the magnetic saturation phenomenon, the characteristic is that the driving frequency is suddenly increased, the oscillation frequency of the system is sampled through the frequency sampling circuit, the signal processing circuit judges that the system is in the magnetic saturation state under the high-frequency state and outputs the protection signal, and therefore the problem that the fluxgate works abnormally under the magnetic saturation state is effectively solved.)
技术领域
本发明涉及磁通门设计领域，特别涉及一种磁通门磁饱和保护电路及磁饱和检测方法。
背景技术
请参考图1，现有的B型漏电保护器主要包括磁通门电流检测电路(以下简称为磁通门)、阈值判断电路以及电磁铁。其中，磁通门为最核心的部分，其用于检测输入的被测电流(即漏电流)，磁通门的输出电压可准确地还原被测电流的波形；阈值判断电路用于检侧由磁通门输出的被测电流的幅值，当被测电流超过标准的规定值时，则会控制电磁铁工作，进而使得漏电保护器切断供电回路，防止漏电危险事件发生。
现有的磁通门包括磁环、桥式振荡电路(半桥或全桥)、采样电阻、采样电路以及滤波电路，其中，桥式振荡电路由开关管Q1、开关管Q3和检测线圈组成。当桥式振荡电路工作时，其工作在峰值电流控制模式(检测桥臂电流，当桥臂电流达到阈值时切换桥臂)，当采样电阻上的电压达到一定阈值时，控制桥式振荡电路中的一边的桥臂关断另一边桥臂导通(即：开关管Q1关断时开关管Q3导通，开关管Q1导通时开关管Q3关断)。
正常情况下，磁环处于非磁饱和状态下，检测线圈的电感较大，检测线圈的励磁电流的震荡频率低(也即开关管Q1或开关管Q3的驱动信号的频率较低)，磁通门输出正常；当磁环磁饱和后，检测线圈的电感迅速减小，检测线圈的励磁电流的震荡频率高，此时，磁通门的输出会发生异常。
为了更好地理解磁通门磁饱和现象与励磁频率的关系，以下对磁通门磁饱和现象进行具体说明：
当被测电流较大时，检测线圈产生的磁通和检测线圈的励磁电流分别如图2(a)、2(b)所示。理想情况下，我们希望饱和区域在任何情况下都是正负对称的，并且饱和区域的区间尽量小。但由于是峰值电流控制，峰值电流不变，但饱和点往一边偏了，所以被测电流大时饱和区域的正负不对称程度增加了，对检测精度有影响。
假如继续增大被测电流，让励磁电流的平台(给磁芯施加恒定励磁电压时，磁芯非饱和电流斜率较低，饱和后斜率较高，在波形非饱和电流呈现出平台的状态)超过IPEAK，则会导致磁通门工作异常。正常的磁通门工作过程，是饱和与非饱和交替出现的。当被测电流经匝比等效后的电流大于IPEAK时，其工作状态如3所示，被测电流产生一个负向的磁通，线圈正向励磁时要达到BRE-磁环才会退出饱和状态，但未达到BRE-就达到了正向的峰值电流，因此正向励磁时检测线圈的感量为L0，很显然反向励磁时检测线圈的感量也是L0。两个方向励磁都时L0，这时励磁频率会迅速增大到十倍以上，并且失去了检测功能，输出电压会随着被测电流增大而逐渐归零，这就是磁通门磁饱和现象。
然而，现有市场上的电流传感器产品中的漏电保护器并无磁饱和保护功能，对电力应用构成潜在的危险，即磁环出现磁饱和时，含义为被测电流(漏电流)已经大到极端状态，但是漏电保护器却失灵。本发明就是解决磁饱和问题的技术方案。
发明内容
有鉴如此，本发明所解决的技术问题是提供一种磁通门磁饱和保护电路，在达到的有益效果相同的情况下，可以让磁通门电路在磁饱和时不影响后级输出。
发明构思：通过以上分析磁饱和现象识别在于震荡频率的增加到正常频率的10倍以上，因此可通过采集系统的震荡频率，在高频时给出磁饱和保护信号。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种磁通门磁饱和保护电路，用于与漏电保护器连接，其包括：桥式震荡电路、磁环、频率采样电路以及信号处理电路；
桥式震荡电路包括桥式开关电路以及与桥式开关电路的输出端连接的检测线圈，检测线圈环绕于所述磁环；
频率采样电路用于采集桥式开关电路的驱动信号的频率或检测线圈的电流的震荡频率，并据以输出反映驱动信号的频率或电流的震荡频率的频率采集信号；
信号处理电路根据频率采集信号判断磁环是否处于磁饱和状态，若是，则输出控制信号控制漏电保护器断开。
在一个实施例中，频率采样电路包括：RC滤波电路、基准电源、比较器U1以及低通滤波电路，
RC滤波电路的输入端与桥式开关电路的驱动信号连接，输出端与比较器U1的正向输入端连接；
比较器U1的反相输入端与基准电源连接，输出端与低通滤波电路连接；
信号处理电路包括阈值产生电路、比较器U2、比较器U3、第一二极管、第二二极管、定时电路以及比较器U4，
阈值产生电路用于产生第一阈值电压和第二阈值电压；
比较器U2的正输入端与低通滤波电路的输出端连接，比较器U2的负输入端与第一阈值电压连接，比较器U2的输出端通过第一二极管与比较器U4的正输入端连接；
比较器U3的负输入端与低通滤波电路的输出端连接，比较器U3的正输入端与第二阈值电压连接，比较器U3的输出端通过第二二极管与比较器U4的正输入端连接；
定时电路的一端与比较器U4的正输入端连接，另一端与地连接。
在一个实施例中，所述RC滤波电路包括电阻R1和电容C1，电阻R1一端连接所述桥式开关电路的驱动信号，另一端分别与电容C1的一端、比较器U1的正输入端口相连接；C1另一端接地；比较器U1的负输入端口接基准电源；
低通滤波电路具有电阻R2、电容C2以及电阻R3，比较器U1的输出接电阻R2一端，电阻R2另一端分别接电容C2、电阻R3、比较器U2的正输入端、比较器U3的负输入端，电阻R3和电容C2另一端接一起接基准电源；
阈值产生电路具有电压源、电阻R4、电阻R5以及电阻R6，电阻R4的一端连接电压源，另一端连接电阻R5的一端和比较器U2的负输入端，电阻R5的另一端分别连接比较器U3的正输入端和电阻R6的一端，电阻R6的另一端接地；
定时电路包括电容C3和电阻R7，比较器U2的输出端分别接二极管D1阳极，二级管D1阴极接二极管D2阴极、电容C3一端、电阻R7一端以及比较器U4的正输入端；比较器U3的输出端接二级管D2阳极；电容C3、电阻R7另一端连接在一起并接地；比较器U4的负输入端接基准电源。
在一个实施例中，通过设置电阻R2和电容C2的大小来对桥式开关电路的驱动信号的频率进行选择。
在一个实施例中，通过设置电阻R4、电阻R5和电阻R6的大小来设置频率采集信号的频率范围。
在一个实施例中，通过设置电阻R7和电容C3的大小来实现磁饱和恢复时间的控制。
在一个实施例中，比较器U1为驱动整形隔离比较器，通过比较器U1对桥式开关电路的驱动信号进行隔离，防止后级电路干扰驱动电路；比较器U2和比较器U3分别为窗口比较器。
本发明还提供一种用于磁通门的磁饱和检测方法，磁通门包括：桥式震荡电路以及磁环，桥式震荡电路包括桥式开关电路以及与桥式开关电路的输出端连接的检测线圈，检测线圈环绕于磁环，磁饱和检测方法包括：
采集桥式开关电路的驱动信号的频率或检测线圈的电流的震荡频率，并据以输出反映驱动信号的频率或电流的震荡频率的频率采集信号；
根据频率采集信号判断磁环是否处于磁饱和状态，若是，则输出控制信号控制漏电保护器断开。
在一个实施例中，采集桥式开关电路的驱动信号的频率，并据以输出反映驱动信号的频率的频率采集信号，包括如下步骤：
将驱动信号输入比较器U1，通过比较器U1隔离所述驱动信号，比较器U1的输出通过电阻R2和电容C2来获取反映驱动信号的频率的纹波信号；纹波信号为纹波幅度随驱动信号频率增加而降低的所述频率采集信号。
在一个实施例中，将频率采集信号与窗口比较器阈值进行比较，若，频率采集信号小于窗口比较器阈值时，则判断磁环处于磁饱和状态。
磁通门磁饱和保护原理为，磁通门电路发生磁饱和现象时，体现出来的特征为驱动频率的突然增加(磁材饱和后电感突变，因此震荡频率突然增加)，即桥式开关电路的驱动信号Vgs频率增加，Vgs1与Vgs同频的方波，Vgs1经过低通滤波器R2、C2、R3的滤波后，形成纹波幅度的减小的频率采样信号Vgs2，并且频率采样信号Vgs2无法达到比较器U2、比较器U3的阈值，因此输出为低电平，这时比较器U4的正输入端口为低电平，因此比较器U4的输出为低电平，低电平为磁饱和状态。反之输出高电平为非磁饱和状态。
本发明的工作原理将结合具体的实施例进行分析说明，采用本发明可得到的有益效果为，解决当下磁通门电路磁饱和工作异常的问题。
附图说明
图1为B型漏电保护器的结构示意图；
图2(a)为当被测电流较大时，检测线圈产生的磁通变化示意图；
图2(b)为被测电流较大时，检测线圈产生的电流示意图；
图3为磁通门磁饱和工作状态图；
图4为本发明第一实施例磁通门磁饱和保护电路的结构示意图；
图5为本发明磁通门磁饱和保护电路中的频率采样电路和信号处理电路的电路图；
图6为本发明第一实施例的工作波形图；
图7为本发明第二实施例磁通门磁饱和保护电路的结构示意图；
图8为本发明第三实施例磁通门磁饱和保护电路的结构示意图；
图9为本发明第四实施例磁通门磁饱和保护电路的结构示意图；
图10为本发明第五实施例磁通门磁饱和保护电路的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
第一实施例
请参阅图4、图5，本发明提供一种磁通门磁饱和保护电路，桥式震荡电路、频率采样电路1、磁环2、信号处理电路3以及采样电阻。
桥式震荡电路包括由开关管Q1和开关管Q3组成的桥式开关电路以及与桥式开关电路的输出端连接的检测线圈11，检测线圈11环绕于磁环2。
频率采样电路1用于采集桥式开关电路的驱动信号的频率或检测线圈的电流的震荡频率，并据以输出反映驱动信号的频率或电流的震荡频率的频率采集信号。本实施例中，频率采样电路1通过采集桥式开关电路的驱动信号的频率来获得频率采集信号。
信号处理电路3用于根据频率采集信号判断磁环2是否处于磁饱和状态，若是，则输出控制信号控制漏电保护器断开。
频率采样电路1包括：RC滤波电路、基准电源Vref、比较器U1以及低通滤波电路。
RC滤波电路的输入端与桥式开关电路的驱动信号连接，输出端与比较器U1的正向输入端连接；比较器U1的反相输入端与基准电源Vref连接，输出端与低通滤波电路连接。本实施例中，RC滤波电路具有电阻R1和电容C1，电阻R1一端连接桥式开关电路的驱动信号，另一端分别与电容C1的一端、比较器U1的正输入端口相连接；电容C1另一端接地；比较器U1的负输入端口接基准电源Vref。本实施例中，比较器U1为驱动整形隔离比较器，通过比较器U1对驱动信号进行隔离，防止后级电路干扰驱动电路。
低通滤波电路具有电阻R2、电容C2以及电阻R3，比较器U1的输出接电阻R2一端，电阻R2另一端分别接电容C2、电阻R3、比较器U2的正输入端、比较器U3的负输入端，电阻R3和电容C2另一端接一起接基准电源Vref。其中，可通过设置电阻R2、电容C2的大小，把桥式开关电路的驱动信号的频率转换成纹波信号(即频率采集信号)。
信号处理电路3包括阈值产生电路、比较器U2、比较器U3、第一二极管、第二二极管、定时电路以及比较器U4。其中，比较器U2和比较器U3构成窗口比较器。
阈值产生电路具有电压源、电阻R4、电阻R5以及电阻R6，电阻R4的一端连接电压源VCC，另一端连接电阻R5的一端和比较器U2的负输入端，电阻R5的另一端分别连接比较器U3的正输入端和电阻R6的一端，电阻R6的另一端接地。其中，电阻R4与比较器U2的负输入端的连接点产生第一阈值电压UI-INN(窗口比较器阈值)；电阻R6与比较器U3的正输入端的连接点产生第二阈值电压U2-INP(窗口比较器阈值)。本发明通过设置电阻R4、电阻R5和电阻R6的大小，来设置频率采集信号的频率范围。
比较器U2的正输入端与低通滤波电路的输出端连接，比较器U2的输出端通过二极管D1与比较器U4的正输入端连接。比较器U3的负输入端与低通滤波电路的输出端连接，比较器U3的输出端通过二极管D2与比较器U4的正输入端连接。
定时电路包括电容C3和电阻R7，比较器U2的输出端分别接二极管D1阳极，二级管D1阴极接二极管D2阴极、电容C3一端、电阻R7一端以及比较器U4的正输入端；比较器U3的输出端接二级管D2阳极；电容C3、电阻R7另一端连接在一起并接地；比较器U4的负输入端接基准电源Vref。本发明通过设置电阻R7和电容C3的大小来实现磁饱和延迟时间的控制。当发生磁饱和现象时频率采集信号Vgs2电压在VCC/2处，比较器U2、U3的输出都为低电平，当电阻R7给电容C3放电到基准电源Vref以下时，比较器U4输出为低电平，这个低电平就是磁饱和保护信号。磁饱和延迟时间指当系统进入磁饱和时到比较器U4输出低电平的延时。
本实施例磁通门磁饱和保护电路采取的磁饱和控制方法为：磁通门电路发生磁饱和现象时，体现出来的特征为驱动频率的突然增加(磁材饱和后检测线圈的电感突变，因此，检测线圈的电流的震荡频率突然增加)，即驱动信号Vgs频率增加，方波信号Vgs1与驱动信号Vgs同频的方波，方波信号Vgs1经过R2、C2构成的低通滤波器的滤波后，输出波纹幅度相对方波信号Vgs1频率升高而降低的频率采集信号Vgs2，这时Vgs1为高频信号，所以频率采集信号Vgs2的幅度无法达到输入比较器U2的第一阈值电压、比较器U3的第二阈值电压，因此，比较器U2、U3的输出均为低电平，这时电阻R7的存在，比较器U4的正输入端口为低电平，因此，比较器U4的输出为低电平，低电平为磁饱和状态，则控制漏电保护器断开。反之输出高电平为非磁饱和状态。
请参考图6，图6为本发明第一实施例的工作波形图，Iin为输入磁通门的输入被测电流，Vgs1为磁通门震荡频率即磁饱和电路的频率采集信号，Vgs2为低通滤波电路的输出，从波形可看出Iin电流在2A～0.6A，-0.6～-2A之间时Vgs1频率高，Vgs2震荡幅度小，Vo(ctr)为低电平磁通门已经发生了磁饱和现象；在-0.6A～0.6A区间时，Vgs1频率低，Vgs2震荡幅度大，触发到比较器U2、U3的第一阈值电压和第二阈值电压，Vo(ctr)为高电平，表示磁通门工作正常。
综上当磁通门正常时，磁饱和保护信号为高电平，磁通门处于磁饱和状态时，磁饱和保护信号为低电平，从而解决了磁通门处于磁饱和时磁通门异常的问题。
第二实施例
图7为本发明第二实施例原理图磁通门磁饱和保护电路的结构示意图。与第一实施例的区别在于：频率采样通过采样开关管Q1的驱动信号来实现。
第三实施例
图8为本发明第三实施例原理图磁通门磁饱和保护电路的结构示意图。与第一实施例的区别在于：频率采样通过采样开关管Q3的漏源极电压来实现。
第四实施例
图9为本发明第四实施例原理图磁通门磁饱和保护电路的结构示意图。与第一实施例的区别在于：频率采样通过采样电阻来实现。
第五实施例
图10为本发明第五实施例原理图磁通门磁饱和保护电路的结构示意图。与第一实施例的区别在于：频率采样点通过磁环辅助绕组电流采样来实现。
本发明具有多种电路的形式变化，第二实施例至第五实施例的工作原理都是通过采集磁通门震荡频率，当磁通门震荡频率突然增加时输出磁饱和保护信号。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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