一种新型数字电源图腾柱PFC电流采样和过流保护电路的制作方法

本技术涉及电路控制，尤其涉及一种新型数字电源图腾柱pfc电流采样和过流保护电路。

背景技术：

1、在传统的pfc(power factor correction，功率因数校正)电路中，整流桥二极管的损耗一直对电源整体效率和散热管理造成相当大的挑战，如果用“图腾柱(totem pole)”配置的开关取代传统的二极管，并同时整合升压pfc功能，可大大减少桥堆损耗，显著提高整体能效。其中，图腾柱pfc包含两大主流的控制模式：ccm(continuous current mode，电流连续模式)和tcm(triangular current mode，三角电流模式)控制模式。tcm模式为crm(critical conduction mode，临界导通模式)的进阶版。ccm的控制方式主要用于大功率场合，主管开关由于硬开通原因一般频率做得不高，在功率不大且要求功率密度较高的场合(比如服务器电源和通信电源)适用性较差。tcm模式主要用于中等功率且对功率密度要求较高的场合，目前能够在第三代半导体的加持下频率达到1mhz以上,使得电源的功率密度大大增加。

2、不同于crm模式辅管电流降到0关断辅管，图腾柱pfc电源在tcm模式下，辅管电流降到0后会反向续流一小段时间，到达给定反向电流值1-2a后再把辅管关断。通过pfc电感中的反向电流续流将主管输出电容上的电荷放掉，直到主管的vds降为0再打开主管驱动，从而实现主管的zvs(zero voltage switching，零电压开关)。实现主管的zvs，则主管的频率可以设计的较高，体积做得较小。

3、主管和辅管在市电正负半周切换时，半桥的上下管也会交替切换作为主管和辅管，所以采样电流可能为正也有可能为负。基于电流采样控制的zvs方案，目前行业主要有三种电流采样的方案：分流器、磁通门或者霍尔感应ic、互感器。

4、分流器主要为低阻值的电阻器，通过检测流过电阻上的电压能够测量实际的电流值。分流器的优点是全范围带宽(或取决于运放带宽)，体积小。但分流器的缺点也很明显，需要消耗一定的能量，同时，因为半桥结构上管采样需要隔离运放或者一路隔离电源，成本比较高。也可以不用运放，将控制的地设置为分流器的公共点，然而实际此点的电位变化较大，对控制电路的影响比较大，工程应用比较复杂。

5、磁通门或者霍尔感应ic的优点是自带隔离、电路设计简单，缺点主要表现为带宽不够宽，目前普遍为500k左右带宽，更高的带宽成本会直线上升。而且，如果将磁通门或者霍尔感应ic运用到第三代半导体带的图腾柱，带宽明显不够。所以，带宽限制了此类电流采样方案在第三代半导体图腾柱pfc高频化中的应用。

6、互感器利用原边电流导致的磁芯磁通的变化，副边线圈感应出相应的电流，流过低电阻产生一个电压，送往数字mcu(microcontroller unit，微控制单元)的adc接口或comp接口进行采样或者比较，从而进行相应的逻辑判断。互感器自带隔离和mhz级别的带宽，低延时的特性能满足实际的应用需求。

7、在实际的互感器电流采样设计中，互感器的副边采样电流需要用作1a-2a的电流采样用于zvs续流控制，同时也要用作主管15a或者更大采样电流的ocp(over currentprotection，过流保护)控制。1a和15a都要求精度比较高，但soc的adc的采样范围或者soc的cmp比较器输入io口的的输入电压范围需要0-3.3v。实际工程调试要求1a对应的0.4以上的刻度才能保证tcm_pfc在过零点能够进行更好的补偿。所以，0.4a*15a＝6v，远大于soc的io引脚要求电压。针对1a高刻度高精度的采样需求和ocp采样超过io规定电压的矛盾，需要提出一种新的电路解决这个矛盾点。

8、而且，在tcm_pfc的软起动过程中，辅管的反向1a电流检测可能存在检测不正常的情况，一般的做法是在工频管进行电流采样并用作负向电流检测，做负向辅管电流ocp。互感器本身体积较大和成本较高。所以，需要引入新的控制方案优化工频管的电流采样。

技术实现思路

1、针对现有技术中的部分或全部问题，本实用新型提供一种新型数字电源图腾柱pfc电流采样和过流保护电路，包括互感器，互感器输出退磁电路，互感器采样单向整流电路，采样电阻，第一采样输入端，第二采样输入端，采样电流电路，采样输出端，采样通道；

2、所述互感器包括原边绕组与副边绕组，所述原边绕组的一端为所述第一采样输入端、另一端为所述第二采样输入端，所述副边绕组与所述互感器输出退磁电路并联，并联后的一端同时与所述互感器采样单向整流电路的阳极端子电连接、并联后的另一端同时与所述采样电阻的一端和地电连接；

3、所述互感器采样单向整流电路的阴极端子与所述采样电阻的另一端以及采样电流电路的一端电连接；

4、所述第一采样输入端与工频管或者pfc电感电连接，所述第二采样输入端与高频管电连接；

5、所述采样输出端与所述互感器的原边绕组以及所述高频管电连接，所述采样输出端包括并联的输出滤波电容和输出负载；

6、所述采样通道连接到系统级芯片的比较器输入引脚。

7、进一步地，所述互感器为高频管电流采样互感器，执行正弦周期内交替采样流过高频管的电流，用于主管过流保护、负电流关断辅管以及负电流过流保护。

8、进一步地，所述互感器输出退磁电路保证互感器两端的电压在一定范围内，并且在关断期间保证互感器的退磁通道。

9、进一步地，所述采样电阻的阻值在100ω以内。

10、进一步地，所述采样电流电路包括多个电阻。

11、进一步地，所述采样通道包括多个电阻。

12、进一步地，所述采样通道的多个电阻的最大电阻值优选为所述采样电流电路的多个电阻的最大电阻值的30倍以上。

13、进一步地，当所述互感器处于主管电流采样时，所述采样通道主要作为主管电路的电流过流保护检测；当所述互感器作为辅管检测反向续流电流时，所述采样通道分别做负向电流采样的检测和负向电流过流保护的检测。

14、进一步地，所述采样电流电路使用绝缘栅型场效应管，或者绝缘栅型双极型晶体管，或者双极型晶体管进行控制。

15、进一步地，所述采样通道使用绝缘栅型场效应管，或者绝缘栅型双极型晶体管，或者双极型晶体管进行控制。

16、与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

17、1.通过提高采样电流的刻度，为正弦过零点的负向电流精准控制提供良好的基础条件。

18、2.通过电阻分压将两路采样通道直接拉到数字微控制单元或者系统级芯片的比较口，不需要增加12v的比较器进行电平转换，可以达成减少延时、精简电路以及节省成本的效果。

19、3.软起动工况下，通过过流保护采样通道负向电流过流保护，不需要在工频管上加ct采样做过流保护，可以减少整个pcb空间和系统成本。

技术特征：

1.一种新型数字电源图腾柱pfc电流采样和过流保护电路，其特征在于，包括互感器，互感器输出退磁电路，互感器采样单向整流电路，采样电阻，第一采样输入端，第二采样输入端，采样电流电路，采样输出端，采样通道；

2.根据权利要求1所述的图腾柱pfc电流采样和过流保护电路，其特征在于，所述互感器为高频管电流采样互感器，执行正弦周期内交替采样流过高频管的电流，用于主管过流保护、负电流关断辅管以及负电流过流保护。

3.根据权利要求1所述的图腾柱pfc电流采样和过流保护电路，其特征在于，所述互感器输出退磁电路保证互感器两端的电压在一定范围内，并且在关断期间保证互感器的退磁通道。

4.根据权利要求1所述的图腾柱pfc电流采样和过流保护电路，其特征在于，所述采样电阻的阻值在100ω以内。

5.根据权利要求1所述的图腾柱pfc电流采样和过流保护电路，其特征在于，所述采样电流电路包括多个电阻。

6.根据权利要求1所述的图腾柱pfc电流采样和过流保护电路，其特征在于，所述采样通道包括多个电阻。

7.根据权利要求1所述的图腾柱pfc电流采样和过流保护电路，其特征在于，所述采样通道的多个电阻的最大电阻值优选为所述采样电流电路的多个电阻的最大电阻值的30倍以上。

8.根据权利要求1所述的图腾柱pfc电流采样和过流保护电路，其特征在于，当所述互感器处于主管电流采样时，所述采样通道主要作为主管电路的电流过流保护检测；当所述互感器作为辅管检测反向续流电流时，所述采样通道分别做负向电流采样的检测和负向电流过流保护的检测。

9.根据权利要求1所述的图腾柱pfc电流采样和过流保护电路，其特征在于，所述采样电流电路使用绝缘栅型场效应管，或者绝缘栅型双极型晶体管，或者双极型晶体管进行控制。

10.根据权利要求1所述的图腾柱pfc电流采样和过流保护电路，其特征在于，所述采样通道使用绝缘栅型场效应管，或者绝缘栅型双极型晶体管，或者双极型晶体管进行控制。

技术总结本技术涉及一种新型数字电源图腾柱PFC电流采样和过流保护电路。该电路包括互感器，互感器输出退磁电路，互感器采样单向整流电路，采样电阻，第一采样输入端，第二采样输入端，采样电流电路，采样输出端，采样通道。本技术通过电阻分压将两路采样通道直接拉到数字微控制单元或者系统级芯片的比较口，不需要增加12V的比较器进行电平转换，可以达成减少延时、精简电路以及节省成本的效果。技术研发人员：李伟,赵琴琴,高小朋受保护的技术使用者：华大半导体（成都）有限公司技术研发日：20231222技术公布日：2024/7/29