一种多级软硬件交叉互控可调过流保护系统及方法与流程

1.本发明涉及一种多级软硬件交叉互控可调过流保护系统及方法。


背景技术：

2.目前过流保护主要方法为门限检测。当电流值达到门限值，保护电路动作，切断电流回路。但以上常规方法无法解决特殊负载正常工作时会有瞬时的大电流需求，称作“打脉冲”，此时电流的峰值脉冲值远大于保护电流门限值，传统保护方法容易造成系统误动作，产生误保护或门限值需要设定过大，在真正需要保护时未保护进而损坏电源和负载。


技术实现要素：

3.为了解决传统门限检测方法存在的不足，本发明的目的是提供一种能够识别正常脉冲电流并有效进行过流保护的多级软硬件交叉互控可调过流保护系统，该系统可以满足对大电流脉冲需求的电路，避免因误动作而导致电路无法正常启动、工作的情况。
4.本发明的目的是通过以下技术方案实现的，多级软硬件交叉互控可调过流保护系统包括：软件模块，存储有计算机程序，该计算机程序执行的处理为：对输入的目标电流进行模数转换，转换结果与设定的电流门限值进行比较，如目标电流大于电流门限值，且小于正常脉冲电流，则延时一定时间；延时期间持续将目标电流与正常脉冲电流进行比较，如延时期间目标电流提升至正常脉冲电流，则判定此时目标电流为正常脉冲电流，无任何动作；反之则输出中断信号至目标电路使其切断输出，实现过流保护；如目标电流大于电流门限值，且大于正常脉冲电流，无任何动作；硬件模块，包括过流保护单元和短路保护单元，用于过流保护和短路保护；信号锁存模块，用于根据所述软件模块和/或所述硬件模块的输出输出锁存信号至目标电路切断其输出，实现目标电路的过流保护；该系统工作时，所述软件模块和所述硬件模块均处于上电状态，输入的目标电流大于所述软件模块设定的电流门限值，且小于正常脉冲电流时，所述软件模块动作执行存储于其内的计算机程序；输入的目标电流大于所述软件模块设定的电流门限值，且大于正常脉冲电流时，或者输入的目标电流大于所述短路保护单元或所述过流保护单元的电流门限值时，硬件模块运作；所述软件模块设定的电流门限值、所述过流保护单元电流门限值及所述短路保护单元电流门限值不同。
5.进一步的，在一些实施方式中，所述短路保护单元和/或所述过流保护单元包括用于比较目标电流和电流门限值大小的比较器、以及用于在所述目标电流大于电流门限值时开始计数，溢出时存在输出至所述信号锁存模块的计数器。
6.进一步的，在一些实施方式中，还包括为所述比较器提供参考值作为电流门限值的电压数模转换器。
7.进一步的，在一些实施方式中，所述比较器、所述计数器和/或所述电压模数转换器为可编程集成电路，可以与终端电连接实现电流门限值的调控。采用可编程集成电路可以根据使用情况调控电流门限值和计时时长，即保护条件可根据负载状况灵活可调，具有适应性强、扩展性强的优点。
8.进一步的，在一些实施方式中，所述信号锁存模块包括第一或非门、第二或非门、第一非门、第二非门、与门和d
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q触发器；所述短路保护单元和所述过流保护单元的输出分别作为第一或非门的两输入和所述d
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q触发器的输入，所述第一或非门的输出作为所述第二或非门的一路输入，所述第二或非门的第二路输入加载控制信号，所述第二或非门的输出作为所述d
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q触发器的时钟信号；所述第一或非门的输出还作为所述第一非门的输入，所述第一非门的输出作为所述与门的一路输入；所述d
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q触发器的输出作为所述第二非门的输入，所述第二非门的输出作为所述与门的另一路输入，所述与门的输出作为锁存信号加载于目标电路使其切断输出，并锁定切断输出状态，实现过流保护。通过触发器和若干个逻辑门构成信号锁存模块，实现了该模块输出锁定，当出现过流状态时，该模块的输出能够用于控制目标电路输出锁定，并持续，更进一步地提高了过流保护效果。
9.进一步的，在一些实施方式中，所述信号锁存模块还包括控制寄存器，所述控制寄存器用于接收外部信号并输出分别作为第二或非门的另一路输入和所述d
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q触发器的输入，当出现过流后，所述信号锁存模块输出信号使目标电路切断输出并锁定，当存在外部信号输入所述控制寄存器时，所述控制寄存器输出使所述d
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q触发器输出发生变化，所述与门输出使目标电路恢复，实现解锁。
10.进一步的，在一些实时方式中，所述信号锁存模块还包括状态寄存器，所述短路保护单元和所述过流保护单元的输出输入所述状态寄存器，所述状态寄存器锁存当前过流状态；实现了过流状态的锁定，能够供后续相关设备及工作人员使用，以判定目标电路过流状态是短路过流还是电流过流。
11.进一步的，在一些实施方式中，本发明提供的系统还包括还包括提供时钟信号的时钟模块。
12.进一步的，在一些实施方式中，本发明提供的系统还包括用于目标电流放大的信号放大模块，所述信号放大模块的输出输入所述软件模块和所述硬件模块。
13.进一步的，在一些实时方式中，所述信号放大模块包括可编程增益放大器和为所述可编程增益放大器提供直流偏置信号的数模转换器。
14.本发明在此的另一个目的提供了一种基于本发明提供的过流保护系统的过流保护方法，该方法是这样的：启动过流保护系统，在线实时采集目标电路中电流，形成目标电流，将目标电流与软件模块中设定的电流门限值以及硬件模块中的短路保护单元和过流保护单元的电流门限值进行比较；如目标电流大于软件模块设定的电流门限值，且小于正常脉冲电流时，软件模块动作执行存储于其内的计算机程序；如输入的目标电流大于软件模块设定的电流门限值，且大于正常脉冲电流时，或者输入的目标电流大于所述短路保护单元或所述过流保护单元的电流门限值时，硬件模块动作；其中软件模块设定的电流门限值、过流保护单元电流门限值及短路保护单元电流门限值不同。
15.进一步的，当输入的目标电流大于软件模块设定的电流门限值，且大于正常电流脉冲时，或者输入的目标电流大于所述短路保护单元或所述过流保护单元的电流门限值
时，延时一定时间后，所述过流保护单元或短路保护单元才存在输出。
16.本发明在此的第三方面在于提供一种多级过流保护方法，该方法包括：电流门限设定，设定作为过流判断的多级电流门限值，每级电流门限值不同；正常脉冲电流设定；延时设定，与电流门限值级数对应；采集目标电路电流，记作目标电流；如目标电流小于设定的多级电流门限值中的所有电流门限值，则判定目标电流为正常电流；如目标电流大于多级电流门限值中的一级或多级，则将目标电流与设定的正常脉冲电流进行比较，如小于正常脉冲电流，则延时该目标电流所大于的电流门限值对应的时长，延时期间持续对目标电流进行采集并与设定的正常脉冲电流进行比较，如在延时期间目标电流提升至设定的正常脉冲电流，则判定此时目标电流为正常脉冲电流，不启动过流保护，持续对目标电流进行采集并比较，如目标电流大于设定的电流门限值，且该电流门限值等于或大于正常脉冲电流，则延时此时目标电流所大于的电流门限值对应的时长，如达到设定的延时后，目标电流持续大于电流门限值则启动过流保护，反之则不启动过流保护；如达到设定的延时后，目标电流未能提升至设定的正常脉冲电流，则判定目标电流为过流电流，启动过流保护；如目标电流大于设定的多级电流门限值中的一级或多级，且该电流门限值等于或大于正常脉冲电流，则延时此时目标电流所大于的电流门限值对应的时长，如达到设定的延时后，目标电流持续大于电流门限值则启动过流保护，反之则不启动过流保护。
17.进一步的，如目标电流大于设定的多级电流门限值中的一级或多级，且该电流门限值等于或大于正常脉冲电流，则延时此时目标电流所大于的电流门限值对应最短的时长。
18.本发明提供的系统通过软件识别保护加硬件实时保护的模式，针对有大脉冲电流需要的电路，既能正确识别和通过负载“打脉冲”时所需的大电流，又能在真正产生过流的时候准确及时保护；且通过信号锁止模块能够实现对目标电路输出进行锁定，达到有效地的过流保护。
19.本发明的有益效果：本发明采用上述方案，与现有门限检测相比，可以通过可软件识别保护加硬件实时保护的模式，针对有“打大脉”冲需求的负载，既能正确识别和通过负载打脉冲时所需的大电流，又能在真正产生过流的时候能准确及时保护电源和负载。同时通过可编程集成电路可以实现调整过流保护门限的值和计时时长，也能有效的兼容不同类型的负载。具有适应性强、扩展性强的优点：即保护条件可根据负载状况灵活可调。在数字和模拟资源充足的情况下还可扩展至少2级的保护窗口，提供更精确的过流波形控制。
附图说明
20.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：图1为本发明提供的过流保护系统的原理框图；图2为本发明提供的过流保护系统的原理图；
图3为实际控制的波形图。
具体实施方式
21.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
22.在电源为负载供电过程中，有些负载启动瞬间或正常工作时会有瞬间的大电流需求。如图3所示，图中脉冲pulse1与pulse2均为负载工作所需要的正常脉冲电流，其电流值一般会超过电流保护门限值，现有过流保护容易将这种负载需求的瞬间大电流误判定为过流，导致误保护，无法满足这种有瞬间大电流需求的目标电路。为此本发明提供了一种多级软硬件交叉互控可调过流保护系统，该系统可以用于任何目标电路进行过流保护，尤其是针对电源和负载提供过流和短路保护功能并能识别负载正常脉冲电流（脉冲电流值大于一级过流保护门限值），可以应用于新能源电源领域。
23.结合图1、图2示出了本发明提供的过流保护系统示例性的原理框图及原理图，该过流保护系统包括信号放大模块、软件模块adc、硬件模块和信号锁存模块，各功能模块具体如下。
24.信号放大模块，用于将采集到的目标电路的目标电流进行放大，放大后的目标电流分别输入软件模块和硬件模块。该信号放大模块可以采用任何一种放大电路，在此采用的示例性电路结构包括可编程增益放大器pga和数模转换器vdac_l1，可编程增益放大器pga负责将目标电流信号放大到合适的值，数模转换器vdac_l1给可编程增益放大器pga提供直流偏置信号。
25.软件模块adc，存储有计算机程序，该计算机程序执行的处理为：对输入的目标电流进行模数转换，转换结果与设定的电流门限值进行比较，如目标电流大于电流门限值，且小于正常脉冲电流，则延时一定时间；延时期间持续将目标电流与正常脉冲电流进行比较，如延时期间目标电流提升至正常脉冲电流，则判定此时目标电流为正常脉冲电流，无任何动作；反之则输出中断信号至目标电路使其切断输出，实现过流保护；如目标电流大于电流门限值，且大于正常脉冲电流，无任何动作。
26.硬件模块，包括用于判定目标电路是否存在短路的短路保护单元和用于判定目标电路是否存在过流的过流保护单元；过流保护单元和短路保护单元的数量根据该过流保护系统需求设定，至少设置一个。此处的过流保护单元和短路保护单元可以采用任何一种过流保护单元和短路保护单元，在此采用的示例性电路结构是这样的：过流保护单元和短路保护单元分别配置有比较器comp、计数器counter和模数转换器vdac，比较器comp的输出端与计数器counter的使能端连接，计数器counter的中断输出端与信号锁存模块连接；比较器comp的同相输入端与可编程增益放大器pga输出端连接，模数转换器vdac与比较器comp的反相输入端连接。
27.具体结合附图2所示，过流保护单元包括比较器compl2、计数器counterl2和模数转换器vdacl2；短路保护单元包括比较器compl3、计数器counterl3和模数转换器vdacl3。比较器compl2和比较器compl3的同相输入端分别接可编程增益放大器pga输出端，模数转换器vdacl2和模数转换器vdacl3的输出端分别接比较器compl2和比较器compl3的反相输
入端；比较器compl2和比较器compl3的输出端分别接计数器counterl2和计数器counterl3的reset端。
28.在此，本文提供的过流保护单元和短路保护单元示例性电路结构中，比较器compl2和比较器compl3的输出端可以分别直接接计数器counterl2和计数器counterl3的输入端，也可以分别通过非门连接。
29.其中，模数转换器vdacl2和模数转换器vdacl3分别确定过流保护单元和短路保护单元的电流门限值；计数器counterl2和计数器counterl3的比较计数周期分别设定了过流保护和短路保护的时延。
30.信号锁存模块，在目标电路存在过流时输出锁存信号至目标电路切断其输出，实现目标电路的过流保护。此处给出的信号锁存模块示例性电路结构如图2所示，包括第一或非门、第二或非门、第一非门、第二非门、与门、d
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q触发器、控制寄存器control_reg_prtmod_1和状态寄存器status_reg_octype_1。短路保护单元和过流保护单元的输出分别作为第一或非门的两输入和d
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q触发器的输入，第一或非门的输出作为第二或非门的一路输入，第二或非门的第二路输入加载控制信号，第二或非门的输出作为d
‑
q触发器的时钟信号；第一或非门的输出还作为第一非门的输入，第一非门的输出作为与门的一路输入；d
‑
q触发器的输出作为第二非门的输入，第二非门的输出作为与门的另一路输入，与门的输出作为控制信号加载于目标电路中切断目标电路的输出，并持续达到切断目标电路输出锁定目的，实现有效地过流保护。
31.控制寄存器用于接收外部信号并输出分别作为第二或非门的另一路输入和d
‑
q触发器的输入，当出现过流后，信号锁存模块输出信号使目标电路使其切断输出并持续切断状态实现锁定；目标电路输出切断锁存后，当存在外部信号输入控制寄存器时，控制寄存器输出使d
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q触发器输出发生变化，与门输出使目标电路恢复，实现解锁。
32.短路保护单元和过流保护单元的输出输入状态寄存器，状态寄存器锁存当前过流状态。结合附图2示例性电路结构所示，计数器counterl2和计数器counterl3的输出分别输入状态寄存器，状态寄存器根据输入的不同输出不同，以表征不同过流状态（短路过流或过流过流），状态寄存器的输出可以被外部设备读取使用，以获取过流状态。
33.该系统工作时，所述软件模块和所述硬件模块均处于上电状态，输入的目标电流大于所述软件模块设定的电流门限值，且小于正常脉冲电流时，所述软件模块动作执行存储于其内的计算机程序；输入的目标电流大于所述软件模块设定的电流门限值，且大于正常脉冲电流时，或者输入的目标电流大于所述短路保护单元或所述过流保护单元的电流门限值时，硬件模块运作；软件模块设定的电流门限值、过流保护单元电流门限值及短路保护单元电流门限值不同。
34.本文提供的示例性电路结构中，比较器、计数器、数模转换器可以采用任何一种，如可以采用可编程集成电路，可以与安装有编程软件的终端通信连接，通过操作安装的编辑软件可以设定过流保护门限值和计时时长。采用可编程增益放大器pga、过流保护单元和短路保护单元可以调整过流保护门限值和计时时长，也能有效的兼容不同类型的负载。具有适应性强、扩展性强的优点：即保护条件可根据负载状况灵活可调。
35.本文多级软硬件交叉互控可调过流保护系统的过流保护方法是这样的：启动过流保护系统，在线实时采集目标电路中电流，形成目标电流，将目标电流与软件模块中设定的
电流门限值以及硬件模块中的短路保护单元和过流保护单元的电流门限值进行比较；如目标电流大于软件模块设定的电流门限值，且小于正常脉冲电流时，软件模块动作执行存储于其内的计算机程序；如输入的目标电流大于软件模块设定的电流门限值，且大于正常脉冲电流时，或者输入的目标电流大于所述短路保护单元或所述过流保护单元的电流门限值时，硬件模块动作；其中软件模块设定的电流门限值、过流保护单元电流门限值及短路保护单元电流门限值不同。
36.当输入的目标电流大于软件模块设定的电流门限值，且大于正常电流脉冲时，或者输入的目标电流大于所述短路保护单元或所述过流保护单元的电流门限值时，延时一定时间后，所述过流保护单元或短路保护单元才存在输出。
37.另一种多级过流保护方法，包括了：电流门限设定，设定作为过流判断的多级电流门限值，每级电流门限值不同；正常脉冲电流设定；延时设定，与电流门限值级数对应；采集目标电路电流，记作目标电流；如目标电流小于设定的多级电流门限值中的所有电流门限值，则判定目标电流为正常电流；如目标电流大于多级电流门限值中的一级或多级，则将目标电流与设定的正常脉冲电流进行比较，如小于正常脉冲电流，则延时该目标电流所大于的电流门限值对应的时长，延时期间持续对目标电流进行采集并与设定的正常脉冲电流进行比较，如在延时期间目标电流提升至设定的正常脉冲电流，则判定此时目标电流为正常脉冲电流，不启动过流保护，持续对目标电流进行采集并比较，如目标电流大于设定的电流门限值，且该电流门限值等于或大于正常脉冲电流，则延时此时目标电流所大于的电流门限值对应的时长，如达到设定的延时后，目标电流持续大于电流门限值则启动过流保护，反之则不启动过流保护；如达到设定的延时后，目标电流未能提升至设定的正常脉冲电流，则判定目标电流为过流电流，启动过流保护；如目标电流大于设定的多级电流门限值中的一级或多级，且该电流门限值等于或大于正常脉冲电流，则延时此时目标电流所大于的电流门限值对应的时长，如达到设定的延时后，目标电流持续大于电流门限值则启动过流保护，反之则不启动过流保护。
38.如目标电流大于设定的多级电流门限值中的一级或多级，且该电流门限值等于或大于正常脉冲电流，则延时此时目标电流所大于的电流门限值对应最短的时长。
39.本文提供的技术方案至少可以实现三级过流保护响应，分别是软件模块一级，硬件模块包括过流保护和短路保护两级，当然并非仅仅只包括此处的记载的三级，可以根据需要设计多级，如硬件模块设计多级过流保护和短路保护，配置不同的电流门限值和延时时间。每次的电流门限值和延时时长不同，如短路保护的电流门限值可以最大，而实现为最短一个外部时钟周期。
40.本文提供的过流保护系统还包括了为系统提供时钟信号的时钟模块，该时钟模块在此采用分频器freqdiv2，该分配器可以采用1/2分频器；当然也可以根据情况选取其它分频器。
41.结合本文提供的各功能模块的示例性电路结构，本过流保护系统中所有模块通过api接口与外部通讯，信号锁存模块输出系统中断和锁存信号，其中系统中断包括过流状态信息，用于外部设备使用并知晓目标电路过流状态；锁存信号用于加载于目标电路使其输
出切断。可编程增益放大器pga的同相输入端与目标电路电流采样信号连接，将目标电路电流流过传感器产生的电压信号，送到软件监测模块和硬件模块，当软件监测模块检测到电流大于预置的一级软件保护门限后，延时t1(t1为负载从正常工作电流变化至打脉冲的脉冲电流值之间的时间)，再次检测。若此时已有硬件过流或者短路告警触发，则停止检测，由硬件触发的系统中断调用相关处理进程。若此时电流小于预置的脉冲电流值，则判定为负载异常，出现过流，则置位一级过流告警标志位，输出用于保护的锁存信号。若此时电流大于预置的脉冲电流值，则判定为负载所需的正常脉冲电流，停止检测，将锁存信号的控制器交由过流保护和短路保护的硬件来进行控制。当任一一个比较器电平翻转，对应计数器counter的reset位清零，计数器counter开始计时，当计数器溢出，计数器的中断输出位interrupt由0到1翻转，触发信号锁存逻辑单元，对保护的级别和类型进行锁定，输出保护的锁存信号和中断请求信号。同时过流状态寄存器相应位置位，锁定保护状态。系统需要响应此中断后通过调用模块的api接口解除保护状态。若在计数器溢出前，比较器电平再次翻转，说明电流已降到保护门限以下，计数器counter的reset位置1，计数器counter相应计数模块自动复位；整个系统等待下一次触发信号。
42.负载由于有输入电容的存在，上电启动时存在如图3的冲击电流，不同负载容性不一样。利用本文技术方案，配置好各级的保护门限与延时后，虚线范围内的启动脉冲能正常通过，负载与电源均能正常工作；超出虚线范围的启动脉冲则会触发相应的保护，电源切断输出并告警，指示负载异常。
43.图3中所示脉冲pulse1与pulse2均为负载工作所需要的正常脉冲电流，其电流值超过了保护门限，持续时间超出了一级保护门限的延迟时间。本文过流保护系统及方法能正确识别此脉冲，不会产生误保护动作，不会意外切断电源，影响负载的正常工作。
44.结合本文提供的各功能模块的示例性电路结构，本文提供的过流保护系统及方法中的系统时钟、信号放大倍数、直流偏置电压、过流门限值及延时时长等可以根据使用情况任意限定，为了更好地说明本文技术方案，在此提供以下示例性设定以说明。
45.系统时钟设置为8mhz，经分频器后，计数时钟经二分频器设置为4mhz；pga的放大倍数设置为4倍，pga的直流偏置电压设置为2528mv；硬件过流保护的翻转电平设置为3584mv，硬件过流保护的延时设置为4000个计数周期；硬件短路保护的翻转电平设置为3728mv，硬件短路保护的延时设置为4个计数周期；软件过流保护检测门限设置为12000ma，软件过流保护检测门限延时设置为10ms；软件脉冲检测门限设置为350000ma。
46.根据以上设定，软件模块保护的门限为12a，延时为10ms。若检测到电流超过12a持续10ms未到达脉冲电流（正常脉冲电流）门限（350a），则触发软件模块实现软件过流保护。若电流在10ms内超过350a，则识别为正常脉冲电流（为目标电路需求的大电流），软件将保护权限交与硬件。硬件模块中过流保护门限为528a，延时为1ms。若脉冲电流值超过528a并持续1ms以上，则触发硬件过流保护。短路保护门限为600a，延时为1us。若脉冲电流值超过600a并持续1us以上，则触发短路保护。在此范围内的脉冲，能正常识别并通过，不触发保护动作。
47.基于以上设定，实际测试结果为：400a持续5秒的脉冲能正常通过，无保护动作触发。15a持续12ms，触发软件过流保护。550a持续1ms，触发硬件过流保护。650a持续1us，触发短路保护。
48.本发明采用上述方案，与现有门限检测相比，能够识别正常负载大电流脉冲并有效对电源和负载进行过流保护。通过可软件识别保护加硬件实时保护的模式，使电源系统对负载的适应性大大增加，特别是针对有打大脉冲需求的负载，既能正确识别和通过负载打脉冲时所需的大电流，又能在真正产生过流的时候能准确及时保护电源和负载。同时通过可编程增益放大器pga及过流保护单元来调整过流保护门限的值和计时时长，也能有效的兼容不同类型的负载。具有适应性强、扩展性强的优点：即保护条件可根据负载状况灵活可调。在数字和模拟资源充足的情况下还可扩展至少2级的保护窗口，提供更精确的过流波形控制。
49.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的修改或等同替换，只要不脱离本发明的技术方案的精神和范围，均涵盖在本发明的权利要求范围内。