一种用于主动防护的浪涌检测电路及检测装置的制作方法

1.本发明涉及电路系统保护技术领域,尤其涉及一种用于主动防护的浪涌检测电路及检测装置。


背景技术：

2.交流电源(alternating current,ac)广泛应用于各种要求可靠供电的场合，比如服务器、数据中心、基站等，通常采用ac电源将电网工频交流电转换为直流电给各类负载供电，电芯的ac电源系统如图1所示。
3.ac电源通常由五部分组成：emi电路、ac
‑
dc电路、dc
‑
dc电路、辅源电路以及原副边控制电路组成。其中，ac
‑
dc电路主要包括整流以及pfc电路，用以实现将工频交流电转换成直流电路，并将其升压至所需的母线电压(400v)；dc
‑
dc电路用以实现将母线电压转化为所需的负载电压给负载供电。
4.ac电源主要应用于数据中心，基站等所有使用服务器电源的场景，尽管都在室内，其对于浪涌防护的要求也是很高的，一般需要满足差模
±
2000v，共模
±
2000v。并且浪涌整个过程，电源不容许出现任何方式的告警、复位或输出中断，更不能损坏。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供了一种主动防护的浪涌检测电路及检测装置，能够在浪涌信号作用于功率器件之前进行保护，提高了系统的可靠性。
6.第一方面，本技术实施例提供了一种用于主动防护的浪涌检测电路，包括：加速电路，由至少一个容性器件组成，用于对电源端输入的交流信号进行分压；整流电路，用于对加速电路输出的交流信号，或者电源端输入的交流采样信号进行整流；采样电路，用于对整流电路输出的直流信号进行采集，并输出采样信号；当电源端输入到检测电路的交流信号中存在浪涌信号，所述加速电路将所述浪涌信号迅速加载到所述采样电路中；处理器，用于根据采样电路输出的采样信号的强度判断是否开启浪涌保护。
7.在上述方案中，通过加速电路、整流电路、采样电路和处理器构成了浪涌检测电路，并且直接将浪涌检测电路与ac电源的输入端相连。当电源端输入的交流信号中包括浪涌信号时，能够在浪涌信号作用于功率器件之前进行保护。
8.在一个可能的实现方式中，加速电路中包括至少两个容性器件，所述至少两个容性器件串联，和/或并联连接。
9.也就是说，在该实现方式中，由于容性器件具有电压滞后于电流的特性。因此，当电源端输入的交流信号流经加速电路中的容性器件时，由于加速电路中的容性器件的电压不能突变，所以电源端输入的交流电压会迅速加载到采样电路上，达到了加速的目的。进一步地，加速电路由容性器件构成，但是构成加速电路的容性器件可以是一个或多个，当构成加速电路的容性器件为多个时，多个容性器件可以是串联连接、并联连接，也可以是部分容性器件串联或并联以后再与其他容性器件并联或串联。
10.在一个可能的实现方式中，容性器件为电容。
11.也就是说，在该实现方式中，电容为容性器件中的一种，也具有电压滞后于电流的特性，能够实现将电源端输入的交流电压迅速加载到采样电路上的目的。
12.在一个可能的实现方式中，整流电路由多个二极管或者桥堆组成，其中多个二极管构成整流桥。
13.也就是说，在该实现方式中，整流电路将电源端输入的交流信号整流成直流信号后输出给采样电路，整流电路由桥堆或者多个二极管构成的整流桥组成，使得采样电路能够对电源端输入的不同方向的电信号进行采集并检测。
14.在一个可能的实现方式中，整流电路为桥式整流电路；该整流电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；第一二极管的正极、第二二极管的负极分别与加速电路的一端连接，第一二极管的负极与第四二极管的负极、采样电路连接，第三二极管的负极分别与第四二极管的正极、电源的另一端连接，第三二极管的正极与第二二极管的正极、采样电路连接。
15.也就是说，在该实现方式中，由四个二极管构成桥式整流电路，使得电源端输入的电压无论处于正半波还是负半波，经过整流电路以后，都是从同一个输入端输入采样电路。使得采样电路可以实现对不同方向信号的检测。
16.在一个可能的实现方式中，采样电路由至少一个阻性器件、至少一个容性器件和放大器组成。
17.在一个可能的实现方式中，至少一个阻性器件和至少一个容性器件构成取样单元；至少一个阻性器件和放大器构成差分放大电路；其中，取样单元的第一输入端与整流电路连接；取样单元的第一输出端与差分放大电路的正向输入端相连，取样单元的第二输出端与差分放大电路的反向输入端、整流电路连接；差分放大电路的输出端与处理器连接。
18.也就是说，在该实现方式中，将采集的第二电阻上的电压进行放大以后，可以判断该电路中是否存在浪涌信号。当存在浪涌信号时，采样电路可以该浪涌信号作用于功率器件之前就进行判断，并进行浪涌保护，提高了系统的可靠性。
19.在一个可能的实现方式中，取样单元包括第一电阻、第二电阻和第三电容；所述第二电阻和所述第三电容并联的一端分别与所述第一电阻的一端、所述差分放大电路的正输入端相连；所述第二电阻和所述第三电容并联的另一端分别与所述整流电路，所述差分放大电路的反向输入端相连。
20.在一个可能的实现方式中，取样单元包括第一电阻、第二电阻和第三电容；第二电阻和第三电容并联的一端分别与第一电阻的一端、差分放大电路的正输入端相连；第二电阻和第三电容并联的另一端分别与整流电路、差分放大电路的反向输入端相连。
21.在一个可能的实现方式中，电源端输入交流信号，当处于交流电压正半波时，电源端输入的电流信号，经过加速电路、整流电路以后，通过取样单元的第一输入端流入到采样电路中，并通过取样单元的第二输出端流出采样电路；当处于交流电压负半波时，电源端输入电流信号，经过整流电路以后，通过取样单元的第一输入端流入到采样电路中，并通过取样单元的第二输出端流出采样电路。
22.也就是说，在该实现方式中，分别以交流电压的正半波和负半波为例进行说明。无论是处于交流电压的正半波还是处于交流电压的负半波，从电源端输入的电流通过整流电
路以后，流入采样电路的方向是相同的。因此，采样电路可以实现对不同方向的信号的检测。
23.在一个可能的实现方式中，处理器还用于：当采样电路输出的采样信号的强度大于设定的阈值时，开启浪涌保护。
24.第二方面，本技术实施例提供了一种用于主动防护的浪涌检测装置，该浪涌检测装置包括上述第一方面的浪涌检测电路。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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它的附图。
26.图1为ac电源的结构示意图；
27.图2现有的浪涌检测电路的结构示意图；
28.图3为本技术提供的一种浪涌检测电路的结构示意图；
29.图4为本技术提供的又一种浪涌检测电路的结构示意图；
30.图5a为本技术提供的又一种浪涌检测电路的结构示意图；
31.图5b为本技术提供的又一种浪涌检测电路的结构示意图；
32.图6为本技术提供的又一种浪涌检测电路的结构示意图；
33.图7为本技术提供的又一种浪涌检测电路的结构示意图；
34.图8为本技术提供的又一种浪涌检测电路的结构示意图；
35.图9为本技术提供的又一种浪涌检测电路的结构示意图；
36.图10为本技术提供的又一种浪涌检测电路的结构示意图；
37.图11为本技术提供的又一种浪涌检测电路的结构示意图；
38.图12为本技术提供的又一种浪涌检测电路的结构示意图；
具体实施方式
39.为了使本技术实施例的目的、技术方案和有点更加清楚，下面将结合附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。
40.在本技术实施例的描述中，属于“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如a和/或b，可以表示：单独存在a，单独存在b，同时存在a和b这三种情况。另外，除非另有说明，术语“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个系统是指两个或两个以上的系统，多个屏幕终端是指两个或两个以上的屏幕终端。
41.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
42.目前ac电源浪涌防护电路比较简单，业界比较成熟的方案为：通过数字信号处理(dsp，digital signal processing)采样母线电压或者pfc部分的电流，当有浪涌信号到来
时，由于浪涌能量巨大，会导致母线电压升高，并且流经pfc采样电阻的电流也会增大，通过检测这个变化信息，就可以判定是浪涌信号来了，并采取对应的防护措施。
43.如图2所示，当有浪涌信号到来时，浪涌信号会流经回路
①
和回路
②
，由于浪涌能量巨大，会使电流采样电阻r两端的采样值变大，通过运放器放大、dsp采样处理后，即可判断是否有浪涌到来。同样，当浪涌流经回路
②
时，母线电容c也会被充电而使得其两端电压升高，通过采样放大后与设定值比较，即可判断是否有浪涌到来。
44.如图2所示的浪涌检测方案中采用被动防护 主动防护的方式。浪涌信号还是会流经系统中的功率开关器件，即需要功率器件先硬抗10～20us，对于现在的平台1～2个开关周期。现在大多数电源的工作频率还比较低，电感感量较大，因此浪涌冲击电流不至于太高，开关器件能够硬抗过去。但随着高功率密度的推行，磁器件体积感量受限，频率提高，冲击电流增大，例如对于mhz已经过去了10个开关周期，相当于功率器件要承受10个开关周期后再保护，大大降低了系统的可靠性。
45.图3为本发明申请实施例提供的一种主动防护的浪涌检测电路的结构示意图，如图3所示包括：ac电源、浪涌检测电路、pfc电路、dc
‑
dc电路、负载电路。
46.ac电源的l线和n线分别连接到pfc电路，pfc电路通过dc
‑
dc电路与负载连接。ac电源和pfc电路之间还连接了浪涌检测电路。其中，浪涌检测电路由加速电路、整流电路、采样放大电路和dsp构成。ac电源的一端通过加速电路与整流电路连接，ac电源的另一端直接与整流电路连接；整流电路与采样放大电路连接，采样放大电路与dsp连接。
47.在一个可能的示例中，ac电源的l线通过加速电路与整流电路的第一端连接，ac电源的n线直接与整流电路的第二端连接，整流电路的第三端与采样放大电路的输入端连接，整流电路的第二端与采样放大电路的第一输出端连接，采样放大电路的第二输出端与dsp连接。
48.需要说明的是，加速电路可以与ac电源l线连接，也可以与ac电源的n线连接。在此并不需要进行限定。
49.进一步地，ac电源可以为市电或者交流电输入电源。
50.加速电路可以由一个容性器件组成或者由至少两个容性器件组成，以提高整个检测电路的速度。当加速电路由两个容性器件组成时，两个容性器件可以串联连接或者并联连接。当加速电路由两个以上的容性器件组成时，两个以上的容性器件之间可以串联连接或者并联连接，或者两个以上的容性器件中的部分容性器件先并联连接然后再与剩下的容性器件串联连接，或者两个以上的容性器件中的部分容性器件先串联连接然后再与剩下的容性器件并联连接。
51.整流电路是指用于把交流电转换为直流电的电路。整流电路主要由整流二极管组成，经过整流电路之后的电压已经不是交流电压而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压可以称为单向脉动性直流电压。具体地，整流电路由多个二极管或者桥堆组成，其中多个二极管构成整流桥，以使得采样电路可以对不同方向的信号进行采样和检测。
52.采样电路可以由多个阻性器件、容性器件以及运放器组成。其中，至少一个容性器件和至少一个阻性器件构成取样单元，至少一个阻性器件和放大器构成放大电路。取样单元的第一输入端与整流电路连接，整流电路的第一输出端与放大电路的正向输入端连接，取样电路的第二输出端与放大电路的反向输入端、整流电路连接，整流电路的输出端与处
理器连接。
53.在一个可能的示例中，至少一个容性器件和差分放大器构成差分放大电路。
54.在本技术实施例中，基于感性电路、电压超前电流，并且电容电压不能突变的原理。在整流电路和ac电源之间串联一个由容性器件组成的加速电路，将原有的浪涌检测电路的被动 主动防护的方式改为主动防护，使得当有浪涌信号到来时，在浪涌信号到达负载之前，就能够检测到浪涌信号，并开启对浪涌信号的防护。
55.图4为图3所示的浪涌检测电路的一种具体实例的电路结构示意图。如图4所示，加速电路包括第一电容c1和第二电容c2，整流电路包括四个相互连接的二极管构成桥式整流电路，采样电路包括采样单元和差分放大电路。
56.其中，采样单元包括第一电阻r1、第二电阻r2和第三电容c3。第一电阻r1和第二电阻r2通过串联分压，将整流电路输出的电压进行分压以实现采样信号的输出，第二电阻r2上锁分得的电压即为采样单元的采样信号。通过调节第一电阻r1和第二电阻r2的阻值还可以调节第一电阻r1与第二电阻r2的分压比，进而调节采样单元输出的采样信号。第三电容c3用于滤除整流电路整流后的直流电源中的交流成分，根据第三电容c3的选频、滤波特性，通过调节第三电容c3的容量还可以调节浪涌保护电路对浪涌信号的灵敏度。
57.在如图4所示的浪涌检测电路中，第一电容c1和第二电容c2串联连接，第一电容c1的另一端与ac电源的l线连接，第二电容c2的另一端分别与第一二极管d1的正极、第二二极管d2的负极连接，第一二极管d1的负极与第四二极管d4的负极相连的一端与第一电阻r1的一端连接，第四二极管d4的正极与第三二极管d3的负极相连且相连的一端与电源ac的n端连接，第三二极管d3的正极与第二二极管d2的正极相连；第二电阻r2和第三电容c3并联且并连的一端分别与第一电阻r1、差分放大电路的同向输入端相连，第二电阻r2和第三电容c3并联的另一端分别与第二二极管d2的正极、差分放大电路的反向输入端相连；差分放大电路的输出端连接有dsp。
58.当处于交流电源ac输出的电压的正半波时，如图5a所示，该交流信号流经第一电容c1、第二电容c2、第一二极管d1、第一电阻r1、第二电阻r2和第三电容c3以后，部分电流通过第三二极管d3流回到电源端。
59.当处于交流电源ac输出的电压的负半波时，如图5b所示，该交流信号流经第四二极管d4、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电容c3、第二二极管d2、第二电容c2、第一电容c1以后，回到电源端。
60.当交流电源ac输出的电压值正常，即未出现浪涌信号时。由于电源端ac输出的交流信号的频率较低，使得第一电容c1和第二电容c2的阻值较大。因此，ac电源输出的电压大部分加载到了第一电容c1和第二电容c2上，使得第一电阻r1、第二电阻r2上分得的电压较小，即采样电路所采样到的电压较小。
61.当有浪涌信号到来时，由于第一电容c1、第二电容c2上的电压不能突变，所以该浪涌电压会迅速加载到第一电阻r1和第二电阻r2上，使得第一电阻r1和第二电阻r2上的电压迅速增大，即采样单元所采样到的电压信号也迅速增大。即在有浪涌信号到来的时候，通过采集第二电阻r2上的电压即可判断是否存在浪涌信号。
62.进一步地，可以预先设置一个基准电压值，当所采集的电压值小于基准电压值时，即可判断电路中没用出现浪涌信号。当采样电路采集的电压值大于预先设置的基准电压值
时，即可判断电路中出现了浪涌信号，进而通过dsp触发开启对电路的浪涌保护。
63.在本技术实施例中，通过在ac电源和整流电路之间耦接一个加速电路，来实现对电路中的浪涌信号的快速检测。当电路中不存在浪涌信号时，电路中的交流信号的频率会比较低，因此使得加速电路中的电容的阻值较大，因此会使得电路中的大部分电压加载到加速电路中的电容上，从而使得采样单元所采集的电压较低。当电路中存在浪涌信号时，由于加速电路中的电容电压不能突变，ac电源输出的电压会被迅速加载到与加速电路串联的采样电路中的电阻上，使得采样电路能够迅速的采集到较大的电压信号，用以判断是否有浪涌信号到来，提高了检测电路对浪涌的检测速度。
64.在一个可能的实施例中，当浪涌信号为正半波的正向浪涌时，交流电源ac输出的交流信号的流向如图5a所示。
65.当浪涌信号为正半波的负向浪涌时，在浪涌信号到来之前，交流电源ac输出的交流信号的流向如图5a所示。在浪涌信号到来的一瞬间，由于浪涌信号足够大，因此，交流电源ac输出的交流信号的流向如图5b所示。当浪涌过去以后，交流电源ac输出的交流信号的流向又会恢复为如图5a所示。
66.当浪涌信号为负半波的正向浪涌时，在浪涌信号到来之前，交流电源ac输出的交流信号的流向如图5b所示。在浪涌信号到来的一瞬间，由于浪涌信号足够大，因此，交流电源ac输出的交流信号的流向如图5a所示。当浪涌过去以后，交流电源ac输出的交流信号的流向又会恢复为如图5b所示。
67.当浪涌信号为负半波的负向浪涌时，交流电源ac输出的交流信号的流向如图5b所示。
68.在一个可能的示例中，在浪涌信号在处于输入电压正半波时，电流的回路为：从l线流出经第一电容c1、第二电容c2、第一二极管d1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电容c3、第三二极管d3后回到n线。在处于输入电压的负半波时，电流的回路为：从n线流出经第四二极管d4、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电容c3、第二二极管d2、第二电容c2、第一电容c1回到l线。
69.其中，电容容抗f为频率，c为容值。
70.电阻r2和电容c3的并联阻值
71.回路电流
72.电容电压v
c
＝i
·
x
c
；
73.采样电阻r2两端的电压则可以表示为：v
r2
＝v
c3
＝v
in
‑
v
c1
‑
v
c2
‑
v
d1
‑
v
d3
‑
v
r1
；
74.由于浪涌持续时间短，相当于一个高频信号。因此，通过调整参数，使得整个回路的分压值依赖与c1、c2、c3的容抗。具体地，可以设置第一电容c1和第二电容c2的容值小于第三电容c3的容值，此时第一电容c1和第二电容c2的容抗较大。当电路发生浪涌时，可以使得绝大部分的电压都加在了第一电容c1和第二电容c2上，以提高电路对浪涌的防护能力，将对浪涌的防护能力由原来的2kv提升到3kv甚至4kv。
75.在本技术实施例中，不论浪涌信号是处于输入电压的正半波还是负半波，通过整流电路进行整流以后的电流，都是通过采样电路中的第一电阻r1流入采样电路的。即保证
了采样电路可以对各个方向上的电流或电压信号进行采集，实现了对各种方向浪涌信号的检测。
76.在一个可能的实施例中，如图6所示，加速电路由第一电容c1和第二电容c2并联连接，第一电容c1和第二电容c2并联连接的一端与电源连接，第一电容c1和第二电容c2并联连接的另一端与整流电路连接。
77.在一个可能的实施例中，加速电路由3个电容组成，可以是三个电容彼此串联，也可以是三个电容中的任意两个电容并联，然后再与剩下的一个电容串联，还可以是三个电容中的任意两个电容串联，再与剩下的一个电容并联。如图7所示，加速电路包括彼此串联的第一电容c1、第二电容c2和第四电容c4，第一电容c1的一端与电源连接，第四电容c4的一端整流电路连接。如图8所示，第二电容c2和第四电容c4并联，并联后的第二电容c2和第四电容c4再与第一电容c1串联连接，第一电容c1的一端与电源连接，第二电容c2和第四电容c4并联的一端整流电路连接。如图9所示，第一电容c1和第二电容c2串联，然后串联后的第一电容c1、第二电容c2再与第四电容c4并联。
78.需要说明的是，加速电路中包含的容性器件可以是一个或者多个，加速电路中包含的多个容性器件可以彼此串联连接，也可以彼此并联连接、还可以部分的容性器件并联以后再与剩下的容性器件串联连接。进一步地，容性器件可以是电容也可以是其他的容性器件。在本技术实施例中并不对加速电路中容性器件的类型、个数以及连接方式进行限定。
79.在一个可能的实施例中，对图4所示的浪涌检测电路进行仿真。当产生的浪涌信号为正半波的正向浪涌时，仿真电路如图10所示。得到的仿真结果如图11所示，当浪涌信号到来时，电阻r7上的输出电压由0v变为0.68v，时间为2.89us，最大电压为1.41v。
80.当浪涌信号为正半波的负向浪涌时，得到仿真结果如图12所示，电阻r7上的输出电压，由0v变为0.7v，时间为1.31us，最大电压值为1.3v。
81.同样地，在负半波正向浪涌情况下，采样电路的输出电压，由0v变为0.7v，时间为3.2us，最大电压值为1.39v。
82.在负半波负向浪涌情况下，采样电路的输出电压，由0v变为0.77v，时间为1.28us，最大电压值为1.29v。
83.因此，本发明申请所提供的浪涌检测电路，在所有浪涌情况下，检测电路均能在几个us内完成检测，并且可根据实际浪涌情况，调整参数，使检测电路输出的电压在可接受的范围内。
84.在本技术实施例中还提供了一种用于主动防护的浪涌检测装置，该装置包括浪涌检测电路，该浪涌检测电路的具体结构参照上述实施例。进一步地，由于本技术实施例中的浪涌检测装置采用了上述浪涌检测电路的所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述用于主动防护的浪涌保护电路实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
85.在本技术实施例中还提供了一种电器设备，该电器设备包括浪涌检测电路，该浪涌检测电路的具体结构参照上述实施例。由于本技术实施例中的电器设备采用了上述浪涌检测电路的所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述用于主动防护的浪涌保护电路实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
86.在一个可能的示例中，电器设备可以是电池炉、电饭锅、电视机等家用电器设备，
在此并不做限定。
87.本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本发明所描述的功能可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现。当使用软件实现时，可以将这些功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。
88.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。