一种用于AC-DC变换器中的高压检测电路的制作方法

一种用于ac
‑
dc变换器中的高压检测电路
技术领域
1.本发明涉及芯片领域，特别涉及需要做掉电保护和x电容放电的ac
‑
dc变换器中的高压检测电路。


背景技术：

2.ac
‑
dc变换器通常由交流电直接供电，在交流电出现异常时，需要有相应的保护机制，通常需要时刻检测交流的供电情况，并能提供掉电(brownout、bo)保护和x电容(x电容)放电电路。在交流电低于一定值时，ac
‑
dc变换器需要停止发波，防止出现事故；在ac
‑
dc变换器掉电后，x电容两端电压为高电压，为保护人身安全，需要将x电容上的电荷放掉，使x电容两端电压低于36v，防止有人误触电导致人身事故。


技术实现要素：

3.鉴于以上所述问题，本发明提供了一种用于ac
‑
dc变换器中的高压检测电路，用以检测交流电是否出现异常。
4.具体的，本发明提供了一种用于ac
‑
dc变换器中的高压检测电路，包括高压开关电路、高压启动电路、压控电流源、电流检测电路、掉电检测电路、x电容检测电路、逻辑控制电路和采样控制电路；其中，
5.所述高压开关电路连接高压启动电路、压控电流源、采样控制电路，压控电流源还连接高压启动电路、电流检测电路，电流检测电路还分别连接掉电检测电路、x电容检测电路，逻辑控制电路分别连接掉电检测电路、x电容检测电路、高压启动电路、采样控制电路。
6.进一步地，所述高压开关电路用于隔离ac电压和高压启动电路以及压控电流源，只在启动和检测时开启，其余时刻都处于关断状态；
7.所述高压启动电路用于系统上电时，在vdd低于启动电压时，提供系统工作所需的电源，在系统正常工作后，高压启动电路停止工作；
8.所述压控电流源用于将整流后的dc电压转成电流信号；
9.所述电流检测电路用于检测压控电流源输出电流的大小及其是否变化，通过电流的大小，判断ac电压的大小是否能保证系统安全可靠运行；根据电流是否变化判断ac电压是否发生掉电；
10.所述掉电检测电路用于判断ac电压是否过低，如果ac电压低于掉电阈值，发出掉电保护信号，将系统mosfet关闭；
11.所述x电容检测电路用于检测ac电压有无发生掉电，如果ac电压掉电，触发x电容保护，开始对x电容放电；
12.所述逻辑控制电路用于提供时序以及控制信号，处理掉电检测电路和x电容检测电路的输出信号，控制高压开关电路的开启和关断，控制x电容上电荷泄放；
13.所述采样控制电路用于在高压启动时、检测时和x电容放电时开启，其他时刻均关闭。
14.进一步地，所述高压开关电路包括一结型场效应晶体管或者耗尽型晶体管，一增强型ldmos晶体管，第一电阻和第二电阻；
15.所述结型场效应晶体管或者耗尽型晶体管的漏极接整流后的dc电压，源极经第一电阻与增强型ldmos晶体管的漏极相连接，同时经第二电阻连接到结型场效应晶体管或者耗尽型晶体管和增强型ldmos晶体管的栅极，同时连接到采样控制电路的输出端；增强型ldmos晶体管的源极与高压启动电路和压控电流源连接。
16.进一步地，所述高压启动电路包括nmos管、二极管，所述nmos管的漏极接高压开关电路中ldmos管的漏极，栅极接逻辑控制电路的一输出端，源极接二极管的阳极，二极管的阴极接vdd。
17.进一步地，所述压控电流源包括电阻、第一nmos管和第二nmos管，所述电阻一端与高压开关电路中增强型ldnmos管的源极连接，另一端与第一nmos管的漏极相连接；第一nmos管的栅极和漏极短接到一起，源极接地；第二nmos管的栅极接第一nmos管的栅极，漏极接电流检测电路的一输入端，源极接地。
18.进一步地，所述电流检测电路包括第一pmos管、第二pmos管、第三pmos管、第四pmos管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电流比较器、第二电流比较器、第三电流比较器；
19.所述第一pmos管、第二pmos管、第三pmos管、第四pmos管构成电流镜，栅极全部接到一起，其中所述第一pmos管的栅极和漏极短接在一起，四个pmos管的源极接vdd，所述第一pmos管的漏极作为电流检测电路的输入端，接压控电流源的输出，第二pmos管、第三pmos管、第四pmos管的漏极分别经第一电阻、第二电阻、第三电阻到地，同时还分别接到第一电流比较器、第二电流比较器、第三电流比较器的同向输入端，第一电流比较器、第二电流比较器、第三电流比较器的反向输入端接地；第一电流比较器、第二电流比较器的输出接x电容检测电路；第三电流比较器的输出端接掉电检测电路。
20.进一步地，所述掉电检测电路包括边沿检测电路、计时电路、rs触发器和反相器；
21.所述边沿检测电路的输入端与电流检测电路的一输出端相连接，边沿检测电路的输出端与计时电路的复位端相连接；
22.所述计时电路的复位端与边沿检测电路连接，时钟端接时钟信号，输出端与rs触发器的s端连接；
23.所述rs触发器，其r端接系统上电复位信号，其s端接计时电路的输出，rs触发器的输出接所述反相器的输入端，反相器的输出端接逻辑控制电路的一输入端。
24.进一步地，所述x电容检测电路，包括边沿检测电路、或非门、第一反相器、计时电路、rs触发器和第二反相器；
25.所述边沿检测电路的输入端与电流检测电路的一输出端相连接，边沿检测电路的输出端与或非门的输入端相连接；或非门的输出端经第一反相器与计时电路的复位端相连接；
26.所述计时电路的复位端接所述第一反相器的输出端，时钟端接时钟信号，输出端与rs触发器的s端连接；
27.所述rs触发器，其r端接系统上电复位信号，其s端接计时电路的输出端，rs触发器的输出接所述第二反相器的输入端，第二反相器的输出端接逻辑控制电路的一输入端。
28.进一步地，所述逻辑控制电路包括一与非门和三个反相器；其中，与非门一输入端接掉电检测电路，一输入端接第一反相器的输出端，第一反相器输入端接x电容检测电路，第一反相器输出端与第二反相器的输入端相连接，第二反相器的输出端接采样控制电路的一输入端；与非门的输出端接第三反相器的输入端，第三反相器的输出端接pwm控制芯片。
29.进一步地，所述采样控制电路包括一或非门和一个反相器，或非门一输入端与逻辑控制电路的一输出端连接，或非门另一输入端与时钟信号相连接，或非门的输出经所述反相器与高压开关电路一输入端相连接。
30.本发明在ac
‑
dc变换器工作时检测ac电压供电情况，在ac电压欠压或者掉电时对系统发出保护；在欠压时，系统停止工作，直到ac电压恢复正常；在ac电压掉电后，将x电容两端电压泄放到36v安全电压下，保证人身安全。
31.本发明提供的一种用于ac
‑
dc变换器中的高压检测电路，不仅可以提供bo保护和x电容放电，还可关闭高压取电路径，节省功耗，减少不必要的浪费。
附图说明
32.图1为本发明实施例1的一种用于ac
‑
dc变换器中的高压检测电路的结构示意图；
33.图2为本发明实施例1中高压开关电路一实施例示意图；
34.图3为本发明实施例1中高压启动电路一实施例示意图；
35.图4为本发明实施例1中压控电流源一实施例示意图；
36.图5为本发明实施例1中电流检测电路一实施例示意图；
37.图6为本发明实施例1中电流比较器一实施例示意图；
38.图7为本发明实施例1中掉电检测电路一实施例示意图；
39.图8为本发明实施例1中x电容检测电路一实施例示意图；
40.图9为本发明实施例1中逻辑控制电路一实施例示意图；
41.图10为本发明实施例1中采样电路一实施例示意图；
42.图11为本发明实施例1的一种用于ac
‑
dc变换器中的高压检测电路的详细电路示意图。
具体实施方式
43.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合幅图及实施例，对本发明进一步详细说明。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了同步示出本发明的示例来提供对本发明的更好理解。本发明绝不限于下面提出的任何具体配置，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。
44.在ac
‑
dc变换器中，变换器是由交流电供电的，如果交流电过低时，变换器仍持续工作，存在炸机风险；在变换器停止交流电供电后，零线和火线之间的x电容两端会持续存在高压，如果误接触，会出现触电的风险，需要将x电容的电荷泄放掉。
45.本发明提供了一种用于ac
‑
dc变换器中的高压检测电路，用以检测交流电是否出
现异常。在ac电压欠压或者掉电时对系统发生保护；在欠压时，系统停止工作，直到ac电压恢复正常；在ac电压掉电后，将x电容两端电压泄放到36v安全电压下，保证人身安全。
46.图1所示为本发明实施例的一种用于ac
‑
dc变换器中的高压检测电路100的结构示意图，一种用于ac
‑
dc变换器中的高压检测电路100一端连接整流器10的输出，另一端连接pwm控制芯片20；与整流器10相连接，可以检测交流电是否出现异常，接pwm控制芯片20，可以在交流电异常时，关闭mosfet。该高压检测电路100包括：高压开关电路110、高压启动电路120，压控电流源130，电流检测电路140，掉电检测电路150，x电容检测电路160，逻辑控制电路170和采样控制电路180。高压开关电路110连接高压启动电路120、压控电流源130、采样控制电路180，压控电流源130还连接高压启动电路120、电流检测电路140，电流检测电路140还分别连接掉电检测电路150、x电容检测电路160，逻辑控制电路170分别连接掉电检测电路150、x电容检测电路160、高压启动电路120、采样控制电路180。
47.高压开关电路110受采样控制电路180控制开启和关闭，只在ac
‑
dc启动和检测时开启，其余时刻都处于关断状态，以降低功耗；在ac
‑
dc变换器上电后，在vdd低于启动电压时，高压开关电路110开启，通过高压启动电路120对vdd所接电容充电，在vdd电压高于正常开启阈值后，高压启动电路120关闭，压控电流源130开始工作，压控电流源130将整流后的dc电压转成电流信号，送到电流检测电路140，电流检测电路140通过电流的大小，判断ac电压的供电是否正常；根据电流是否变化，判断ac电压是否处于掉电状态；电流检测电路140将检测结果送到掉电检测电路150和x电容检测电路160；掉电检测电路150用于判断ac电压是否过低，如果ac电压低于brownout阈值，发出brownout保护信号，将系统mosfet关闭，保护系统；x电容检测电路160用于检测ac电压是否掉电，如果ac电压掉电，触发x电容保护，开始对x电容放电；掉电检测电路150和x电容检测电路160将ac电压的状态送入逻辑控制电路170，逻辑控制电路170处理掉电检测电路，x电容检测电路的输出信号，控制高压开关的开启和关断，控制x电容的电荷泄放；采样控制电路180接收逻辑控制电路170的控制，完成对高压开关管的开启和关断，在高压启动，电流转换和x电容放电时开启，其他时刻均关闭。
48.高压开关电路110一端连接整流后的dc电压，另一端连接高压启动电路120、压控电流源130以及采样控制电路180。高压开关电路110在ac
‑
dc变换器上电启动时以及对ac整流后的dc电压检测时开启，其余时刻都处于关断状态，以降低功耗。
49.如图2所示，作为高压开关电路110一具体实施方式，所述高压开关电路110包括一结型场效应晶体管jfet或者耗尽型晶体管1101，一增强型ldmos晶体管1104，电阻1102和1103。
50.一结型场效应晶体管或者耗尽型晶体管1101的漏极接整流后的dc电压hv，源极经电阻1102与增强型ldmos晶体管1104的漏极相连接，同时经电阻1103连接到结型场效应晶体管或者耗尽型晶体管1101和增强型ldmos晶体管1104的栅极，同时连接到采样控制电路180的输出端(sd_hn)；增强型ldmos晶体管1104的源极与高压启动电路120和压控电流源130连接(hv2i)。
51.高压启动电路120一端与高压开关电路110相连接，另一端与vdd所接电容相连接；在ac
‑
dc变换器上电启动时，pwm控制芯片20对其供电端电压vdd与芯片启动电压值进行比较后，当vdd低于芯片启动电压值，高压开关管开启，高压启动电路120对vdd所接电容充电，直到芯片供电端电压高于启动电压值后，芯片关闭高压启动电路120，高压启动电路120停
止对芯片提供电流，供电电流改由辅助绕组提供，减少高压启动造成的不必要功耗。
52.如图3所示，高压启动电路120一具体实施方式，包括nmos管1201(nm1)，二极管1202(d1)。nmos管1201的漏极接高压开关电路110中ldmos管1104的漏极(hv2i)，栅极接逻辑控制电路170的一输出端(on_hn)，源极接二极管1202的阳极，二极管1202的阴极接vdd。在启动时给vdd充电，nmos管1201开启二极管1202正向导通，在vdd充电结束后，nmos管1201关闭，二极管反偏，防止vdd漏电。
53.压控电流源130一端与高压开关电路110相连接，另一端与电流检测电路140相连接；压控电流源将ac电压转换成电流信号，通过处理该电流信号完成brownout和x电容检测。
54.如图4所示，作为压控电流源130的一具体实施例，包括电阻1301，nmos管1302和1303；电阻1301一端与高压开关电路110中增强型ldnmos管1104的源极连接(hv2i)，另一端与nmos管1302的漏极相连接；nmos管1302的栅极和漏极短接到一起，源极接地。nmos管1303的栅极接1302的栅极，漏极接电流检测电路140的一输入端(isns)，源极接地。nmos管1302和1303构成电流镜，比例设定为10:1，将按比例缩小的电流送入电流检测电路140，可以减小电流检测电路的器件尺寸，还可以提高处理精度。
55.压控电流输出的电流(i
ac_sns
)可用交流电的幅值(v
ac
)和电阻1301的阻值(以下公式中的r1)表示为：
[0056][0057]
电流检测电路140输入端与压控电流源130相连接，一输出端与掉电检测电路150相连接，另一输出端与x电容检测电路160相连接；电流检测电路140用于检测压控电流源120输出电流的大小及其是否变化，根据输出电流的大小判断ac电压的大小是否能保证系统安全可靠运行，根据电流是否变化判断ac电压是否处于掉电状态。
[0058]
如图5所示，电流检测电路140的一具体实施方式，包括pmos管1401，1402，1403和1404，电阻1405，1406和1407，电流比较器1408，1409和1410。
[0059]
pmos管1401，1402，1403和1404构成电流镜，栅极全部接到一起，其中1401的栅极和漏极短接在一起，四个pmos管的源极接vdd，1401的漏极作为电流检测电路140的输入端，接压控电流源130的输出，1402，1403，和1404的漏极分别经电阻1405，1406和1407到地，同时还分别接到电流比较器1408，1409和1410的同向输入端，完成掉电检测和x电容检测，电流比较器1408，1409和14010的反向输入端接地。电流比较器1408和1409和1410可以检测ac的三个电压值，电流比较器1408和1409的输出送到x电容检测电路160，用于检测ac是否掉电；电流比较器1410的输出端接掉电检测电路150，用于检测交流电是否满足工作要求。
[0060]
如图6所示，电流比较器一实施例，包括一对pmos管构成的电流镜，两个电流源，一个电阻r2和一个施密特触发器，构成电流镜的两个pmos的源极通过电流源接到vdd，源漏短接的pmos管的漏极作为同向输入端，电流镜中另一个pmos的漏极接一电阻r2，电阻的另一端为比较器的反向输入端，电流源与pmos源极相连接的一端同时接一施密特触发器，施密特触发器的输出构成比较器的输出端。
[0061]
以比较器1408为例，1408的同向端接pmos管1402和电阻1405，反向端接地。流经电阻1405的电流为流经pmos管1402的电流(设为id)和比较器内部电流源的电流i1之和，则电
阻1405的上的压降为1405的阻值(设为r1)和电流的乘积，表示为(id+i1)
×
r1，比较器内电阻r2上的压降为i1
×
r2，当1405上的压降高于r2上的压降，比较器输出高电平，反之，输出低电平。可以求得当时，电阻1405和电阻r2两端电压相等。pmos管1402的电流与电流检测电路输出电流相等，即id＝i
ac_sns
，因此设定电阻1405的阻值大小就可以设定需要检测的交流电的幅值。掉电检测电路150一端与电流检测电路140的一输出端相连接，一端与逻辑控制电路170的一端相连接，如果ac电压异常，输出掉电保护信号到逻辑控制电路170，控制pwm控制芯片20，关闭mosfet。
[0062]
如图7所示，掉电检测电路150一实施例包括：边沿检测电路1501，计时电路1502，rs触发器1503和反相器1504；如果边沿检测电路1501检测不到边沿，计时电路1502一直计时，直到计时结束，说明ac电压异常，输出掉电信号，触发rs触发器1503，并被锁存，经反相器1504输出到逻辑控制电路，控制pwm控制芯片20，关闭mosfet；如果检测到边沿，计时器复位，说明ac电压正常。
[0063]
边沿检测电路1501的输入端与电流检测电路140中的电流比较器1410的输出端相接(bo_sns)，边沿检测电路1501的输出端与计时电路1502的复位端相连接；如果边沿检测电路1501检测不到边沿，计时电路1502一直计时，直到计时结束；如果检测到边沿，计时电路1502复位。
[0064]
计时电路1502用于设定时间，复位端与边沿检测电路1501连接，时钟端接时钟信号clk，输出端与rs触发器1503的s端连接；ac
‑
dc变换器正常开始工作后，计时器开始计时，如果计时过程中，ac电压一直低于bo阈值点，计时结束后输出bo信号，如果在计时结束前brownout高于阈值电压，计时器被复位，ac电压正常，并重新开始计时。
[0065]
rs触发器1503，其r端接系统上电复位信号por，其s端接计时电路1502的输出，rs触发器1503的输出接一反相器1504的输入端，反相器1504的输出端接逻辑控制电路170的一输入端，rs触发器1503用于锁定brownout信号；在ac电压低于阈值时，计时结束后，将rs触发器置为高电平，并锁存，直到ac
‑
dc变换器重新上电为止。
[0066]
x电容检测电路160一端与电流检测电路140的一输出端相连接，一端与逻辑控制电路170的一端相连接，如果ac电压异常，输出x电容信号到逻辑控制电路170，控制高压开关电路110和高压启动电路120，对x电容放电。
[0067]
如图8所示，x_cap检测电路160一实施例包括：边沿检测电路1601和1602、或非门1603，反相器1604，计时电路1605，rs触发器1606和反相器1607。如果边沿检测电路1601和1602检测不到边沿，计时器一直计时，直到计时结束，说明ac电压异常，输出x电容信号，触发rs触发器1606，并被锁存，经反相器1607输出到逻辑控制电路，控制高压开关电路110和高压启动电路120，对x电容放电；如果检测到边沿，计时器复位，说明ac电压正常。
[0068]
所述边沿检测电路1601、1602的输入端与电流检测电路140的一输出端相连接，边沿检测电路1601、1602的输出端与或非门1603的输入端相连接；或非门1603的输出端经反相器1604与计时电路1605相连接，如果边沿检测电路检测不到边沿，计时器一直计时，直到计时结束；
[0069]
计时电路1605用于设定时间，复位端与反相器1604的输出端连接，时钟端接时钟信号clk，输出端与rs触发器1606的s端连接；ac
‑
dc变换器正常开始工作后，计时器开始计
时，如果计时结束，ac电压一直不变，输出x电容信号，x电容检测电路160控制高压启动电路120开启，对x电容放电；如果检测到边沿，计时器复位，说明ac电压正常，并重新开始计时。
[0070]
rs触发器1606，其r端接系统上电复位信号por，其s端接计时电路1605的输出，rs触发器1606的输出接一反相器1607的输入端，反相器1607的输出端接逻辑控制电路170的一输入端。rs触发器1606用于锁定x电容放电控制信号，在ac电压掉电后，通过逻辑控制电路170启动高压开关电路110和高压启动电路120，将x电容上的电荷通过高压启动电路120放到vdd电容上。
[0071]
逻辑控制电路170第一输入端与掉电检测电路150相连接，第二输入端与x电容检测电路160的输出端连接，第一输出端与采样控制电路180连接，第二输出端与pwm控制芯片20连接。
[0072]
如图9所示，逻辑控制电路170一实施例包括：一与非门1703，三个反相器1701，1702和1704。与非门1703一输入端接掉电检测电路150(bo_p)，一输入端接第一反相器1701的输出端，第一反相器1701输入端接x电容检测电路160，第一反相器1701的输出端与第二反相器1702的输入端相连接，第二反相器1702的输出端接采样控制电路180的一输入端(on_hn)；与非门1703的输出端接第三反相器1704的输入端，第三反相器1704的输出端接pwm控制芯片20；
[0073]
采样控制电路180一端连接高压开关电路110，一端连接逻辑控制电路170，在启动和检测时控制高压开关电路110的开启和关闭。
[0074]
如图10所示，采样控制电路180一实施例包括一或非门1801和一个反相器1802，或非门1801一输入端与逻辑控制电路170的一输出端连接(on_hn)，或非门1801另一输入端与时钟信号clk相连接，或非门1801的输出经反相器1802与高压开关电路110一输入端相连接(sd_hn)；采样控制电路180用于控制高压开关电路110的开启与关闭，降低时钟频率，可以降低因一直开启而导致的功耗大。根据采样定律只要开关频率大于2倍的整流后的信号频率即可。
[0075]
图11为本发明实施例1的一种用于ac
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dc变换器中的高压检测电路的详细电路示意图。本发明在ac
‑
dc变换器工作时检测ac电压供电情况，在ac电压欠压或者掉电时对系统发出保护；在欠压时，系统停止工作，直到ac电压恢复正常；在ac电压掉电后，将x电容两端电压泄放到36v安全电压下，保证人身安全。
[0076]
以上仅仅是本发明的优选实施例，本发明还可以被其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。上述实施例在所有方面被看作是示例性的而非限定性的，不应被视作对本发明的限制。在不脱离本发明上述基本技术思想的前提和精神下，本发明还可以做出多种形式的修改，替换或变更，来获得与本发明类似的效果。本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明内。