本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种限流保护装置以及电机驱动芯片。
背景技术：
在电机驱动，例如直流电动机的起动阶段，由于电机转速为0，对应的电机电枢感应电动势e也为0，若外加电压为额定电压vin，考虑到电枢电阻ra很小，则由电压平衡方程
例如，图1所示的第201611186389.9号中国发明专利申请，公开了一种直流电机启动装置，包括与电机电枢绕组依次串联的多个限流电阻，该串联支路与电机励磁线圈并联，并联电路两端通过主开关元件连接输入正极和负极，每个限流电阻都并联连接一个开关元件。该电机启动装置还包括用于测量输入正极和负极之间电压的电压测量单元，以及用于测量电机电流的电流测量单元。上述各开关元件和测量单元均与arm处理器连接，当arm处理器接到启动命令时，根据预设的延时时间分别延时吸合各个开关元件，完成整个电机的限流启动。
但是，上述现有技术的缺点在于：一、电枢回路串电阻起动方案中，电路需要外置使用电阻和开关等元器件，增加了电路设计成本，同时增加电阻元件必然会增加电阻上的损耗。二、依靠改变驱动信号pwm占空比来降低电压起动方案中，需要设计复杂占空比的pwm信号，并且需要判断何时起动结束，增加了整体电路的设计难度。因此，人们希望提供一种能够降低电机驱动成本和损耗，并且能够降低设计难度的电机驱动限流保护装置。
技术实现要素：
根据本发明的一个方面，提供一种限流保护装置，包括：
电流采样电路，与驱动功率器件连接，用以对负载的电流进行采样，并将采样电流信号转换为采样输出电压信号；
pwm信号传输及控制电路，与所述电流采样电路和pwm信号连接，用以根据所述采样输出电压与基准电压的比较结果，控制所述驱动功率器件的打开或关断。
所述的限流保护装置，其中，在pwm信号的一个周期内：
如所述采样输出电压小于基准电压，则由pwm信号传输及控制电路控制驱动功率器件打开或关断，直到所述采样输出电压大于或等于基准电压，或直到pwm信号的下一个周期；
当所述采样输出电压大于或等于基准电压时，pwm信号传输及控制电路控制驱动功率器件关断，直到pwm信号的下一个周期。
所述的限流保护装置，其中，所述pwm信号传输及控制电路包括周期性复位电路，所述周期性复位电路用于比较所述采样输出电压与基准电压，并根据所述pwm信号，实现在pwm信号的一个周期内控制所述驱动功率器件关断。
所述的限流保护装置，其中，所述周期性复位电路包括比较器以及与所述比较器连接的d触发器，所述比较器的输入端连接所述采样输出电压和基准电压，所述比较器的输出端连接所述d触发器的一输入端；d触发器的复位端连接所述pwm信号；d触发器的一输出端输出限流控制信号；所述d触发器的一输入端为cl端；d触发器的一输出端为q端，d触发器的一输出端为周期性复位电路的输出端；所述d触发器的d端的信号一直有效。
所述的限流保护装置，其中，所述pwm信号传输及控制电路还包括连接在所述周期性复位电路与所述驱动功率器件之间的或非门，所述或非门的一个输入端连接到所述周期性复位电路的输出端，另一输入端经通过一反相器接收输入的pwm信号，所述或非门的输出端连接到所述驱动功率器件。
所述的限流保护装置，其中，所述pwm信号传输及控制电路还包括连接在所述或非门与所述驱动功率器件之间的门驱动器；所述门驱动器为放大器。
所述的限流保护装置，其中，所述电流采样电路包括电流采样运算放大器、电流采样电阻以及与所述驱动功率器件并接的采样晶体管。
所述的限流保护装置，其中，所述驱动功率器件与采样晶体管的类型相同；所述驱动功率器件与采样晶体管同时是n型mos晶体管或者p型mos晶体管。
所述的限流保护装置，其中，所述采样晶体管与所述驱动功率器件为同类型的mos器件，且所述采样晶体管将输出负载电流等比例缩小为采样电流，采样电流输入至所述电流采样运算放大器。
所述的限流保护装置，其中，所述电流采样电路还包括跨接在所述运算放大器正相输入端与反相输入端的采样电阻，所述采样晶体管的漏极连接到所述运算放大器的反相输入端，栅极连接到所述门驱动器的输出端和所述驱动功率器件的栅极，源极连接到所述驱动功率器件的源极。
根据本发明的另一方面，提供一种电机驱动芯片，所述电机驱动芯片包括如上所述的任意一种限流保护装置。
相对于传统的电机起动方案，根据本发明的方案将限流保护装置集成在电机驱动芯片内部，省去了用于电机起动的电枢串联电阻和开关管等外围元件，降低了开发成本。而且在电机驱动电路中没有串接任何的元器件，降低了电机驱动损耗。另外，根据本发明的方案利用逐周期限流保护装置，逐周期采样功率管电流来控制起动电流，不需要改变预设的pwm信号的占空比就能实现电机的限流起动功能，而且，电机起动结束后，装置的限流功能自动停止，装置不会影响预设的pwm控制信号的正常传输，降低了输入pwm信号复杂度的设计要求。
附图说明
附图是为提供对本公开内容的进一步的理解。附图示出了本公开内容的实施例，并与本说明书一起起到解释本公开内容原理的作用。在结合附图并阅读了下面的对特定的非限制性本公开内容的实施例之后，本公开内容的技术方案及其优点将变得显而易见。其中：
图1是表示一种现有技术的直流电机启动装置。
图2是表示根据本发明的用于电机驱动的限流保护装置的方框图。
图3是表示根据本发明一个实施例的用于电机驱动的逐周期限流保护装置的原理图。
图4是表示图3所示逐周期限流保护装置的输入输出波形图。
图5是表示根据本发明一个实施例的用于电机驱动的逐周期限流保护装置中一个电流采样电路的原理图。
图6是表示根据本发明一个实施例的用于电机驱动的逐周期限流保护装置中一个周期性复位电路的原理图。
图7是表示根据本发明另一个实施例的用于电机驱动的逐周期限流保护装置的示意图。
具体实施方式
参考在附图中示出和在以下描述中详述的非限制性实施例，更完整地说明本公开内容的多个技术特征和有利细节。并且，以下描述忽略了对公知的原始材料、处理技术、组件以及设备的描述，以免不必要地混淆本公开内容的技术要点。然而，本领域技术人员能够理解到，在下文中描述本公开内容的实施例时，描述和特定示例仅作为说明而非限制的方式来给出。
在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本公开内容中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本公开内容的说明书中所提及的一些术语可能是公开内容人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本公开内容。
图2是表示根据本发明的用于电机驱动的限流保护装置的方框图。参见图2，根据本发明的一种用于电机驱动的限流保护装置，包括：驱动功率器件21、电流采样电路22和pwm信号传输及控制电路23。其中，电流采样电路22与驱动功率器件21连接，用以对电机的起动电流进行采样，并将采样电流信号转换为输出电压信号；pwm信号传输及控制电路23与所述电流采样电路22连接，用以根据所述采样获得的输出电压与基准电压的比较结果，逐周期地控制所述pwm信号，并将其传输至所述驱动功率器件21。其中，驱动功率器件21例如为驱动功率晶体管。
图3是表示根据本发明一个实施例的用于电机驱动的逐周期限流保护装置的原理图；图4是图3所示逐周期限流保护装置的输入输出波形图。结合参见图3和图4，其中，pwm信号传输及控制电路23包括周期性复位电路(cyclicalresetcircuit)231，后者包括pwm信号输入端、基准电压vref端、vcs电压输入端和输出端out。周期性复位电路231的pwm信号输入端与反相器232的输入端接收pwm输入信号，反相器232的输出端和周期性复位电路231的输出端out分别连接到或非门233的两个输入端，或非门233的输出端连接到门驱动器(gate_driver)234的输入端，门驱动器234的输出端则连接到功率晶体管mn。根据本发明的一个实施例，功率晶体管mn例如采用n型mos晶体管。同样地，功率晶体管mn也可以采用p型mos晶体管。
电流采样电路22包括电流采样运算放大器221，跨接在电流采样运算放大器221的正相输入端与反相输入端之间的采样电阻rs，以及与功率晶体管mn并接的采样晶体管m1。采样晶体管m1的栅极与功率晶体管mn的栅极一同连接到门驱动器234的输出端。采样晶体管m1的漏极连接到电流采样运算放大器221的反相输入端，并经由采样电阻rs连接到运算放大器221的正相输入端，其源极与功率晶体管mn的源极相连。其中，采样晶体管m1例如采用与功率晶体管mn同类型的器件。根据本发明的一个实施例，采样晶体管m1例如也采用nmos晶体管。同样地，它也可以采用pmos晶体管。
根据本发明的用于电机驱动的限流保护装置，在每个pwm信号周期中，(1)当pwm输入为“l”，即低电压信号时，pwm信号将周期性复位电路231的输出端out复位并且保持输出“l”，实现不影响pwm信号的正常传输进入门驱动器234进而控制功率晶体管mn的功能。(2)当pwm输入“h”电压信号时，pwm信号经过反相器232、或非门233和门驱动器234打开功率晶体管mn，此时vin电压经由功率晶体管mn加在电机负载load上。由于负载呈电感特性，由方程
从图4所示的逐周期限流保护装置的输入输出波形图可见，在pwm输入“h”信号时，一旦负载电流iload达到限流点ilimit，pwm的“h”信号被斩断，门驱动器234被强制输出“l”关断功率管，负载电流开始下降；在pwm输入“l”信号时，逐周期限流保护装置被复位，等待下一周期pwm输入“h”信号，限流保护过程周而复始的进行，实现了逐周期的限流保护功能。
从以上的描述可知，在pwm输入为“h”信号时，限流保护装置时刻监视输出的负载电流的大小，一旦发生过流即斩断pwm的“h”信号，起到限流的功能；而在pwm输入为“l”电压信号时，限流保护装置被复位，不再影响pwm信号的正常传输，而等待下一周期的pwm输入为“h”电压信号时再判断是否发生负载过流。这样的过程随着pwm波形的输入周而复始的进行，最终实现逐周期的限流保护功能。
从以上的描述中还可以理解，在电机起动开始阶段，电机感应电动势e为0，电机的负载电流不可避免的会很大，随着电机开始转动，电机感应电动势e也开始慢慢增加，由公式
由以上描述可见，根据本发明的逐周期限流保护电路非但不会影响电机的正常运行，而且还起到了在电机起动阶段保护电机不会因为电流过大而损坏电机的作用。
图5是表示根据本发明一个实施例的用于电机驱动的逐周期限流保护装置中一个电流采样电路的原理图。参见图5，其中的采样晶体管m1与功率晶体管mn为同类型的mos器件(实施例使用的为nmos器件，pmos器件同样适用于本申请)，它们的尺寸比值wm1:wmn＝1:n,根据电流镜原理得im1:imn＝1:n，这样可以将输出负载电流等比例缩小，采样电流经过电阻rs输出到电流采样运算放大器221。电流采样运算放大器221采用的是一款电流输入型运算放大器，将电流采样运算放大器221连接为负反馈形式，运算放大器将按比例放大电阻rs获得的电流采样信号。由电流采样运算放大器221的输出电压vcs的公式
图6是表示根据本发明一个实施例的用于电机驱动的逐周期限流保护装置中一个周期性复位电路的原理图。参见图6，在输入的每个周期pwm信号为“l”时，这个“l”电平信号将d触发器2311的q端复位，使out端输出“l”信号，这样out信号不会干扰正常pwm信号的传输。在输入的pwm信号为“h”
时，pwm放开对d触发器2311的控制，此时d触发器等待比较器2312的输出结果。如果电流采样运算放大器221的输出电压vcs一直低于基准电压vref的电压值，比较器2312保持输出“h”(也就是没有触发限流)，则d触发器2311的输出out会一直输出“l”信号。如果电压vcs一旦高于基准电压vref的电压值，则比较器2312的输出变为“l”(也就是触发限流)，则d触发器2311的输出out的输出由“l”变“h”，进而斩断pwm信号的正常传输，如上所述。本领域的技术人员可以理解，根据本发明的用于电机驱动的逐周期限流保护装置中，周期性复位电路并非仅限于图6所示的一种，其它的能够实现周期性复位功能的电路同样适用于本发明。
图7是表示根据本发明另一个实施例的用于电机驱动的逐周期限流保护装置，其适合应用于使用lc滤波的其他类型的电机负载。
虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是对本领域技术人员显而易见的是，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。
1.一种限流保护装置，包括：
电流采样电路，与驱动功率器件连接，用以对负载的电流进行采样，并将采样电流信号转换为采样输出电压信号；
pwm信号传输及控制电路，与所述电流采样电路和pwm信号连接，用以根据所述采样输出电压与基准电压的比较结果，控制所述驱动功率器件的打开或关断。
2.如权利要求1所述的限流保护装置，其特征在于，在pwm信号的一个周期内：
如所述采样输出电压小于基准电压，则由pwm信号传输及控制电路控制驱动功率器件打开或关断，直到所述采样输出电压大于或等于基准电压，或直到pwm信号的下一个周期；
当所述采样输出电压大于或等于基准电压时，pwm信号传输及控制电路控制驱动功率器件关断，直到pwm信号的下一个周期。
3.如权利要求1或2所述的限流保护装置，其特征在于，所述pwm信号传输及控制电路包括周期性复位电路，所述周期性复位电路用于比较所述采样输出电压与基准电压，并根据所述pwm信号，实现在pwm信号的一个周期内控制所述驱动功率器件关断。
4.如权利要求3所述的限流保护装置，其特征在于，所述周期性复位电路包括比较器以及与所述比较器连接的d触发器，所述比较器的输入端连接所述采样输出电压和基准电压，所述比较器的输出端连接所述d触发器的一输入端；d触发器的复位端连接所述pwm信号；d触发器的一输出端输出限流控制信号；所述d触发器的一输入端为cl端；d触发器的一输出端为q端，d触发器的一输出端为周期性复位电路的输出端；所述d触发器的d端的信号一直有效。
5.如权利要求3所述的限流保护装置，其特征在于，所述pwm信号传输及控制电路还包括连接在所述周期性复位电路与所述驱动功率器件之间的或非门，所述或非门的一个输入端连接到所述周期性复位电路的输出端，另一输入端经通过一反相器接收输入的pwm信号，所述或非门的输出端连接到所述驱动功率器件。
6.如权利要求5所述的限流保护装置，其特征在于，所述pwm信号传输及控制电路还包括连接在所述或非门与所述驱动功率器件之间的门驱动器；所述门驱动器为放大器。
7.如权利要求1所述的限流保护装置，其特征在于，所述电流采样电路包括电流采样运算放大器、电流采样电阻以及与所述驱动功率器件并接的采样晶体管。
8.如权利要求7所述的限流保护装置，其特征在于，所述驱动功率器件与采样晶体管的类型相同；所述驱动功率器件与采样晶体管同时是n型mos晶体管或者p型mos晶体管。
9.如权利要求7所述的限流保护装置，其特征在于，所述采样晶体管与所述驱动功率器件为同类型的mos器件，且所述采样晶体管将输出负载电流等比例缩小为采样电流，采样电流输入至所述电流采样运算放大器。
10.如权利要求7所述的限流保护装置，其特征在于，所述电流采样电路还包括跨接在所述运算放大器正相输入端与反相输入端的采样电阻，所述采样晶体管的漏极连接到所述运算放大器的反相输入端，栅极连接到所述门驱动器的输出端和所述驱动功率器件的栅极，源极连接到所述驱动功率器件的源极。
11.一种电机驱动芯片，包括如权利要求1-10所述的任意一种限流保护装置。
技术总结