本發(fā)明屬于電路技術(shù)領(lǐng)域，涉及微機電源保護，特別是過欠壓保護，為一種數(shù)字控制的模塊化微機電源過欠壓保護電路。

背景技術(shù)：

微機保護系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，微機保護裝置的誤動或拒動都會給電網(wǎng)帶來極大的影響，其重要性不言而喻。而微機保護裝置的工作電源則是整個微機保護裝置正確可靠動作的驅(qū)動力。目前在實際運行檢修時，為了保證微機保護裝置的可靠正確動作，在常規(guī)檢修過程中，采取完善的檢修流程定期對保護裝置進行校驗，而采取狀態(tài)檢修策略時，多采取中央處理器(CPU,Central Processing Unit)的計算和邏輯判斷能力對保護裝置的各個部件狀態(tài)進行檢測，判斷故障并發(fā)出告警信息。然而不論是常規(guī)檢修還是狀態(tài)檢修，均缺少對保護裝置工作電源的實時監(jiān)測和告警，一旦當電壓過高、過低甚至直接掉電時，CPU無法工作，裝置的自檢功能也無法運行。此外由于保護裝置運行環(huán)境的惡劣，電源插件的硬件老化，裝置工作電源易出現(xiàn)電壓不穩(wěn)或直接掉電的現(xiàn)象。隨之而來的會造成裝置的工作不穩(wěn)定、工作效率低下、工作壽命大大縮短等問題，成本也不可避免的增加。

目前，很多電源模塊都具有過欠壓保護功能，然而，這些電源模塊的過欠壓保護卻有很多局限性，例如：一、過欠壓保護封裝在電源模塊內(nèi)部，廠商在生產(chǎn)過程中制作好，用戶無法根據(jù)需求調(diào)整精度和保護電壓等級；二、普遍保護功能精度過低，而具有高精度的保護電路成本較高；三、每個電源都需要一個單獨的過壓或欠壓保護電路，成本很高?，F(xiàn)有的過欠壓保護方案不適用于微機保護裝置的電源檢測的使用需求，無法與微機保護裝置的檢修對接使用，另外，現(xiàn)有技術(shù)中的保護電路僅能對電源模塊內(nèi)部進行調(diào)節(jié)，用戶無法獲得電源工作狀態(tài)信息，電源管理人員對系統(tǒng)狀態(tài)缺乏足夠詳細的警告信息。因此，如何安全可靠、及時準確得檢測出多個電壓等級下保護裝置電源模塊的非正常工作狀態(tài)，并且向檢測人員發(fā)出警告直到電源模塊恢復(fù)正常工作，是微機電源保護領(lǐng)域一個亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的問題是：針對現(xiàn)有技術(shù)中微機保護系統(tǒng)的不足，設(shè)計出及時準確、體積更小、通用范圍更廣、信號傳輸更加智能化的微機電源過欠壓保護模塊，從而實現(xiàn)微機電源安全可靠的運行。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種數(shù)字控制的模塊化微機電源過欠壓保護電路，包括檢測部分和傳輸部分，檢測部分包括至少一個檢測模塊，檢測模塊包括欠壓比較電路、過壓比較電路和報警電路，欠壓比較電路和過壓比較電路各為一遲滯比較器，測試電壓分別輸入兩個比較電路與參考電壓比較，比較電路的輸出連接報警電路，傳輸電路包括微控制器和局域網(wǎng)總線模塊，比較電路的輸出連接微控制器，微控制器通過局域網(wǎng)總線模塊連接上位機。

作為一種優(yōu)選實施方式，欠壓比較電路中，測試電壓V_a經(jīng)過電阻R₁與第一數(shù)字電位器R₇分壓，分壓輸出端口INA的電壓與參考電壓V_ref輸入施密特觸發(fā)器A，比較后經(jīng)過非門、金屬氧化物半導(dǎo)體在欠壓比較輸出端口OUTA輸出欠壓檢測信號，過壓比較電路中，測試電壓V_a經(jīng)過電阻R₂與第二數(shù)字電位器R₈分壓，分壓輸出端口INB的電壓與參考電壓V_ref輸入施密特觸發(fā)器B，比較后經(jīng)過非門、金屬氧化物半導(dǎo)體在欠壓比較輸出端口OUTB輸出過壓檢測信號。

進一步的，報警電路對應(yīng)設(shè)有欠壓報警電路和過壓報警電路，欠壓報警電路包括上拉電阻R₃、保護電阻R₄和二極管D₁，檢測部分由源電壓V_b供電，V_b和地之間接濾波電容C₁抗干擾高頻濾波，保護電阻R₄和二極管D₁串聯(lián)，再與上拉電阻R₃并聯(lián)在源電壓V_b和端口OUTA之間，欠壓時，欠壓比較輸出端口OUTA輸出低電平，二極管D₁導(dǎo)通發(fā)光，生成警報；當電壓上升，端口OUTA的信號被上拉電阻R₃鉗位在高電平，警報消除；過壓報警電路與欠壓報警電路結(jié)構(gòu)相同。

進一步的，通過微控制器調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的阻值來設(shè)置檢測電壓等級，每一檢測模塊對應(yīng)檢測設(shè)定的電壓等級的電源電壓。

進一步的，通過調(diào)節(jié)數(shù)字電位器，改變出發(fā)警報的閥值電壓，設(shè)定保護精度的等級。

作為優(yōu)選實施方式，所述保護電路集成于一個芯片上。

本發(fā)明保護電路獨立設(shè)置，電路結(jié)構(gòu)簡單，能夠集成于一個芯片上，元器件成本低，可同時應(yīng)對多個測試電壓，同時進行過欠壓保護，適用于微機保護裝置的電源檢測，無需對現(xiàn)有的微機保護裝置做電路改動，通過微控制器和數(shù)字電位器的配合，解決了用戶自由配置調(diào)節(jié)電位和調(diào)節(jié)精度問題，通過設(shè)置的數(shù)據(jù)總線傳輸，解決了告警信號向上位機的傳輸問題，并且電路精度高，價格低廉，適用于各類電源系統(tǒng)。

本發(fā)明有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中微機系統(tǒng)因為工作裝置電源模塊發(fā)生故障存在的問題。微控制器根據(jù)測試電壓V_a設(shè)定數(shù)字電位器數(shù)值，在欠壓保護檢測過程中，測試電壓V_a與參考電壓V_ref比較后在OUTA端口輸出信號，當電壓下降到負向閥值電壓V_IT-(A)以下時，OUTA輸出低電平，R₄作保護電阻，二極管D₁導(dǎo)通發(fā)光，生成警報；當電壓上升到正向閥值電壓V_IT+(A)以上時，OUTA端口信號被上拉電阻R₃鉗位在高電平，警報消除。同理，在過壓保護檢測過程中，當電壓上升到正向閥值電壓V_IT+(B)以上時，二極管D₂導(dǎo)通發(fā)出警報；當電壓下降到負向閥值電壓V_IT-(B)以下時，警報消除。檢測信號及警告信號會及時輸送給微控制器，并通過局域網(wǎng)總線傳入上位機，檢測人員根據(jù)接收的信號調(diào)整微機系統(tǒng)電源電壓，完成對微機電源模塊的過欠壓保護。

針對現(xiàn)有技術(shù)中電源欠壓保護保護方案的缺陷，本發(fā)明提出用微控制器改變數(shù)字電位器阻值，調(diào)整分壓電阻以滿足當前電壓等級的檢測要求，使該過欠壓檢測和保護電路適用于任意電壓等級的電源模塊保護；本發(fā)明支持多路檢測同時工作，各檢測電路之間隔離互不影響；同時利用微控制器接收檢測模塊發(fā)出的信號，通過局域網(wǎng)總線及時、準確得傳輸給上位機，整個系統(tǒng)更具智能化。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以同時對微機電源模塊進行過壓和欠壓保護，利用數(shù)字控制技術(shù)調(diào)節(jié)電位器阻值滿足多電壓等級需求，支持多路檢測同時工作，體積小，精度高，安全可靠，方便通用，傳輸更加智能化。本發(fā)明的有益效果如下：

1、本發(fā)明中的電路采用器件少，所有電路均可以在一塊芯片上集成，體積??；

2、本發(fā)明中的微機電源模塊保護檢測部分可以同時檢測出過壓和欠壓兩種非正常工作狀態(tài)并發(fā)出警告信號，當電源電壓恢復(fù)設(shè)定工作范圍內(nèi)時，警報自動消除，能夠有效應(yīng)對裝置工作電源的電壓不穩(wěn)現(xiàn)象，對工作電源的狀態(tài)顯示更詳細；

3、本發(fā)明中的微機電源模塊可以同時檢測各種電壓等級的工作電壓，通過編程調(diào)整數(shù)字電位器阻值，無需對電路手動調(diào)整，通用化高，成本低；電路采用數(shù)字控制，既能傳輸信號到上位機，同時能接受上位機的配置數(shù)據(jù)，將電路的目標檢測電壓調(diào)整為需要的值，無需對電路進行任何物理上的調(diào)整，使用更方便，更具通用性；

4、本發(fā)明中檢測的各路信號均不公地，相互獨立，檢測的各路電壓信號，均經(jīng)過隔離，消除了高壓信號可能造成的人身傷害危險；電路采用模塊化設(shè)計，同時檢測多路信號，各模塊不共地，互不影響，可根據(jù)需要擴展任意多模塊；而同時各檢測模塊共用控制單元，不額外增加成本；

5、本發(fā)明中采用微控制器和局域網(wǎng)總線(CAN，Controller Area Network)傳輸檢測信號到上位機、從上位機接受配置數(shù)據(jù)，直接用于微機保護裝置的檢修策略，智能化程度高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明電壓檢測模塊內(nèi)部比較電路原理圖。

圖2是本發(fā)明電壓檢測模塊電路圖。

圖3是本發(fā)明微控制器和局域網(wǎng)總線信號傳輸模塊拓撲。

圖4是本發(fā)明微機電源模塊化過欠壓保護整體電路圖。

圖5是本發(fā)明微機電源模塊化過欠壓保護電路中檢測部分與微控制器的連接電路圖。

具體實施方式

如圖4所示，本發(fā)明模塊化過欠壓保護電路包括檢測部分和傳輸部分，檢測部分包括至少一個檢測模塊，檢測模塊包括欠壓比較電路、過壓比較電路和報警電路，欠壓比較電路和過壓比較電路各為一遲滯比較器，測試電壓同時輸入兩個比較電路與參考電壓比較，比較電路的輸出連接報警電路，傳輸電路包括微控制器和局域網(wǎng)總線模塊，比較電路的輸出連接微控制器，微控制器通過局域網(wǎng)總線模塊連接上位機。

為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下將結(jié)合附圖和具體實施方式，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。

如圖1，為電壓檢測模塊比較電路的原理圖所示，包括欠壓比較電路和過壓比較電路，其結(jié)構(gòu)主要由采用施密特觸發(fā)器的遲滯比較器、邏輯非門、金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS管，Mental Oxide Semiconductor)構(gòu)成。欠壓信號輸入端INA輸入的為進行欠壓檢測的信號，過壓信號端輸入端INB輸入的為進行過壓檢測的信號，兩者與參考電壓V_ref輸入遲滯比較器，遲滯比較器輸出與非門連接，非門與MOS管連接，MOS管的輸出模式為開漏輸出。

(1)欠壓保護

欠壓比較電路中，施密特觸發(fā)器A的正向閥值電壓V_IT+(A)為恢復(fù)電壓，負向閥值電壓V_IT-(A)為參考電壓，對于欠壓保護而言，當比較電壓初始值小于參考電壓V_ref時，遲滯比較器輸出低電平，經(jīng)過非門在MOS管的柵極輸入高電平，MOS管漏極即欠壓保護控制信號OUTA端口接地。將比較電壓升高到恢復(fù)電壓(即高于參考電壓V_ref)，遲滯比較器輸出欠壓保護控制信號為高電平，經(jīng)過非門在MOS管的柵極輸入低電平，MOS管不導(dǎo)通，OUTA端口處于高阻態(tài)。若比較電壓初始值大于參考電壓時，遲滯比較器直接輸出高電平，OUTA端口處于高阻態(tài)。

由圖2電壓檢測模塊電路圖所示，在欠壓保護狀態(tài)下，測試電壓V_a經(jīng)過電阻欠壓檢測分壓電阻R₁和第一數(shù)字電位器R₇分壓在INA端口輸入比較電壓，當比較電壓初始值小于參考電壓V_ref時，OUTA接地，欠壓告警二極管D₁正向?qū)òl(fā)光，發(fā)出警報；保護電阻R₄限流，防止二極管電流過大損壞，源電壓V_b和地之間接濾波電容C₁抗干擾高頻濾波。當比較電壓升高到恢復(fù)電壓時，OUTA端口經(jīng)過上拉電阻R₃與源電壓V_b相連，OUTA為高電平，二極管熄滅，警報消除。若比較電壓初始值大于參考電壓V_ref時，OUTA為高電平，二極管不發(fā)光，無警報發(fā)出。

根據(jù)工業(yè)界設(shè)計經(jīng)驗，在欠壓保護狀態(tài)下，取源電壓V_b為5V，濾波電容C₁為0.1μF，上拉電阻R₃和保護電阻R₄為1kΩ。施密特觸發(fā)器A的正向閥值電壓V_IT+(A)為0.405V，負向閥值電壓V_IT-(A)為0.4V，選取參考電壓V_ref為施密特觸發(fā)器A的負向閥值電壓0.4V。數(shù)字電位器R₇與電阻R₁的取值關(guān)系為

$R_7=\frac{V_a}{\frac{V_a-V_{IT+\left(A\right)}}{R_1}}-R_1---\left(1\right)$

測試電壓為5V時，R₁和數(shù)字電位器R₇分壓后在INA輸入0.405V，取R₁為20kΩ，數(shù)字電位器取值為1763Ω?；謴?fù)電壓對應(yīng)的測試電壓經(jīng)過R₁和數(shù)字電位器R₇分壓后在INA輸入0.4V，則恢復(fù)電壓對應(yīng)的測試電壓為

${V_a}^{\′}=(R_1+R_7)\×\frac{V_{ref}}{R_7}\≈4.938V---\left(2\right)$

當測試電壓初始值小于4.938V時，OUTA輸出低電平，二極管D₁導(dǎo)通發(fā)出警報，當測試電壓增大到5V時，INA輸入0.405V達到施密特觸發(fā)器正向閥值電壓，OUTA輸出高電平，警報消除。當測試電壓初始值大于4.938V時比較電壓大于參考電壓0.4V，OUTA直接輸出高電平，不發(fā)生警報。測試電壓的精度等級可以通過改變第一數(shù)字電位器R₇的阻值實現(xiàn)，當?shù)谝粩?shù)字電位器R₇的阻值升高，恢復(fù)電壓對應(yīng)的測試電壓V_a'降低，精度下降，反之當R₇的阻值降低，精度提高。

(2)過壓保護

同理，對于過壓比較電路中，在過壓保護狀態(tài)下，施密特觸發(fā)器B的正向閥值電壓V_IT+(B)為參考電壓，負向閥值電壓V_IT-(B)為恢復(fù)電壓，測試電壓V_a經(jīng)過過壓保護分壓電阻R₂和第二數(shù)字電位器R₈分壓在過壓信號輸入端INB端口輸入比較電壓，當比較電壓初始值大于參考電壓V_ref時，過壓保護控制信號OUTB端口接地，二極管D₂正向?qū)òl(fā)光，發(fā)出警報。當比較電壓降低到恢復(fù)電壓時，過壓保護控制信號OUTB處于高阻狀態(tài)，警報消除。若比較電壓初始值小于參考電壓V_ref時，二極管不發(fā)出警報。

第二數(shù)字電位器R₈與電阻R₂的取值關(guān)系為

$R_8=\frac{V_a}{\frac{V_a-V_{IT-\left(B\right)}}{R_2}}-R_2---\left(3\right)$

本案例中，測試電壓為5V時，R₂和數(shù)字電位器R₈分壓后在INB輸入0.395V，取R₂為20kΩ，數(shù)字電位器R₈取值為1763Ω。

恢復(fù)電壓對應(yīng)的測試電壓經(jīng)過R₂和數(shù)字電位器R₈分壓后在INB輸入0.4V，則恢復(fù)電壓對應(yīng)的測試電壓為

${V_a}^{\′}=(R_2+R_8)\×\frac{V_{ref}}{R_8}\≈5.062V---\left(4\right)$

當測試電壓初始值大于5.062V的時候，比較電壓大于參考電壓0.4V，二極管D₂導(dǎo)通發(fā)出警報，當測試電壓降低到5V時，警報消除。當測試電壓初始值小于5.062V時不發(fā)生警報。調(diào)節(jié)測試電壓的精度，當R₈的阻值升高，精度提高；反之，當R₈的阻值降低，精度降低。

上述參數(shù)選擇僅表明一種情形，按照本方法可設(shè)計針對本過欠壓保護電路的任意直流電壓等級過欠壓保護電路參數(shù)，根據(jù)測試電壓理想值調(diào)節(jié)微控制器改變數(shù)字電位器的阻值即可。過欠壓保護共同將測試電壓V_a限定在精度范圍內(nèi)，通過微調(diào)數(shù)字電位器實現(xiàn)。電壓檢測模塊內(nèi)部原理圖所示部分可使用如TPS3701等芯片替代完成施密特觸發(fā)器，非門及MOS管功能。

由圖3微控制器和局域網(wǎng)總線信號傳輸模塊拓撲所示，微控制器接受檢測模塊發(fā)出的信號并通過局域網(wǎng)總線傳輸?shù)缴衔粰C，提高了整個微機電源模塊化過欠壓保護系統(tǒng)的智能化，其中微機電源模塊可以采用如STM32等芯片，局域網(wǎng)總線可以采用控制器局域網(wǎng)通信；可編程的微控制器輸入信號，配置數(shù)字電位器，使其工作在需要的狀態(tài)，與需要檢測的電源電壓等級相匹配。

綜上所述，本發(fā)明所提出微機電源模塊的過欠壓保護方式所有工作電路均基于硅器件，可以集成于單個芯片，體積小，集成度高；可以通過微控制器對數(shù)字電位器進行參數(shù)選擇，匹配任意微機電源工作電壓保護等級和精度，在過壓和欠壓狀態(tài)均發(fā)出警報，恢復(fù)到正常范圍內(nèi)警報消除，精度高，便于通用化；通過微控制器和局域網(wǎng)總線傳輸信號，智能化高。

以上實施例只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及核心思想，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，通過以上描述與舉例能自然聯(lián)想到的其它等同應(yīng)用方案，以及對本發(fā)明進行的若干改進和修飾，均落入本發(fā)明的權(quán)利要求書的保護范圍。