一種寬電壓適應(yīng)性的高效率智能高邊電子負(fù)載開關(guān)的制作方法
【專利摘要】一種寬電壓適應(yīng)性的高效率智能高邊電子負(fù)載開關(guān)，包括供電模塊、核心控制模塊、自舉升壓模塊、電壓檢測模塊、電流檢測模塊和開關(guān)模塊；核心控制模塊用于信號采集、信息處理、存儲和邏輯控制：一是接受外部開關(guān)控制輸入信號、電流檢測模塊和電壓檢測模塊輸出的檢測信號，并按內(nèi)部存儲的程序處理分析監(jiān)控數(shù)據(jù)，控制開關(guān)模塊完成相應(yīng)動作，二是為自舉升壓模塊提供PWM控制信號；電壓、電流檢測模塊用于檢測開關(guān)模塊的實時工作電壓、電流，并將數(shù)據(jù)傳遞給核心控制模塊處理分析；自舉升壓模塊用于為開關(guān)模塊中的開關(guān)管提供驅(qū)動電壓；開關(guān)模塊用于執(zhí)行負(fù)載的通斷動作。該負(fù)載開關(guān)工作電壓范圍和工作頻率高，效率高，損耗低，安全可靠，具有可編程性。
【專利說明】一種寬電壓適應(yīng)性的高效率智能高邊電子負(fù)載開關(guān)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電子負(fù)載開關(guān)，尤其涉及一種寬電壓適應(yīng)性的高效率智能高邊電子負(fù)載開關(guān)。

【背景技術(shù)】
[0002]相比機械開關(guān)，使用半導(dǎo)體技術(shù)實現(xiàn)通斷的電子負(fù)載開關(guān)具有體積小、損耗低、動作速度快、通斷可靠、有效壽命長、可實現(xiàn)PWM輸出等優(yōu)點，是各類直流電器驅(qū)動、PWM控制不可或缺的模塊，應(yīng)用十分廣泛。
[0003]雖然電子負(fù)載開關(guān)在應(yīng)用上具有很多優(yōu)勢，但其主要部件開關(guān)管對驅(qū)動條件要求很高，尤其對工作電壓特別敏感，不同的工作電壓下，開關(guān)管的性能會有很大的變化，導(dǎo)致性能下降甚至無法正常工作或發(fā)熱燒毀；為了應(yīng)對這一問題，一般電子負(fù)載開關(guān)產(chǎn)品對其工作電壓范圍都會作出嚴(yán)格限定，不同工作電壓段的產(chǎn)品不允許通用；隨著電子電氣產(chǎn)品的發(fā)展，功能上只能單純被動受控開通關(guān)斷的電子負(fù)載開關(guān)已經(jīng)難以滿足高可靠性產(chǎn)品的需求，具有自主監(jiān)控和負(fù)載安全保護等智能化功能的電子負(fù)載開關(guān)是未來發(fā)展的方向。
[0004]負(fù)載開關(guān)按開關(guān)所處位置可分為高邊與低邊兩種，高邊是指開關(guān)位于電源正極與負(fù)載正極之間；低邊是指開關(guān)位于負(fù)載負(fù)極與電源負(fù)極之間，從負(fù)載通斷性能上看，高邊開關(guān)在安全性和耐用性上都優(yōu)于低邊開關(guān)，因為高邊開關(guān)關(guān)斷后負(fù)載側(cè)不帶電，各種保護開關(guān)管的措施也易于實現(xiàn)；但從設(shè)計角度看，實現(xiàn)相同性能的前提下高邊開關(guān)就較低邊開關(guān)要更加困難；目前市面低邊開關(guān)一般采用N溝道MOS管作為開關(guān)管，結(jié)構(gòu)簡單，開關(guān)速度和效率都很高；高邊開關(guān)一般多采用P溝道MOS管作為開關(guān)管，結(jié)構(gòu)雖簡單，但由于使用的是P溝道MOS管，其開關(guān)速度和效率較N溝道MOS管要差很多，發(fā)熱較大，難以適用于高頻率或大電流應(yīng)用場合，若改為使用N溝道MOS管，又需解決開關(guān)管驅(qū)動電壓高于負(fù)載電壓的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種采用N溝道MOS管作為開關(guān)管、具有寬電壓適應(yīng)性的高效率智能高邊電子負(fù)載開關(guān)，目的在于拓寬電子負(fù)載開關(guān)的電壓適應(yīng)范圍，提高各種工作環(huán)境下開關(guān)產(chǎn)品的通用性、安全性、工作頻率和開關(guān)效率，同時針對開關(guān)智能化的需求，加入多種監(jiān)控保護功能，實現(xiàn)對負(fù)載工況的智能監(jiān)控和保護，以克服上述已有技術(shù)所存在的不足。
[0006]本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:一種寬電壓適應(yīng)性的高效率智能高邊電子負(fù)載開關(guān)，包括供電模塊、核心控制模塊、自舉升壓模塊、電壓檢測模塊、電流檢測模塊和開關(guān)模塊；
所述核心控制模塊的輸入端接口分別連接外部開關(guān)控制輸入、電壓檢測模塊和電流檢測模塊的輸入端，其輸出端接口分別連接自舉升壓模塊和開關(guān)模塊；所述電壓檢測模塊和電流檢測模塊的輸入端分別與供電模塊連接，其輸出端連接核心控制模塊的輸入端接口 ；所述自舉升壓模塊的輸入端與核心控制模塊的輸出端接口連接，自舉升壓模塊的輸出端連接開關(guān)模塊；所述供電模塊輸入端與外部電源連接，輸出端分別連接所述核心控制模塊、自舉升壓模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊和開關(guān)模塊；所述供電模塊用于接受外部供電電源輸入，并為所述核心控制模塊、自舉升壓模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊和開關(guān)模塊提供相應(yīng)的供電和檢測接入點。
[0007]所述核心控制模塊用于信號采集、信息處理、存儲和邏輯控制:一是接受外部開關(guān)控制輸入信號、電流檢測模塊和電壓檢測模塊輸出的檢測信號，并按內(nèi)部存儲的程序處理分析監(jiān)控數(shù)據(jù)，控制開關(guān)模塊完成相應(yīng)動作，二是為自舉升壓模塊提供PWM控制信號；所述電壓檢測模塊用于檢測開關(guān)模塊的實時工作電壓，并將檢測數(shù)據(jù)傳遞給核心控制模塊處理分析；所述電流檢測模塊用于檢測開關(guān)模塊的實時工作電流，并將檢測數(shù)據(jù)傳遞給核心控制模塊處理分析；所述自舉升壓模塊用于接受核心控制模塊的控制，為開關(guān)模塊中的開關(guān)管提供所需的驅(qū)動電壓；所述開關(guān)模塊用于接受核心控制模塊的控制，執(zhí)行負(fù)載的通斷動作。
[0008]其進一步的技術(shù)方案是:所述核心控制模塊包括數(shù)字微控制器模塊、內(nèi)部電源管理模塊、PWM模塊、I/O控制器模塊、非易失性存儲器模塊、ADC模塊和內(nèi)部時鐘模塊；
所述數(shù)字微控制器模塊是核心控制模塊的控制中心，用于執(zhí)行各種計算或指令；所述內(nèi)部電源管理模塊為所述數(shù)字微控制器模塊、非易失性存儲器模塊、I/O控制器模塊、ADC模塊、內(nèi)部時鐘模塊、PWM模塊提供合適的供電管控，一是用于接受數(shù)字微控制器模塊的控制，關(guān)閉或開啟除數(shù)字微控制器模塊以外其他模塊的供電，最小化系統(tǒng)電力消耗，二是用于獨立執(zhí)行電壓檢測:當(dāng)輸入電壓過低或不穩(wěn)時發(fā)送通知給數(shù)字微處理器模塊，使其及時采取措施避免出現(xiàn)控制紊亂；內(nèi)部電源管理模塊使用I號端口作為輸入負(fù)極，使用2端口作為輸入正極；所述PWM模塊用于根據(jù)數(shù)字微控制器的設(shè)定、產(chǎn)生一定頻率和占空比的穩(wěn)定PWM信號，并通過6號輸出端口驅(qū)動控制自舉升壓模塊的工作；所述I/O控制器模塊用于為核心控制模塊提供與數(shù)據(jù)交換和端口驅(qū)動的服務(wù)，并通過5號輸出端口控制開關(guān)模塊的通斷，通過7號輸入端口接收外部開關(guān)控制輸入的指令:或直接將數(shù)字式指令信號傳遞給數(shù)字微控制器模塊分析，或?qū)⒛M式指令信號送ADC模塊處理轉(zhuǎn)換后再提交給數(shù)字微控制器模塊分析；所述非易失性存儲器模塊用于存貯判定閥值變量的配置數(shù)據(jù)，并在數(shù)字微控制器模塊的控制下對內(nèi)數(shù)據(jù)進行寫入、擦除、讀取操作；所述ADC模塊為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于采集采樣點電壓，將所得數(shù)字信息轉(zhuǎn)換后傳送給數(shù)字微控制器模塊處理，以監(jiān)控和判斷負(fù)載開關(guān)的工作電壓電流情況是否正常；ADC模塊使用3號端口作為電流檢測輸入口，4號端口作為電壓檢測輸入口 ；所述內(nèi)部時鐘模塊用于為數(shù)字微控制器提供工作所需時鐘信號。
[0009]其更進一步的技術(shù)方案是:所述供電模塊包括穩(wěn)壓管DZ1、二極管D1、線性調(diào)壓器N2、電阻Rl和電容Cl ;所述線性調(diào)壓器N2用于對輸入電壓進行調(diào)整以輸出穩(wěn)定的低壓直流電供其他低壓電路模塊使用；所述穩(wěn)壓管DZl用于吸收直流電源中的高壓脈沖，避免線性調(diào)壓器N2被擊穿，所述二極管Dl用于防止電流逆流、防止直流電源輸入極性變化影響線性調(diào)壓器N2 ;所述電阻Rl和電容Cl組成低通濾波電路，用于濾除線性調(diào)壓器N2輸入端上的高頻紋波，以提高線性調(diào)壓器N2輸出質(zhì)量。
[0010]所述電壓檢測模塊包括電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7、集成運放N3A、集成運放N3B和穩(wěn)壓管DZ2 ;所述電阻R2與電阻R3組成分壓電路以產(chǎn)生直流電源輸入的電壓采樣值，輸入給采用正向跟隨器接法的集成運放N3B ;所述集成運放N3B用于隔離、穩(wěn)定采樣信號；所述電阻R5、電阻R6、電阻R7與集成運放N3A組成差分放大器，用于對電壓采樣信號進行調(diào)整處理、并輸出給核心控制模塊進行分析；所述穩(wěn)壓管DZ2和電阻R4用于為所述差分放大器提供穩(wěn)定的參考電壓。
[0011]所述電流檢測模塊包括電阻R8、電阻R9、電阻R10、電阻R11、電阻R12、電阻R13、電阻R14、電阻R15、電阻R16、電阻R17、電阻R18、集成運放N3C和集成運放N3D ;所述電阻R8為采樣電阻，用于采集直流電源輸送給負(fù)載的總電流；所述電阻R9、電阻R10、電阻Rll與電阻R12組成降壓電阻網(wǎng)絡(luò)，與由集成運放N3C和電阻R13、電阻R14、電阻R15、電阻R16組成的差分放大器共同對電流采樣信號進行調(diào)整處理，再輸送給核心控制模塊進行分析；所述集成運放N3D和電阻R17、電阻R18為差分放大器提供靜態(tài)工作點電壓，以降低其放大失真。
[0012]所述自舉升壓模塊包括電阻R19、電阻R20、電阻R21、電阻R22、電容C3、二極管D2、三極管V1、三極管V2、三極管V3、三極管V4和穩(wěn)壓管DZ3 ;所述R19為限流電阻，其一端連接核心控制模塊的6號輸出端口、即PWM模塊輸出端口，另一端連接三極管Vl和三極管V2的發(fā)射極；所述電阻R20和電阻R21組成分壓電路為PWM信號提供翻轉(zhuǎn)參考電平，提高翻轉(zhuǎn)效率；所述電容C3為自舉電容，電阻R22與電容C3串接，用于電容C3充電的限流；所述二極管D2用于阻止電容C3電流逆流、限制電容C3輸出電壓峰值，保護開關(guān)模塊；所述三極管V3和三極管V4分別通過三極管Vl和三極管V2的驅(qū)動，實現(xiàn)高低壓的隔離及低壓驅(qū)動高壓的通斷:
當(dāng)PWM輸出高電平時，三極管Vl和三極管V3截止，三極管V2和三極管V4導(dǎo)通，直流電源通過D2和R22給自舉電容C3充電，電容C3充電完后保持兩端電壓與直流電源相同；
當(dāng)PWM輸出變?yōu)榈碗娖街?，三極管Vl和三極管V3導(dǎo)通，三極管V2三極管V4截止，直流電源強行抬高電容C3負(fù)端電壓，使電容C3正極得到2倍于直流電源電壓的電動勢，用于驅(qū)動開關(guān)模塊中的高邊N溝道MOS管。
[0013]所述開關(guān)模塊包括電阻R23、電阻R24、電阻R25、電阻R26、電阻R27、電阻R28、二極管D3、二極管D4、二極管D5、三極管V5、三極管V6、三極管V7、三極管V8、三極管V9、N溝道MOS管VlO和可調(diào)電阻器RPl ;所述R23為限流電阻，其一端連接核心控制模塊的5號輸出端口，另一端連接三極管V5和三極管V6的發(fā)射極；所述電阻R24與電阻R25組成分壓電路為核心控制模塊輸出的開關(guān)控制信號提供翻轉(zhuǎn)參考電平，提高翻轉(zhuǎn)效率；所述三極管V7和三極管V8分別通過三極管V5和三極管V6的驅(qū)動，實現(xiàn)高低壓的隔離、以及低壓驅(qū)動高壓的通斷:
當(dāng)開關(guān)控制信號為低電平時，三極管V6和三極管V8截止，三極管V5和三極管V7導(dǎo)通，自舉升壓模塊輸出的高電壓通過限流電阻R26加到N溝道MOS管VlO的柵級，使得N溝道MOS管VlO導(dǎo)通，開始為負(fù)載供電；當(dāng)開關(guān)控制信號為高電平時，三極管V6和三極管V8導(dǎo)通，三極管V5和三極管V7截止，N溝道MOS管VlO柵極通過二極管D3快速放電拉低電壓，N溝道MOS管VlO迅速截止，切斷對負(fù)載的供電；
所述三極管V9、電阻R27與可調(diào)電阻器RPl組成負(fù)反饋電路，用于調(diào)節(jié)N溝道MOS管VlO柵極最大輸入電壓的大小，以保護N溝道MOS管VlO柵極不被過高電壓擊穿；所述二極管D4、電阻R28與電容C4組成RC脈沖吸收電路，用于吸收由負(fù)載引發(fā)的N溝道MOS管VlO開通關(guān)斷過程中源極與漏極間的瞬時高壓脈沖，保護N溝道MOS管VlO不被擊穿；所述二極管D5用于負(fù)載為感性情況下，在N溝道MOS管VlO關(guān)斷瞬間為負(fù)載續(xù)流，保護N溝道MOS管VlO不被擊穿。
[0014]由于采用上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明之一種寬電壓適應(yīng)性的高效率智能高邊電子負(fù)載開關(guān)具有如下有益效果:
1.由于使用了完善的低壓控制高壓電路，提高了高壓端可允許電壓閥值，使得本發(fā)明之一種寬電壓適應(yīng)性的高效率智能高邊電子負(fù)載開關(guān)具有更寬的工作電壓范圍和很高的工作頻率；
2.本發(fā)明之一種寬電壓適應(yīng)性的高效率智能高邊電子負(fù)載開關(guān)采用自舉升壓驅(qū)動高邊N溝道MOS管的方式來實現(xiàn)開關(guān)的開通與關(guān)斷，并輔以多種輔助電路，從而實現(xiàn)了開關(guān)的高效率、高頻率、低損耗；
3.本發(fā)明之一種寬電壓適應(yīng)性的高效率智能高邊電子負(fù)載開關(guān)使用了微控制器進行智能控制和監(jiān)控，當(dāng)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)異常的電壓、電流時，可自動關(guān)斷負(fù)載供電，避免在無人監(jiān)控情況下出現(xiàn)危險狀況，使開關(guān)本身和負(fù)載都得到了更安全的保護，具有更高的安全性；
4.本發(fā)明之一種寬電壓適應(yīng)性的高效率智能高邊電子負(fù)載開關(guān)具有可編程性，使得本負(fù)載開關(guān)的功能和適用范圍得到極大拓展:
在重負(fù)載應(yīng)用情況下，為避免啟動時因快速完全導(dǎo)通而引起突發(fā)大電流沖擊電源，可編程使用PWM漸變占空比方式，控制啟動過程中的輸出電流有效值，實現(xiàn)輸出電流由小及大的平緩過渡，完成重負(fù)載的軟啟動；
通過可編程可實現(xiàn)復(fù)雜條件下的自動通斷控制，如延時、定時通斷、觸發(fā)保護后的自定義再導(dǎo)通嘗試；可以PWM方式對負(fù)載消耗功率進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)受控或自動的負(fù)載功率控制。
[0015]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明之一種寬電壓適應(yīng)性的高效率智能高邊電子負(fù)載開關(guān)的技術(shù)特征作進一步的說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明之一種寬電壓適應(yīng)性的高效率智能高邊電子負(fù)載開關(guān)結(jié)構(gòu)框圖；
圖2為本發(fā)明之一種寬電壓適應(yīng)性的高效率智能高邊電子負(fù)載開關(guān)電路圖；
圖3為核心控制模塊結(jié)構(gòu)框圖；
圖4為自舉升壓模塊電路圖；
圖5為電壓檢測模塊電路圖；
圖6為電流檢測模塊電路圖；
圖7為開關(guān)模塊電路圖；
圖8為供電模塊電路圖。
[0017]圖中:00—供電模塊，11—核心控制模，110—數(shù)字微控制器模塊，111—內(nèi)部電源管理模塊，112—PWM模塊，113—1/0控制器模塊，114一非易失性存儲器模塊，115—ADC模塊，116—內(nèi)部時鐘模塊，12—自舉升壓模塊，13—電壓檢測模塊，14 一電流檢測模塊，15一開關(guān)模塊。

【具體實施方式】
實施例
[0018]一種寬電壓適應(yīng)性的高效率智能高邊電子負(fù)載開關(guān)，所述智能高邊電子負(fù)載開關(guān)包括供電模塊00、核心控制模塊11、自舉升壓模塊12、電壓檢測模塊13、電流檢測模塊14和開關(guān)模塊15 ;所述核心控制模塊11的輸入端接口分別連接外部開關(guān)控制輸入、電壓檢測模塊和電流檢測模塊的輸入端，其輸出端接口分別連接自舉升壓模塊和開關(guān)模塊；所述電壓檢測模塊13和電流檢測模塊14的輸入端分別與供電模塊連接，其輸出端連接核心控制模塊的輸入端接口；
所述自舉升壓模塊12的輸入端與核心控制模塊的輸出端接口連接，自舉升壓模塊的輸出端連接開關(guān)模塊；所述供電模塊00輸入端與外部電源連接，輸出端分別連接所述核心控制模塊、自舉升壓模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊和開關(guān)模塊；所述供電模塊用于接受外部供電電源輸入，并為所述核心控制模塊、自舉升壓模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊和開關(guān)模塊提供相應(yīng)的供電和檢測接入點。
[0019]所述核心控制模塊11用于信號采集、信息處理、存儲和邏輯控制:一是接受外部開關(guān)控制輸入信號、電流檢測模塊和電壓檢測模塊輸出的檢測信號，并按內(nèi)部存儲的程序處理分析監(jiān)控數(shù)據(jù)，控制開關(guān)模塊完成相應(yīng)動作，二是為自舉升壓模塊提供PWM控制信號；所述電壓檢測模塊13用于檢測開關(guān)模塊的實時工作電壓，并將檢測數(shù)據(jù)傳遞給核心控制模塊處理分析；所述電流檢測模塊14用于檢測開關(guān)模塊的實時工作電流，并將檢測數(shù)據(jù)傳遞給核心控制模塊處理分析；所述自舉升壓模塊12用于接受核心控制模塊的控制，為開關(guān)模塊中的開關(guān)管提供所需的驅(qū)動電壓；所述開關(guān)模塊15用于接受核心控制模塊的控制，執(zhí)行負(fù)載的通斷動作。
[0020]所述核心控制模塊11包括數(shù)字微控制器模塊110、內(nèi)部電源管理模塊IlUPWM模塊112、1/0控制器模塊113、非易失性存儲器模塊114、ADC模塊115和內(nèi)部時鐘模塊116 ;所述數(shù)字微控制器模塊110是核心控制模塊的控制中心，用于執(zhí)行各種計算或指令；所述內(nèi)部電源管理模塊111為核心控制模塊內(nèi)的數(shù)字微控制器模塊、非易失性存儲器模塊、I/O控制器模塊、ADC模塊、內(nèi)部時鐘模塊、PWM模塊提供合適的供電管控，一是用于接受數(shù)字微控制器模塊的控制，關(guān)閉或開啟除數(shù)字微控制器模塊以外其他模塊的供電，最小化系統(tǒng)電力消耗，二是用于獨立執(zhí)行電壓檢測:當(dāng)輸入電壓過低或不穩(wěn)時發(fā)送通知給數(shù)字微處理器模塊，使其及時采取措施避免出現(xiàn)控制紊亂；內(nèi)部電源管理模塊使用I號端口作為輸入負(fù)極，使用2端口作為輸入正極；所述PWM模塊112用于根據(jù)數(shù)字微控制器的設(shè)定、產(chǎn)生一定頻率和占空比的穩(wěn)定PWM信號，并通過6號輸出端口驅(qū)動控制自舉升壓模塊的工作；所述I/O控制器模塊113用于為核心控制模塊提供與數(shù)據(jù)交換和端口驅(qū)動的服務(wù)，并通過5號輸出端口控制開關(guān)模塊的通斷，通過7號輸入端口接收外部開關(guān)控制輸入的指令:或直接將數(shù)字式指令信號傳遞給數(shù)字微控制器模塊110分析，或?qū)⒛M式指令信號送ADC模塊115處理轉(zhuǎn)換后再提交給數(shù)字微控制器模塊110分析；所述非易失性存儲器模塊114用于存貯判定閥值變量的配置數(shù)據(jù)，并在數(shù)字微控制器模塊(110)的控制下對內(nèi)數(shù)據(jù)進行寫入、擦除、讀取操作；所述ADC模塊115為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于采集采樣點電壓，將所得數(shù)字信息轉(zhuǎn)換后傳送給數(shù)字微控制器模塊110處理，以監(jiān)控和判斷負(fù)載開關(guān)的工作電壓電流情況是否正常；ADC模塊使用3號端口作為電流檢測輸入口，4號端口作為電壓檢測輸入口；所述內(nèi)部時鐘模塊116為數(shù)字微控制器提供工作所需時鐘信號。
[0021]所述供電模塊00包括穩(wěn)壓管DZ1、二極管D1、線性調(diào)壓器N2、電阻Rl和電容Cl ；所述線性調(diào)壓器N2用于對輸入電壓進行調(diào)整以輸出穩(wěn)定的低壓直流電供其他低壓電路模塊使用；所述穩(wěn)壓管DZl用于吸收直流電源中的高壓脈沖，避免線性調(diào)壓器N2被擊穿，所述二極管Dl用于防止電流逆流、防止直流電源輸入極性變化影響線性調(diào)壓器N2 ;所述電阻Rl和電容Cl組成低通濾波電路，用于濾除線性調(diào)壓器N2輸入端上的高頻紋波，以提高線性調(diào)壓器N2輸出質(zhì)量。
[0022]所述電壓檢測模塊13包括電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7、集成運放N3A、集成運放N3B和穩(wěn)壓管DZ2 ;所述電阻R2與電阻R3組成分壓電路以產(chǎn)生直流電源輸入的電壓采樣值，輸入給采用正向跟隨器接法的集成運放N3B ;所述集成運放N3B用于隔離、穩(wěn)定采樣信號；所述電阻R5、電阻R6、電阻R7與集成運放N3A組成差分放大器，用于對電壓采樣信號進行調(diào)整處理、并輸出給核心控制模塊進行分析；所述穩(wěn)壓管DZ2和電阻R4用于為所述差分放大器提供穩(wěn)定的參考電壓。
[0023]所述電流檢測模塊14包括電阻R8、電阻R9、電阻R10、電阻R11、電阻R12、電阻R13、電阻R14、電阻R15、電阻R16、電阻R17、電阻R18、集成運放N3C和集成運放N3D ;所述電阻R8為采樣電阻，用于采集直流電源輸送給負(fù)載的總電流；所述電阻R9、電阻R10、電阻Rll與電阻R12組成降壓電阻網(wǎng)絡(luò)，與由集成運放N3C和電阻R13、電阻R14、電阻R15、電阻R16組成的差分放大器共同對電流采樣信號進行調(diào)整處理，再輸送給核心控制模塊進行分析；所述集成運放N3D和電阻R17、電阻R18為差分放大器提供靜態(tài)工作點電壓，以降低其放大失真。
[0024]所述自舉升壓模塊12包括電阻R19、電阻R20、電阻R21、電阻R22、電容C3、二極管D2、三極管V1、三極管V2、三極管V3、三極管V4和穩(wěn)壓管DZ3 ;所述R19為限流電阻，其一端連接核心控制模塊的6號輸出端口、即PWM模塊輸出端口，另一端連接三極管Vl和三極管V2的發(fā)射極；所述電阻R20和電阻R21組成分壓電路為PWM信號提供翻轉(zhuǎn)參考電平，提高翻轉(zhuǎn)效率；所述電容C3為自舉電容，電阻R22與電容C3串接，用于電容C3充電的限流；所述二極管D2用于阻止電容C3電流逆流、限制電容C3輸出電壓峰值，保護開關(guān)模塊；所述三極管V3和三極管V4分別通過三極管Vl和三極管V2的驅(qū)動，實現(xiàn)高低壓的隔離及低壓驅(qū)動高壓的通斷:
當(dāng)PWM輸出高電平時，三極管Vl和三極管V3截止，三極管V2和三極管V4導(dǎo)通，直流電源通過D2和R22給自舉電容C3充電，電容C3充電完后保持兩端電壓與直流電源相同；當(dāng)PWM輸出變?yōu)榈碗娖街?，三極管Vl和三極管V3導(dǎo)通，三極管V2三極管V4截止，直流電源強行抬高電容C3負(fù)端電壓，使電容C3正極得到2倍于直流電源電壓的電動勢；用于驅(qū)動開關(guān)模塊中的高邊N溝道MOS管。
[0025]所述開關(guān)模塊15包括電阻R23、電阻R24、電阻R25、電阻R26、電阻R27、電阻R28、二極管D3、二極管D4、二極管D5、三極管V5、三極管V6、三極管V7、三極管V8、三極管V9、N溝道MOS管VlO和可調(diào)電阻器RPl ;所述R23為限流電阻，其一端連接核心控制模塊的5號輸出端口，另一端連接三極管V5和三極管V6的發(fā)射極；所述電阻R24與電阻R25組成分壓電路為核心控制模塊輸出的開關(guān)控制信號提供翻轉(zhuǎn)參考電平，提高翻轉(zhuǎn)效率；所述三極管V7和三極管V8分別通過三極管V5和三極管V6的驅(qū)動，實現(xiàn)高低壓的隔離、以及低壓驅(qū)動高壓的通斷: 當(dāng)開關(guān)控制信號為低電平時，三極管V6和三極管V8截止，三極管V5和三極管V7導(dǎo)通，自舉升壓模塊輸出的高電壓通過限流電阻R26加到N溝道MOS管VlO的柵級，使得N溝道MOS管VlO導(dǎo)通，開始為負(fù)載供電；當(dāng)開關(guān)控制信號為高電平時，三極管V6和三極管V8導(dǎo)通，三極管V5和三極管V7截止，N溝道MOS管VlO柵極通過二極管D3快速放電拉低電壓，N溝道MOS管VlO迅速截止，切斷對負(fù)載的供電。
[0026]所述三極管V9、電阻R27與可調(diào)電阻器RPl組成負(fù)反饋電路，用于調(diào)節(jié)N溝道MOS管VlO柵極最大輸入電壓的大小，以保護N溝道MOS管VlO柵極不被過高電壓擊穿；所述二極管D4、電阻R28與電容C4組成RC脈沖吸收電路，用于吸收由負(fù)載引發(fā)的N溝道MOS管VlO開通關(guān)斷過程中源極與漏極間的瞬時高壓脈沖，保護N溝道MOS管VlO不被擊穿；所述二極管D5用于負(fù)載為感性情況下，在N溝道MOS管VlO關(guān)斷瞬間為負(fù)載續(xù)流，保護N溝道MOS管VlO不被擊穿。
[0027]上述實施例中:
1.所述核心控制模塊采用為單一集成芯片、如MC9S08QD2CSC芯片，作為變換，在某些特殊情況下也可采用具有相應(yīng)功能的模塊集合體；
2.上述實施例中所述時鐘信號產(chǎn)生方式為RC電路方式，RC電路時鐘頻率和精度都較低，受溫度影響較大，如需要更高頻率，核心控制模塊可以關(guān)閉內(nèi)部時鐘模塊，使用外接的外部時鐘模塊來提供高頻時鐘信號。
[0028]工作程序及原理
將本開關(guān)設(shè)置為接受外部電平信號控制工作模式，開啟過流、短路保護和自恢復(fù)功倉泛;
接通直流電源，供電模塊開始工作，核心控制模塊上電完成自檢啟動等待外部開關(guān)指令，其PWM模塊此時不工作，并保持開關(guān)模塊處于關(guān)斷狀態(tài)；
核心控制模塊接收到外部開關(guān)指令接通負(fù)載，核心控制模塊確認(rèn)指令后開啟PWM模塊，使自舉升壓模塊開始工作為開關(guān)模塊提供驅(qū)動N溝道MOS管所需的電壓，短暫的延時確保自舉升壓模塊輸出穩(wěn)定后，控制開關(guān)模塊開通，開始為負(fù)載供電；
開關(guān)模塊開通后，核心控制模塊持續(xù)周期性接收電壓檢測模塊、電流檢測模塊傳來的檢測信號，與自身預(yù)先存儲的設(shè)定閥值進行對比，確認(rèn)當(dāng)前負(fù)載工作情況:
如檢測結(jié)果電壓電流在正常范圍內(nèi)，就保持開關(guān)模塊持續(xù)開通；
如檢測到電壓正常，電流超閥值，可判定為負(fù)載電流過大，激活過流保護程序，控制開關(guān)模塊關(guān)斷負(fù)載輸出，延遲一段預(yù)設(shè)時間后，重新控制開關(guān)模塊開通負(fù)載供電，檢測電壓電流情況是否恢復(fù)正常，如恢復(fù)正常，開關(guān)模塊可持續(xù)開通，如未恢復(fù)正常，開關(guān)模塊關(guān)斷，延遲一段預(yù)設(shè)時間后再次嘗試開通，如此往復(fù)；
如檢測到電壓低于電壓閥值，同時電流高于電流閥值，可判定為出現(xiàn)負(fù)載短路，激活短路保護程序，控制開關(guān)模塊關(guān)斷負(fù)載輸出，延遲一段預(yù)設(shè)時間后，重新控制開關(guān)模塊開通負(fù)載供電，檢測電壓電流情況是否恢復(fù)正常，如恢復(fù)正常，開關(guān)模塊可持續(xù)開通；如未恢復(fù)正常，開關(guān)模塊關(guān)斷，延遲一段預(yù)設(shè)時間后再次嘗試開通；如連續(xù)3次嘗試后電壓電流仍未恢復(fù)正常，可判定此短路故障無法自行消除，PWM模塊和自升壓模塊將停止工作，開關(guān)模塊關(guān)斷負(fù)載，核心控制模塊也不再做恢復(fù)開通的嘗試，直至本智能開關(guān)斷電后重新上電為止。
【權(quán)利要求】
1.一種寬電壓適應(yīng)性的高效率智能高邊電子負(fù)載開關(guān)，其特征在于:所述智能高邊電子負(fù)載開關(guān)包括供電模塊(00)、核心控制模塊(11)、自舉升壓模塊(12)、電壓檢測模塊(13 )、電流檢測模塊(14 )和開關(guān)模塊(15 ); 所述核心控制模塊(11)的輸入端接口分別連接外部開關(guān)控制輸入、電壓檢測模塊和電流檢測模塊的輸入端，其輸出端接口分別連接自舉升壓模塊和開關(guān)模塊； 所述電壓檢測模塊(13)和電流檢測模塊(14)的輸入端分別與供電模塊連接，其輸出端連接核心控制模塊的輸入端接口； 所述自舉升壓模塊(12)的輸入端與核心控制模塊的輸出端接口連接，自舉升壓模塊的輸出端連接開關(guān)模塊； 所述供電模塊(00)輸入端與外部電源連接，輸出端分別連接所述核心控制模塊、自舉升壓模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊和開關(guān)模塊；所述供電模塊用于接受外部供電電源輸入，并為所述核心控制模塊、自舉升壓模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊和開關(guān)模塊提供相應(yīng)的供電和檢測接入點； 所述核心控制模塊(11)用于信號采集、信息處理、存儲和邏輯控制:一是接受外部開關(guān)控制輸入信號、 電流檢測模塊和電壓檢測模塊輸出的檢測信號，并按內(nèi)部存儲的程序處理分析監(jiān)控數(shù)據(jù)，控制開關(guān)模塊完成相應(yīng)動作，二是為自舉升壓模塊提供PWM控制信號； 所述電壓檢測模塊(13)用于檢測開關(guān)模塊的實時工作電壓，并將檢測數(shù)據(jù)傳遞給核心控制模塊處理分析； 所述電流檢測模塊(14)用于檢測開關(guān)模塊的實時工作電流，并將檢測數(shù)據(jù)傳遞給核心控制模塊處理分析； 所述自舉升壓模塊(12)用于接受核心控制模塊的控制，為開關(guān)模塊中的開關(guān)管提供所需的驅(qū)動電壓； 所述開關(guān)模塊(15)用于接受核心控制模塊的控制，執(zhí)行負(fù)載的通斷動作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬電壓適應(yīng)性的高效率智能高邊電子負(fù)載開關(guān)，其特征在于:所述核心控制模塊(11)包括數(shù)字微控制器模塊(110 )、內(nèi)部電源管理模塊(111 )、PWM模塊(112)、I/O控制器模塊(113)、非易失性存儲器模塊(114)、ADC模塊(115)和內(nèi)部時鐘模塊(116)； 所述數(shù)字微控制器模塊(110)是核心控制模塊的控制中心，用于執(zhí)行各種計算或指令； 所述內(nèi)部電源管理模塊(111)為數(shù)字微控制器模塊、非易失性存儲器模塊、I/O控制器模塊、ADC模塊、內(nèi)部時鐘模塊、PWM模塊提供合適的供電管控，一是用于接受數(shù)字微控制器模塊的控制，關(guān)閉或開啟除數(shù)字微控制器模塊以外其他模塊的供電，最小化系統(tǒng)電力消耗，二是用于獨立執(zhí)行電壓檢測:當(dāng)輸入電壓過低或不穩(wěn)時發(fā)送通知給數(shù)字微處理器模塊，使其及時采取措施避免出現(xiàn)控制紊亂；內(nèi)部電源管理模塊使用I號端口作為輸入負(fù)極，使用2端口作為輸入正極； 所述PWM模塊(112)用于根據(jù)數(shù)字微控制器的設(shè)定、產(chǎn)生一定頻率和占空比的穩(wěn)定PWM信號，并通過6號輸出端口驅(qū)動控制自舉升壓模塊的工作； 所述I/O控制器模塊(113)用于為核心控制模塊提供與數(shù)據(jù)交換和端口驅(qū)動的服務(wù)，并通過5號輸出端口控制開關(guān)模塊的通斷，通過7號輸入端口接收外部開關(guān)控制輸入的指令:或直接將數(shù)字式指令信號傳遞給數(shù)字微控制器模塊(110)分析，或?qū)⒛M式指令信號送ADC模塊(115)處理轉(zhuǎn)換后再提交給數(shù)字微控制器模塊(I 10)分析； 所述非易失性存儲器模塊(114)用于存貯判定閥值變量的配置數(shù)據(jù)，并在數(shù)字微控制器模塊(110)的控制下對內(nèi)數(shù)據(jù)進行寫入、擦除、讀取操作； 所述ADC模塊(115)為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于采集采樣點電壓，將所得數(shù)字信息轉(zhuǎn)換后傳送給數(shù)字微控制器模塊(110)處理，以監(jiān)控和判斷負(fù)載開關(guān)的工作電壓電流情況是否正常；ADC模塊使用3號端口作為電流檢測輸入口，4號端口作為電壓檢測輸入口 ； 所述內(nèi)部時鐘模塊(116 )用于為數(shù)字微控制器提供工作所需時鐘信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種寬電壓適應(yīng)性的高效率智能高邊電子負(fù)載開關(guān)，其特征在于:所述供電模塊(00)包括穩(wěn)壓管DZ1、二極管D1、線性調(diào)壓器N2、電阻Rl和電容Cl ； 所述線性調(diào)壓器N2用于對輸入電壓進行調(diào)整以輸出穩(wěn)定的低壓直流電供其他低壓電路模塊使用； 所述穩(wěn)壓管DZl用于吸收直流電源中的高壓脈沖，避免線性調(diào)壓器N2被擊穿，所述二極管Dl用于防止電流逆流、防止直流電源輸入極性變化影響線性調(diào)壓器N2 ； 所述電阻Rl和電容Cl組成低通濾波電路，用于濾除線性調(diào)壓器N2輸入端上的高頻紋波，以提高 線性調(diào)壓器N2輸出質(zhì)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種寬電壓適應(yīng)性的高效率智能高邊電子負(fù)載開關(guān)，其特征在于:所述電壓檢測模塊(13)包括電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7、集成運放N3A、集成運放N3B和穩(wěn)壓管DZ2 ； 所述電阻R2與電阻R3組成分壓電路以產(chǎn)生直流電源輸入的電壓采樣值，輸入給采用正向跟隨器接法的集成運放N3B ； 所述集成運放N3B用于隔離、穩(wěn)定采樣信號； 所述電阻R5、電阻R6、電阻R7與集成運放N3A組成差分放大器，用于對電壓采樣信號進行調(diào)整處理、并輸出給核心控制模塊進行分析； 所述穩(wěn)壓管DZ2和電阻R4用于為所述差分放大器提供穩(wěn)定的參考電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種寬電壓適應(yīng)性的高效率智能高邊電子負(fù)載開關(guān)，其特征在于:所述電流檢測模塊(14)包括電阻R8、電阻R9、電阻RlO、電阻Rl 1、電阻Rl2、電阻Rl3、電阻R14、電阻R15、電阻R16、電阻R17、電阻R18、集成運放N3C和集成運放N3D ； 所述電阻R8為采樣電阻，用于采集直流電源輸送給負(fù)載的總電流； 所述電阻R9、電阻R10、電阻Rll與電阻R12組成降壓電阻網(wǎng)絡(luò)，與由集成運放N3C和電阻R13、電阻R14、電阻R15、電阻R16組成的差分放大器共同對電流采樣信號進行調(diào)整處理，再輸送給核心控制模塊進行分析； 所述集成運放N3D和電阻R17、電阻R18為差分放大器提供靜態(tài)工作點電壓，以降低其放大失真。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種寬電壓適應(yīng)性的高效率智能高邊電子負(fù)載開關(guān)，其特征在于:所述自舉升壓模塊(12)包括電阻R19、電阻R20、電阻R21、電阻R22、電容C3、二極管D2、三極管V1、三極管V2、三極管V3、三極管V4和穩(wěn)壓管DZ3 ； 所述R19為限流電阻，其一端連接核心控制模塊的6號輸出端口、即PWM模塊輸出端口，另一端連接三極管Vl和三極管V2的發(fā)射極； 所述電阻R20和電阻R21組成分壓電路為PWM信號提供翻轉(zhuǎn)參考電平，提高翻轉(zhuǎn)效率； 所述電容C3為自舉電容，電阻R22與電容C3串接，用于電容C3充電的限流； 所述二極管D2用于阻止電容C3電流逆流、限制電容C3輸出電壓峰值，保護開關(guān)模塊；所述三極管V3和三極管V4分別通過三極管Vl和三極管V2的驅(qū)動，實現(xiàn)高低壓的隔離及低壓驅(qū)動高壓的通斷:當(dāng)PWM輸出高電平時，三極管Vl和三極管V3截止，三極管V2和三極管V4導(dǎo)通，直流電源通過D2和R22給自舉電容C3充電，電容C3充電完后保持兩端電壓與直流電源相同；當(dāng)PWM輸出變?yōu)榈碗娖街?，三極管Vl和三極管V3導(dǎo)通，三極管V2三極管V4截止，直流電源強行抬高電容C3負(fù)端電壓，使電容C3正極得到2倍于直流電源電壓的電動勢；用于驅(qū)動開關(guān)模塊中的高邊N溝道MOS管。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種寬電壓適應(yīng)性的高效率智能高邊電子負(fù)載開關(guān)，其特征在于:所述開關(guān)模塊(15)包括電阻R23、電阻R24、電阻R25、電阻R26、電阻R27、電阻R28、二極管D3、二極管D4、二極管D5、三極管V5、三極管V6、三極管V7、三極管V8、三極管V9、N溝道MOS管VlO和可調(diào)電阻器RPl ； 所述R23為限流電阻，其一端連接核心控制模塊的5號輸出端口，另一端連接三極管V5和三極管V6的發(fā)射極； 所述電阻R24與電阻R25組成分壓電路為核心控制模塊輸出的開關(guān)控制信號提供翻轉(zhuǎn)參考電平，提聞翻轉(zhuǎn)效率； 所述三極管V7和三極管V8分別通過三極管V5和三極管V6的驅(qū)動，實現(xiàn)高低壓的隔離、以及低壓驅(qū)動高壓的通斷:當(dāng)開關(guān)控制信號為低電平時，三極管V6和三極管V8截止，三極管V5和三極管V7導(dǎo)通，自舉升壓模塊輸出的高電壓通過限流電阻R26加到N溝道MOS管VlO的柵級，使得N溝道MOS管VlO導(dǎo)通，開始為負(fù)載供電；當(dāng)開關(guān)控制信號為高電平時，三極管V6和三極管V8導(dǎo)通，三極管V5和三極管V7截止，N溝道MOS管VlO柵極通過二極管D3快速放電拉低電壓，N溝道MOS管VlO迅速截止，切斷對負(fù)載的供電； 所述三極管V9、電阻R27與可調(diào)電阻器RPl組成負(fù)反饋電路，用于調(diào)節(jié)N溝道MOS管VlO柵極最大輸入電壓的大小，以保護N溝道MOS管VlO柵極不被過高電壓擊穿； 所述二極管D4、電阻R28與電容C4組成RC脈沖吸收電路，用于吸收由負(fù)載引發(fā)的N溝道MOS管VlO開通關(guān)斷過程中源極與漏極間的瞬時高壓脈沖，保護N溝道MOS管VlO不被擊穿; 所述二極管D5用于負(fù)載為感性情況下，在N溝道MOS管VlO關(guān)斷瞬間為負(fù)載續(xù)流，保護N溝道MOS管VlO不被擊穿。
【文檔編號】H03K17/082GK104079276SQ201410302416
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月28日
【發(fā)明者】何圣 申請人:柳州長虹機器制造公司