CN102130436B - 负载电流监控电路、方法和火灾报警控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种监控负载电流的电路、方法和火灾报警控制装置，该电路包括电源、用于感应所述负载电流的负载电流感应电阻、用于控制电源通断的主开关，还包括：用于控制主开关动作的MOSFET偏置电路，用于将流过负载电流感应电阻的负载电流值转换成电压值的放大电路，用于在所述电压值超过阈值时切断负载的供电路径，并发出过流状况指示信号的操作电路，以及用于将过流信号保持住的锁存电路。一旦电路负载电流超过预设的阈值，也就是说出现过流时，就会在50微秒内切断电源供电路径，锁定过流状态，避免影响控制器内的电路的正常供电。
Description
技术领域
本发明涉及电学，尤其涉及一种负载电流监控电路、方法和火灾报警控制装置。
背景技术
在火灾报警控制装置中，一般对于内部电路会有AC/DC电源。对于与控制器进行交互的用户的设备而言，其用电则会由另一个单独的电源来提供(如图1所示)。
用户希望从控制器电源中分出一定的电流，从而避免安装多余的电源带来的麻烦，同时也能节省成本(参见图2)。但是，用户的设备负载却是不可预知的，如果没有设置过流监控，用户的设备可能会使电源过载，从而影响控制器内的电路的正常供电。
发明内容
本发明旨在提供一种负载电流监控电路，可以用来监控用户设备的负载电流状态。
为实现上述目的，本发明提出了一种监控负载电流的电路，用于监控所述负载的电流，包括电源、用于感应所述负载电流的负载电流感应电阻、用于控制电源通断的主开关，还包括：
MOSFET偏置电路，用于控制主开关的动作，
放大电路，用于将流过负载电流感应电阻的负载电流值转换成电压值，
操作电路，用于在所述电压值超过阈值时切断所述电路的供电路径，并发出电路处于过流状态的指示信号，
锁存电路，用于将所述过流状态保持住。
优选地，还包括复位电路，用于将所述电路从过流锁存状态恢复到初始状态。
优选地，还包括指示电路，用于显示电路目前是否处于过流状态。
优选地，所述MOSFET偏置电路包括电源与主开关间的耦合电容，所述MOSFET偏置电路通过控制所述主开关的栅极电压，从而控制主开关的动作。
优选地，所述的主开关为P沟道功率MOSFET或者N沟道功率MOSFET。
优选地，所述的放大电路包括一轨到轨的运算放大器，用于将负载电流值按照预设的比例转换成电压值。
优选地，所述锁存电路包括一轨到轨的运算放大器，用于实现电压与阈值的比较并将过流状态保持住。
优选地，所述操作电路包括两个与所述主开关沟道类型相同的MOSFET，用于切断主开关。
优选地，所述操作电路还包括发光二极管，用于在出现过流状态时，在操作电路中的MOSFET的操作下点亮，指示出现过流状态。
优选地，所述复位电路包括第一开关和第二开关，第一开关为手动的开关按钮，或者是逻辑电平控制的MOSFET开关、或固态继电器、或由微控制器控制的光耦合器，当所述第二开关预先接地后，关闭第一开关，从而将电路进行复位；当所述第二开关预先接通电源时，关闭第一开关，从而将供电路径强行切断。
优选地，所述指示电路包括一微控制器过流监控设备，用于通过逻辑电平的变化来指示过载电流状态。
本发明还提供了一种火灾报警控制装置，包括如前任意所述的监控负载电流的电路。
本发明还通过了一种监控负载电流的方法，用于检测电路中的过载电流，该方法包括：按照预定比例将流过感应电阻的负载电流转换成电压值，将所述电压值与阈值进行比较，当所述电压值达到阈值时，确定有过载电流的状况存在，切断供电路径，并将过流状态保持住。
优选地，当确定有过载电流的状况存在时，通过发光二极管和/或者微控制器过流监控设备来指示。
利用本发明实施例所提供的监控负载电流的电路、方法和火灾报警控制装置，一旦电路负载电流超过预设的阈值，也就是说出现过流时，就会在50微秒内切断电源供电路径，锁定过流状态，避免影响控制器内的电路的正常供电。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，
图1是现有技术中的一种由单独的电源来供电的用户设备示意图；
图2是一种使用火灾报警控制器内部电源通过负载电流监控电路(集成在直流电源输出端口中)给用户设备供电的示意图；
图3是本发明提供的一种监控负载电流的电路结构示意图；
图4是本发明提供的另外一种监控负载电流的电路结构示意图；
图5是在一种场景下的电源上电和负载状况发生变化和复位开关进行操作时，负载电压和电流波形图；
图6是图5的部分详图；
图7是在另外一种场景下的电源上电和负载状况发生变化和复位开关进行操作时，负载电压和电流波形图；
图8是本发明第三种场景下的电源上电和负载状况发生变化和复位开关进行操作时，负载电压和电流波形图；
图9是本发明提供的一种监控负载电流的方法的流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
本发明提供了一种监控负载电流的电路，一旦超过预设的阈值，也就是说出现过流时，就会在50微秒内切断电源供电路径，锁定过流状态。在用户需要时，还可以复位电路，以便在过流状况消除后，设法恢复电源供电。在第一次上电和复位电源阶段，还会考虑到上电电压上升速率的控制。
一种监控负载电流的电路，包括负载、电源、用于感应所述负载电流的负载电流感应电阻、用于控制电源通断的主开关，还包括：
MOSFET偏置电路1，用于控制所述主开关的栅极电压，从而控制主开关的动作。
放大电路2，用于将流过负载电流感应电阻的负载电流值转换成电压值，在不进行放大的情况下，比较阈值对精度的要求比较敏感，易因温度变化或电压波动而导致误动作。
操作电路3，用于在所述电压值超过阈值时切断供电路径，并发出过流状况指示信号，在本申请中，将出现此种状况信号时的电路称为电路处于“过流状态”。
锁存电路5，用于在收到所述指示信号后，通过运算放大器的正反馈将过流信号保持住，在本申请中，将对过流信号的此种操作称为“锁存”，将处于此种状态的电路称为电路处于“锁存状态”或者“过流锁存状态”。
另外，还包括了复位电路4，用于将电路从锁存状态恢复到初始状态，
还包括了指示电路6，用于通知微控制器目前是否处于过流状态。
其中，所述MOSFET偏置电路1包括电源V1和主开关M1之间耦合的电容C1。
其中，所述的主开关M1为P沟道功率MOSFET或者N沟道功率MOSFET。
其中，所述的放大电路2包括一轨到轨的运算放大器U1，用于将负载电流值按照预设的比例转换成电压值。
其中，所述锁存电路5包括一轨到轨的运算放大器U2，用于实现电压比较并将过流状态锁存。
其中，所述操作电路3包括两个与所述主开关沟道类型相同的MOSFETM2、M3，用于在过流状况发生时切断主开关M1并点亮过流状态指示灯D4。
其中，所述复位电路4包括第一开关S1和第二开关S2，第一开关S1为手动的开关按钮，或者是逻辑电平控制的MOSFET开关、或固态继电器、或由微控制器控制的光耦合器，当所述第二开关S2预先接地后，关闭第一开关S1，从而将电路进行复位；当所述第二开关S2预先接通电源时，关闭第一开关S1，从而将供电路径强行切断。
其中，所述指示电路6包括一微控制器过流监视设备，用于通过逻辑电平的变化来检测过载电流。
其中，所述操作电路3包括一发光二极管D4，用于在出现过流状态时进行指示。
如图3所示的本发明电路的一种实施例，包括电源(V1)、用于电流检测并连接电源(V1)的负载电流感应电阻(R1)、用于控制电源通断的主开关(M1)以及用于避免M1的漏极在空载情况下浮空的空载偏置电阻(RS2)，另外还包括用于控制M1的栅极电压的MOSFET偏置电路1、用于将负载电流值转换成成比例的电压值的放大电路2、用于切断供电路径和过流指示的操作电路3、用于从锁存状态恢复到初始状态的复位电路4、用于将过流保护状态保持住的锁存电路5，以及可以让微控制器知道目前电路是否处于过流保护状态的指示电路6。在本实施例中，主开关M1可以是P沟道功率MOSFET或者称上位开关，也可以如图4所示为N沟道功率MOSFET或者称下位开关。
现在以一个完整的实施例来说明本发明提供的电路的工作原理。
在开启电源时，电容C1会在主开关M1的栅极和源极之间提供一条短路通路，使M1保持在关闭状态。当电源稳定后，电容C1会通过电阻R5放电，电源开关M1会平稳打开。这一特征使得电路可以连接大容量电源，通常这种电源的上电电压上升速率非常低，比如为1V/ms。同样，缓慢的电源开启速度也可以承受较大的容性负载或者冷灯丝，而不致于造成较大的上电冲击电流。
借助于运算放大器U1和U2(运算放大器为轨到轨输出，具有1V/μs的压摆率)，并且M2和M3的开关速度较快，可以将发生过载电流状况到完全关闭M1的时间控制在50μs之内。
具体而言，三极管Q1的集电极电压和流过M1的电流成正比，正常状态下该电压小于R8和D2设置的阈值，一旦过流状况发生，运算放大器U2的输出会被驱动到电压上轨，该电压会导致M3被切断，M2的栅极被R10拉低，M2导通，M1的栅极被拉高至与源极电压相同，因此M1被切断。这样，根据U1和U2的输入变化到输出变化的响应速度，可以将发生过载电流状况到完全关闭M1的时间控制在50μs之内。
对于功率MOSFET而言，50μs的脉冲电流额定值会非常高，比如为100A，所以降低了对限流电阻RS8阻值的要求，这有助于降低电路的输出电阻。
当开关S2预先接地以后，一旦过载电流状况消除，便可以通过关闭开关S1，复位电路的过流锁存状态。开关M1可以在不重新启动电源的情况下再次平稳启动。S1可以是个手动的开关按钮，或者是逻辑电平控制的MOSFET开关、或固态继电器、或由微控制器控制的光耦合器。如果复位信号按照程控定时的方式进行控制，在消除过载电流状况后，电路可以自动地进行复位重试，从而自动重新开启电源，而无需人工介入。如果S2预先接通电源，S1开关接通之后便会强制切断M1。
在主开关采用上位开关时，当负载电阻为8Ω，负载电容为300μF时，电源以1V/ms的上电电压上升速率从0升到24V。在第70ms时再增加一个8Ω的负载电阻，从而加大负载电流，使其产生过流状况，第80ms时从负载中去掉新增加的8Ω的负载电阻，在第90ms开启复位开关S1，在第100ms关闭复位开关S1，并在第150ms时负载短路，第160ms从负载中去掉短路，图5为负载电压和电流的波形图，图6为在短路时的电压波形详图。
同样采用上位开关作为主开关时，当负载短路而S2预先接地时，电源以1V/ms的上电电压上升速率从0升到24V，并在第100ms时从负载中去掉短路，增加一个8Ω的负载电阻和300μF的负载电容，并在第120ms时开启复位开关S1，在第130ms时关闭复位开关S1，图7示出了这种场景下的负载电压和电流的波形图。
在第三种场景下，首先增加一个8Ω的负载电阻，并将开关S2连接到24V的电源上，电源以1V/ms的上电电压上升速率从0升到24V，在第80ms时开启复位开关S1，在第100ms关闭复位开关S1，图8示出了这种情况下的负载电压和电流的波形图。
可以看到，通过以上三个不同的场景，一旦出现过流时，就会在50微秒内切断电源供电路径，锁定过流状态。
另外，可以通过图3中的发光二极管LEDD4或者指示电路中的逻辑电平变化来直观地指示过载电流，使得用户可以知道目前电路是否处于过流保护状态，如图3所示，当发光二极管LEDD4发光时，可以很直观地告知目前电路处于过流保护状态。
本发明还提供了另外一种实施例，如图4所示，其中主开关M1为N沟道功率MOSFET或者称下位开关，详细的工作原理与图3所示的方案大致相同，此处不再赘述。
本发明还提供了一种包括以上任意一种监控负载电流的电路的火灾报警控制装置，一旦超过预设的阈值，也就是说出现过流时，就会在50微秒内切断电源供电路径，锁定过流状态。在用户需要时，还可以复位电路，以便在过载状况消除后，设法恢复电源供电。在第一次上电和复位电源阶段，还会考虑到上电电压上升速率的控制。
另外，本发明还提供了一种负载电流的检测方法，如图9所示，用于检测由火灾报警控制器供电的用户设备的过载电流，在电源上电(S100a)后，主开关开启(S100b)，然后按照预定比例将流过感应电阻的负载电流转换成电压值(S101)，将所述电压值与阈值进行比较(S102)，当所述电压值没有达到阈值时，正常供电(S103)，而当所述电压值达到阈值时，确定有过载电流的状况存在(S104)。
同时，当出现过载电流时，切断供电路径，并将过流状态保持住，当确定有过载电流的状况存在时，还可以通过发光二极管和/或者微控制器过流监视设备来指示(S105)，并通过复位开关将电路从锁存状态恢复到初始状态(S106)，随后主开关开启(S100b)，继续对负载电流进行监测。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。
Claims (11)
1.一种监控负载电流的电路，用于监控所述负载的电流，其特征在于，包括电源、用于感应所述负载电流的负载电流感应电阻(R1)，所述负载电流感应电阻(R1)一端连接到电压源(V1)的正极、串联于所述负载电流感应电阻和负载之间用于控制电源通断的主开关(M1)，还包括：
MOSFET偏置电路(1)，用于控制主开关(M1)的动作，
放大电路(2)，用于将流过负载电流感应电阻的负载电流值转换成电压值；
锁存电路(5)，用于将所述放大电路输出的电压值与一个阈值进行比较，并在所述电压值超出所述阈值时将其输出保持在过流状态，其中所述锁存电路(5)包括第一运算放大器(U2)，第一运算放大器(U2)的同向端(+)接收所述放大电路(2)输出的电压值，所述第一运算放大器的反向端(-)接收所述阈值，且在所述第一运算放大器(U2)的输出端和其同向端之间连接有反馈电阻(R4)；
操作电路(3)，用于在所述锁存器保持在过流状态时切断所述负载的供电路径，并发出电路处于过流状态的指示信号；
复位电路(4)，用于将所述锁存电路(5)的输出从过流状态恢复到初始状态，且所述复位电路(4)包括第一开关(S1)，该第一开关(S1)的一端耦合到所述第一运算放大器(U2)的同向端，该第一开关(S1)若在该第一开关的另一端预先连接到地的情况下导通，则所述锁存电路(5)的输出从过流状态恢复到初始状态。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括指示电路，耦合到所述锁存电路，用于显示所述电路目前是否处于过流状态。
3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述MOSFET偏置电路包括连接在电源(V1)与主开关(M1)间的耦合电容，所述MOSFET偏置电路控制所述主开关的栅极电压。
4.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述的主开关为P沟道功率MOSFET或者N沟道功率MOSFET。
5.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述的放大电路包括一轨到轨的第二运算放大器(U1)，用于将负载电流值按照预设的比例转换成电压值。
6.如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述操作电路包括两个与所述主开关沟道类型相同的MOSFET，用于切断主开关。
7.如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述操作电路还包括发光二极管，用于在出现过流状态时，在所述操作电路中的MOSFET的操作下点亮，指示出现过流状态。
8.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述复位电路还包括与所述第一开关(S1)串联的第二开关(S2)，所述第二开关(S2)能够选择性地预先连接到地或连接到电源，当所述第二开关(S2)预先接地时，关闭第一开关(S1)，从而将所述电路进行复位；当所述第二开关(S2)预先接通电源(V1)时，关闭第一开关，从而将供电路径切断。
9.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一开关(S1)为手动的开关按钮，或者是逻辑电平控制的MOSFET开关、或固态继电器、或由微控制器控制的光耦合器。
10.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述指示电路包括一微控制器过流监视设备，用于通过检测逻辑电平的变化来指示电路是否处于过载状态。
11.一种火灾报警控制装置，其特征在于，包括如权利要求1至10任意一项所述的监控负载电流的电路。
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