CN102324920B - 一种适用于航天器直流电源系统的故障隔离电子开关 - Google Patents

Abstract

一种适用于航天器直流电源系统的故障隔离电子开关，包括用于功率传输控制的功率MOS管M1，用于电流检测的电阻R0，用于提供电流续流回路的续流二极管D1，用于抑制浪涌电流和尖峰电压的带缓开通慢关断的功率驱动电路，用于实现电路反时限保护功能的延时跳闸电路，用于传递状态、控制信息的隔离控制电路。带缓开通慢关断的功率驱动电路的输出进入逻辑控制，控制功率MOS管M1的开通与关断，以此来控制固态功率电子开关，延时跳闸电路的输出进入逻辑控制，产生驱动信号，控制功率MOS管M1的开通与关断，以此实现反时限立即保护，隔离控制电路的输入输出信号与功率电路电气隔离。本发明的功率驱动电路采用缓开通慢关断技术，能够有效抑制容性负载和感性负载引起的浪涌电流和尖峰电压，提高电子开关的带载能力，确保设备安全、稳定、可靠地工作。

Description

一种适用于航天器直流电源系统的故障隔离电子开关

技术领域

本发明涉及一种故障隔离电子开关，特别是涉及一种适用于航天器直流电源系统的故障隔离电子开关，属于电子技术领域。

背景技术

随着航天技术的飞速发展，航天器电源系统的功率容量不断增加，为了更好的体现出高压供电线缆损耗小的优势，从载人二期、三期空间站、DFH-4平台以及导航二期都准备或已经采用100V高压一次母线，对电源配电系统高可靠、长寿命、大功率提出了更高的要求。传统机械触点继电器通过对线包的通断电使其内部的触点接触或者断开来实现通断控制，常会因为触点电流过大而使触点粘连，以致继电器无法断开，此外继电器还存在触头接触不牢靠，触桥变形造成接触，不良吸合、分断时拉弧导致触头磨损过快等缺点，使得传统机械触点继电器的配电模式可靠性较低，已无法满足需求。

以功率MOS管为配电元件的电子开关以其无触点、无电弧、无噪声、响应快、电磁干扰小、寿命长、可靠性高等优点，势必取代继电器，成为未来宇航能源配电系统的关键部件。

目前，国内外研制与广泛应用的电子开关，以直流270V、直流28V与交流电子开关为主，具备开关控制、短路保护等功能。由于这些产品在电路中主要起到安全开关的作用，即短路故障时关断，正常时开通，不需要根据负载类型的不同而进行相应的延时处理。但是，这种开关控制地与功率地在电气上没有隔离，功率线上大的扰动将会影响控制信号的可靠性。因此这些产品无法直接在航天领域应用。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有无触点、无电弧、无噪声、响应快、电磁干扰小、寿命长、可靠性高等优点的航天器直流电源系统的故障隔离电子开关。

本发明的技术解决方案是：一种适用于航天器直流电源系统的故障隔离电子开关，包括带缓开通慢关断的功率驱动电路、延时跳闸电路、隔离控制电路和功率回路电路，其中所述的功率回路电路由功率MOS管M1、电流检测电阻R0和续流二极管D0组成，续流二极管D0两端并联负载，功率MOS管M1的漏极接外部电源，外接电源输入功率输入信号POWER IN到功率MOS管M1的漏极，功率MOS管M1的源极连接电流检测电阻R0的I端并连接GND，电流检测电阻R0的II端连接延时跳闸电路和续流二极管D0的阴极，续流二极管D0的阳极接地，外部控制信号CMD通过隔离控制电路隔离后输出开关控制信号CMD_CTL到带缓开通慢关断的功率驱动电路，经带缓开通慢关断的功率驱动电路的延时后输出栅极驱动信号MOS_CTL到功率MOS管M1的栅极控制功率MOS管M1的导通与关断，功率MOS管M1导通后，功率输入信号POWER IN经控制功率MOS管M1流过电流检测电阻R0，在电流检测电阻R0上产生电压分压信号VOL_TM输入到延时跳闸电路，在延时跳闸电路中经过抬压、放大、积分和比较后，输出跳闸保护信号TRIP_CMD到带缓开通慢关断的功率驱动电路，延时跳闸电路同时输出负载状态信号LOAD_ST和MOS管状态信号MOS_ST至隔离控制电路，隔离控制电路将信号隔离后输出，带缓开通慢关断的功率驱动电路根据跳闸保护信号TRIP_CMD产生栅极驱动信号MOS_CTL到功率MOS管M1的栅极控制功率MOS管M1的导通与关断，实现反时限保护和短路保护。

所述的带缓开通慢关断的功率驱动电路包括与非门U4A～U4D、电阻R7～R17、电容C1～C2、高速开关二极管D1～D2、稳压二极管D3和三极管T1～T5，电阻R7的II端、三极管T1的基极和三极管T2的基极与隔离控制电路连接，三极管T1的集电极与电阻R8的II端和电阻R9的I端连接，电阻R9的II端与电容C1的I端、二极管D2的阳极、三极管T4的基极和三极管T5的基极连接，电容C1的II端与电阻R10的I端和二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极与电阻R10的II端连接，电阻R10的II端连接电阻R12的I端，三极管T2的集电极连接电阻R11的II端，三极管T2的集电极与与非门U4A的输入II端和与非门U4D的输入I端连接，与非门U4A的输入I端与延时跳闸电路(2)连接，与非门U4A的输出端连接与非门U4B的输入II端，与非门U4B的输出端连接与非门U4D的输入II端，与非门U4D的输出端连接与非门U4B的输入I端、与非门U4C的输入I端和非门U4C的输入II端，与非门U4C的输出端连接电阻R13的I端，电阻R13的II端连接三极管T3的基极，三极管T3的集电极连接电阻R14的I端，电阻R14的II端与电阻R15的II端、二极管D2的阴极和电容C2的I端连接，三极管T4的发射极与三极管T5的发射极和电阻R16的I端连接，电阻R16的II端与稳压二极管D3的阳极、电阻R17的I端和功率MOS管M1的栅极连接，电阻R7的I端、电阻R8的I端、电阻R11的I端和电阻R15的I端连接+15V，三极管T1的发射极、三极管T2的发射极、三极管T3的发射极、电容C2的II端、稳压二极管D3的阴极、电阻R12的II端和电阻R17的II端连接GND。

所述的延时跳闸电路由延时跳闸主电路、参考电压产生电路、电流状态检测电路和电压状态检测电路组成，+15V电压信号经过参考电压产生电路生成参考电压信号REF5V分别送入延时跳闸主电路、电流状态检测电路和电压状态检测电路，电流检测电阻R0上产生的电压分压信号VOL_TM输入到延时跳闸主电路和电压状态检测电路，延时跳闸主电路对电压分压信号VOL_TM进行抬压、放大和积分后与参考电压信号REF5V积分放大后进行比较，输出跳闸保护信号TRIP_CMD信号送入带缓开通慢关断的功率驱动电路与非门U4A的输入I端，延时跳闸主电路对电压分压信号VOL_TM进行放大后输出放大电压信号VM到电流状态检测电路，电流状态检测电路对放大电压信号VM进行放大抬压后与参考电压信号REF5V分压后进行比较，生成输出负载状态信号LOAD_ST输出到隔离控制电路，电压状态检测电路对电压分压信号VOL_TM进行衰减滤波后与参考电压信号REF5V分压后进行比较，输出MOS管状态信号MOS_ST到隔离控制电路。

所述的延时跳闸主电路包括电阻R18～R28、电容C3～C4、放大器U5A～U5C、比较器U6A～U6B和二极管D4～D5，电阻R18的I端、电容C3的I端和放大器U5A的输入I端与电流检测电阻R0的II端连接，放大器U5A的输出端输出放大电压信号VM到放大器U5A的输入II端、电阻R19的II端和电流状态检测电路，电阻R19的I端与放大器U5B的输入I端连接，电阻R20的I端与放大器U5B的输入II端和电阻R21的II端连接，电阻R21的I端连接放大器U5B的输出端，放大器U5B的输出端与电阻R25的II端、比较器U6A的输入I端和比较器U6B的输入I端连接，电阻R25的I端连接放大器U5C的输入II端，放大器U5C的输入I端连接电阻R24的I端，电阻R24的II端与电阻R23的I端和电阻R22的I端连接，电容C4的II端与放大器U5C的输入II端连接，电容C4的I端与放大器U5C的输出端连接，放大器U5C的输出端连接比较器U6B的输入II端，比较器U6B的输入I端连接放大器U5C的输出端，比较器U6B的输出端连接二极管D5的阳极，比较器U6A的输入I端连接放大器U5B的输出端，比较器U6A的输入II端连接电阻R26的I端和电阻R27的II端，比较器U6A的输出端连接二极管D4的阳极，二极管D4的阴极连接二极管D5的阴极、电阻R28的II端和带缓开通慢关断的功能驱动电路，电阻R23的II端连接参考电压产生电路，电阻R27的I端连接+15V，电阻R20的II端、电阻R22的II端、电阻R26的II端和电阻R28的I端连接GND。

所述的电流状态检测电路包括电阻R29～R41、放大器U5D、放大器U7A、比较器U6C和二极管D7，电阻R34的II端连接延时跳闸主电路的放大器U5A的输出端，电阻R34的I端连接放大器U5D的输入I端，电阻R35的I端连接放大器U5D的输入II端和电阻R36的II端，放大器U5D的输出端连接电阻R36的I端和电阻R37的II端，电阻R37的I端连接电阻R38的I端、电阻R40的I端和放大器U7A的输入I端，电阻R29的II端和电阻R38的II端连接参考电压产生电路，电阻R41的I端连接放大器U7A的输入II端和电阻R39的II端，放大器U7A的输出端连接电阻R39的I端和R31的II端，电阻R31的I端连接比较器U6C的输入I端和电阻R32的II端，电阻R29的I端连接电阻R30的I端和比较器U6C的输入II端，比较器U6C的输出端连接二极管D7的阳极、电阻R33的II端和隔离控制电路，二极管D7的阴极连接电阻R32的I端，电阻R33的I端连接+15V，电阻R30的II端、电阻R35的II端、电阻R40的II端和电阻R41的II端连接GND。

所述的电压状态检测电路包括电阻R42～R51、放大器U7B、放大器U7C、电容C6、比较器U6D和二极管D8，电阻R42的II端与电流检测电阻R0的II端连接，电阻R42的I端连接电阻R44的II端和放大器U7B的输入I端，电阻R43的I端连接放大器U7B的输入II端和电阻R45的II端，放大器U7B的输出端连接R45的I端和电阻R46的II端，电阻R46的I端连接电容C6的I端和放大器U7C的输入I端，放大器U7C的输出端连接放大器U7C的输入II端和电阻R47的II端，电阻R47的I端连接电阻R50的II端和比较器U6D的输入I端，电阻R48的I端连接电阻R49的I端和比较器U6D的输入II端，电阻R48的II端连接参考电压产生电路，比较器U6D的输出端连接二极管D8的阳极、电阻R51的II端和隔离控制电路，二极管D8的阴极连接电阻R50的I端，电阻R51的I端连接+15V，电阻R43的II端、电阻R44的I端、电阻R49的II端和电容C6的II端连接GND。

所述的参考电压产生电路包括电阻R52、二极管D6和电容C5，电阻R52的I端连接+15V，电阻R52的II端连接二极管D6的阴极、电容C5的I端、延时跳闸主电路、电流状态检测电路和电压状态检测电路，二极管D6的阳极和电容C5的II端连接GND。

所述的功率MOS管M1为N沟道功率MOS管。

所述的隔离控制电路由用于外部控制信号CMD隔离的光电耦合器、用于负载状态信号LOAD_ST隔离的光电耦合器和用于MOS管状态信号MOS_ST隔离的光电耦合器组成。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明的功率驱动电路采用缓开通慢关断技术，能够有效抑制容性负载和感性负载引起的浪涌电流和尖峰电压，提高电子开关的带载能力，确保设备安全、稳定、可靠地工作；

(2)本发明的延时跳闸电路采用反时限延时跳闸技术，根据负载的过流程度，确定延时保护的时间，同时采用立即保护技术，当负载发生短路故障时，以微秒级速度关断MOS管，切断故障负载供电，避免故障蔓延；

(3)本发明采用隔离控制电路，有效避免了功率信号对数字信号的干扰，提高了信号检测的精度；

(4)本发明采用了N沟道功率MOS管作为开关代替传统机械触点继电器，通过驱动电路与保护电路实现电源系统的故障隔离，提高了电源配电的可靠性与使用寿命，适用于各种航天器直流电源系统。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图；

图2为本发明隔离控制电路原理图；

图3为本发明带缓开通慢关断的功率驱动电路原理图；

图4为本发明功率回路电路原理图；

图5为本发明故延时跳闸电路原理框图；

图6为本发明延时跳闸电路中的延时跳闸主电路原理图；

图7为本发明延时跳闸电路中的参考电压产生电路原理图；

图8为本发明延时跳闸电路中的电流状态检测电路原理图；

图9为本发明延时跳闸电路中的电压状态检测电路原理图。

具体实施方式

本发明如图1所示，带缓开通慢关断的功率驱动电路1、延时跳闸电路2、隔离控制电路3和功率回路电路，功率回路电路由功率MOS管M1、电流检测电阻R0和续流二极管D0组成。续流二极管D0两端并联负载，用作在关断感性负载时提供续流回路，功率MOS管M1的漏极接外部电源，外接电源输入功率输入信号POWER IN到功率MOS管M1的漏极，功率MOS管M1的源极连接电流检测电阻R0的I端并连接GND，电流检测电阻R0的II端连接延时跳闸电路2和续流二极管D0的阴极，续流二极管D0的阳极接地，外部控制信号CMD通过隔离控制电路3隔离后输出开关控制信号CMD_CTL到带缓开通慢关断的功率驱动电路1，经带缓开通慢关断的功率驱动电路1的延时后输出栅极驱动信号MOS_CTL到功率MOS管M1的栅极控制功率MOS管M1的导通与关断，功率MOS管M1导通后，功率输入信号POWER IN经控制功率MOS管M1流过电流检测电阻R0，在电流检测电阻R0上产生电压分压信号VOL_TM输入到延时跳闸电路2，在延时跳闸电路2中经过抬压、放大、积分和比较后，输出跳闸保护信号TRIP_CMD到带缓开通慢关断的功率驱动电路1的逻辑控制电路，延时跳闸电路2同时输出负载状态信号LOAD_ST和MOS管状态信号MOS_ST至隔离控制电路3，隔离控制电路3将信号隔离后输出，带缓开通慢关断的功率驱动电路1的逻辑控制电路根据跳闸保护信号TRIP_CMD产生栅极驱动信号MOS_CTL到功率MOS管M1的栅极控制功率MOS管M1的导通与关断，实现反时限保护和短路保护。

隔离控制电路3如图2所示，由用于外部控制信号CMD隔离的光电耦合器、用于负载状态信号LOAD_ST隔离的光电耦合器和用于MOS管状态信号MOS_ST隔离的光电耦合器组成。外部控制信号CMD连接光电耦合器U1二极管阴极，光电耦合器U1二极管阳极与限流电阻R1的II端连接，R1的I端连接+5V；光电耦合器U1集电极连接电阻R2的II端，同时连接图3所示带缓开通慢关断的功率驱动电路的三极管T1的基极；电阻R2的I端连接+15V，光电耦合器U1发射极连接GND；外部控制信号CMD经光电耦合器U1隔离后输出开关控制信号CMD_CTL。图9所示电压状态检测电路的比较器U6D的输出端输出MOS管状态信号MOS_ST至光电耦合器U2二极管阳极，光电耦合器U2二极管阴极连接电阻R4的II端，R4的I端连接GND；光电耦合器U2集电极连接+5V，发射极连接电阻R3的II端，R3的I端连接+5V地；MOS管状态信号MOS_ST经光电耦合器U2隔离后，从光电耦合器U2发射极输出MOS信号。图8所示电流状态检测电路的比较器U6C的输出端输出负载状态信号LOAD_ST至光电耦合器U3二极管阳极，光电耦合器U3二极管阴极连接电阻R6的II端，R6的I端连接GND；光电耦合器U3集电极连接+5V，发射极连接电阻R5的II端，R5的I端连接+5V地；负载状态信号LOAD_ST经光电耦合器U3隔离后，从光电耦合器U3发射极输出LOAD信号。

带缓开通慢关断的功率驱动电路1如图3所示，包括与非门U4A～U4D、电阻R7～R17、电容C1～C2、高速开关二极管D1～D2、稳压二极管D3和三极管T1～T5。其中三极管T2、电阻R11、与非门U4 A～U4D、电阻R13、三极管T3、电阻R14、高速开关二极管D2和电容C2组成了逻辑控制电路，判断延时跳闸电路2输入的跳闸保护信号TRIP_CMD；电阻R8、R9、R10、R12、电容C1、高速开关二极管D1和三极管T1组成RC网络，控制该开关的开通和关断时间，降低开通和关断过程中的du/dt和di/dt，提高电路的可靠性；与非门U4B和U4C构成锁存电路，三极管T4、T5构成驱动电路。

由隔离控制电路3输出的开关控制信号CMD_CTL经过三极管T2的基极，由集电极输入与非门U4A的一个输入端，延时跳闸电路2输出的跳闸保护信号TRIP_CMD输入至与非门U4A的另一个输入端，与非门U4A输出端的输出信号经过两个与非门U4B和U4C构成的锁存电路输出至第四个与非门U4D，最后经另一个三极管T3的集电极输出至由两个三极管T4、T5构成的驱动电路；由隔离控制电路3输出的开关控制信号CMD_CTL经过三极管T1的集电极输出，经过由电阻和电容组成的RC网络后，输出至由两个三极管T4、T5构成的驱动电路；最后，经过由两个三极管T4、T5构成的驱动电路，输出栅极驱动信号MOS_CTL至功率MOS管M1的栅极，以此控制功率MOS管M1的导通与关断。

带缓开通慢关断的功率驱动电路1具体连接关系如下：电阻R7的II端、三极管T1的基极和三极管T2的基极与隔离控制电路3连接，三极管T1的集电极与电阻R8的II端和电阻R9的I端连接，电阻R9的II端与电容C1的I端、二极管D2的阳极、三极管T4的基极和三极管T5的基极连接，电容C1的II端与电阻R10的I端和二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极与电阻R10的II端连接，电阻R10的II端连接电阻R12的I端，三极管T2的集电极连接电阻R11的II端，三极管T2的集电极与与非门U4A的输入II端和与非门U4D的输入I端连接，与非门U4A的输入I端与如图6所示延时跳闸主电路的二极管D5的阴极连接，与非门U4A的输出端连接与非门U4B的输入II端，与非门U4B的输出端连接与非门U4D的输入II端，与非门U4D的输出端连接与非门U4B的输入I端、与非门U4C的输入I端和非门U4C的输入II端，与非门U4C的输出端连接电阻R13的I端，电阻R13的II端连接三极管T3的基极，三极管T3的集电极连接电阻R14的I端，电阻R14的II端与电阻R15的II端、二极管D2的阴极和电容C2的I端连接，三极管T4的发射极与三极管T5的发射极和电阻R16的I端连接，电阻R16的II端与稳压二极管D3的阳极、电阻R17的I端和如图4所示功率回路电路的功率MOS管M1的栅极连接，电阻R7的I端、电阻R8的I端、电阻R11的I端和电阻R15的I端连接+15V，三极管T1的发射极、三极管T2的发射极、三极管T3的发射极、电容C2的II端、稳压二极管D3的阴极、电阻R12的II端和电阻R17的II端连接GND。

带缓开通慢关断的功率驱动电路1工作流程如下：当开通的外部控制信号CMD(CMD为低电平信号)发出后，CMD_CTL信号为低电平，三极管T1、T2关断，三极管T1的集电极为高电平，与非门U4A的II输入端为高电平，与非门U4A的I输入端为低电平，与非门U4C的输出端为低电平，三极管T3截止，功率MOS管的栅极驱动信号MOS_CTL为高电平，电路开通；当关断的外部控制信号CMD(CMD为高电平信号)发出后，CMD_CTL信号为高电平，三极管T1、T2开通，三极管T1的集电极为低电平，与非门U4A的II输入端为低电平，与非门U4A的I输入端为低电平，与非门U4C的输出端为低电平，三极管T3截止，功率MOS管的栅极驱动信号MOS_CTL为低电平，电路关断；当负载发生短路或过流时，与非门U4A的I输入端为高电平(与非门U4A的II输入端也为高电平)，与非门U4C的输出端为高电平，三极管T3开通，功率MOS管的栅极驱动信号MOS_CTL为低电平，关断电路。

功率回路电路如图4所示，由功率MOS管M1、电流检测电阻R0和续流二极管D0组成，其中功率MOS管M1为N沟道功率MOS管，电流检测电阻R0应选用温度系数小于50ppm/K的高精度、低阻值、大功率电阻，应能够承受四倍开关额定工作电流的过流情况，确保在这种情况下，R0不会损坏。续流二极管D0两端并联负载，用作在关断感性负载时提供续流回路，功率MOS管M1的漏极接外部电源，外接电源输入功率输入信号POWER IN到功率MOS管M1的漏极，功率MOS管M1的源极连接电流检测电阻RO的I端并连接GND，电流检测电阻R0的II端连接如图6所示延时跳闸主电路的放大器U5A的输入I端和续流二极管D0的阴极，续流二极管DO的阳极接地。功率MOS管M1导通后，电流流过电流检测电阻R0，产生电压分压信号VOL_TM，该信号送至如图5所示的延时跳闸电路2中。

延时跳闸电路如图5所示，由延时跳闸主电路、参考电压产生电路、电流状态检测电路和电压状态检测电路组成。+15V电压信号经过参考电压产生电路生成参考电压信号REF5V分别送入延时跳闸主电路、电流状态检测电路和电压状态检测电路，电流检测电阻R0上产生的电压分压信号VOL_TM输入到延时跳闸主电路和电压状态检测电路，延时跳闸主电路对电压分压信号VOL_TM进行抬压、放大和积分后与参考电压信号REF5V积分放大后进行比较，输出跳闸保护信号TRIP_CMD信号送入如图3所示带缓开通慢关断的功率驱动电路1的与非门U4A的输入I端，延时跳闸主电路对电压分压信号VOL_TM进行放大后输出放大电压信号VM到电流状态检测电路，电流状态检测电路对放大电压信号VM进行放大抬压后与参考电压信号REF5V分压后进行比较，生成输出负载状态信号LOAD_ST输出到如图2所示隔离控制电路3的光电耦合器U3二极管阳极，电压状态检测电路对电压分压信号VOL_TM进行衰减滤波后与参考电压信号REF5V分压后进行比较，输出MOS管状态信号MOS_ST到如图2所示隔离控制电路3的光电耦合器U2二极管阳极。

延时跳闸电路主电路如图6所示，包括电阻R18～R28、电容C3～C4、放大器U5A～U5C、比较器U6A～U6B和二极管D4～D5。电阻19～21、放大器U5A～U5B组成抬压放大电路；反时限保护电路由积分电路和比较电路组成，其中放大器U5C、电容C4和电阻R22～25组成积分电路，比较器U6A～U6B、二极管D4～D5和电阻R26～28构成比较电路；电容C3和电阻R18构成滤波电路。

延时跳闸电路主电路工作原理如下：

(1)电流检测电阻R0上产生的电压分压信号VOL_TM经过滤波电路后输出至抬压放大电路，信号经放大抬压后得到LCS信号输出至积分电路和比较电路的比较器U6A和U6B，同时参考电压产生电路输出参考电压信号REF5V(开关的额定电压)到积分电路。

(2)在比较器U6A中比较LCS信号和15V经电阻R26和R27分压后电压(此电压分压值根据实际情况设定的立即保护电压，通过调整电阻R26和R27阻值来改变电压分压值)，LCS信号若比立即保护电压大，则比较器U6A输出端会输出高电平的反时限保护信号TRIP_CMD至带缓开通慢关断的功率驱动电路1的逻辑控制电路，立即关断电路，实现开关的过载立即保护；若LCS信号小于立即保护电压，此时比较器U6B输出反时限保护信号TRIP_CMD，由于进入比较器U6B的数值要经过积分电路，因此会产生一定的时延，实现开关的延时保护。

(3)进入积分电路的参考电压信号REF5V与LCS信号进行积分，经计算，将额定电压放大一定倍数后的电压信号(此电压信号为根据实际情况设定的反时限保护电压，通过调整积分电路中各部件的数值来改变，反时限保护电压小于立即保护电压)输出至比较电路的比较器U6B，在比较器U6B中LCS信号和反时限保护电压进行比较，若LCS信号小于反时限保护电压，则比较器U6B输出的反时限保护信号TRIP_CMD为低电平，对电路的正常开通/关断没有影响；若LCS信号在反时限保护电压与立即保护电压之间，则比较器U6B输出的反时限保护信号TRIP_CMD变为高电平，电路正常开通发生过流，关断电路。

延时跳闸电路主电路具体连接关系如下：电阻R18的I端、电容C3的I端和放大器U5A的输入I端与如图4所示功率回路电路的电流检测电阻R0的II端连接，放大器U5A的输出端输出放大电压信号VM到放大器U5A的输入II端、电阻R19的II端和如图8所示电流状态检测电路的电阻R34的I端，电阻R19的I端与放大器U5B的输入I端连接，电阻R20的I端与放大器U5B的输入II端和电阻R21的II端连接，电阻R21的I端连接放大器U5B的输出端，放大器U5B的输出端与电阻R25的II端、比较器U6A的输入I端和比较器U6B的输入I端连接，电阻R25的I端连接放大器U5C的输入II端，放大器U5C的输入I端连接电阻R24的I端，电阻R24的II端与电阻R23的I端和电阻R22的I端连接，电容C4的II端与放大器U5C的输入II端连接，电容C4的I端与放大器U5C的输出端连接，放大器U5C的输出端连接比较器U6B的输入II端，比较器U6B的输入I端连接放大器U5C的输出端，比较器U6B的输出端连接二极管D5的阳极，比较器U6A的输入I端连接放大器U5B的输出端，比较器U6A的输入II端连接电阻R26的I端和电阻R27的II端，比较器U6A的输出端连接二极管D4的阳极，二极管D4的阴极连接二极管D5的阴极、电阻R28的II端和如图3所示带缓开通慢关断的功能驱动电路1的与非门U4A的输入I端，电阻R23的II端连接参考电压产生电路，电阻R27的I端连接+15V，电阻R20的II端、电阻R22的II端、电阻R26的II端和电阻R28的I端连接GND。

以下以具体实例来说明延时跳闸电路主电路工作流程：由电流检测电阻R0产生的电压分压信号VOL_TM送入延时跳闸电路2，经过滤波电路(C3，R18)，再放大6倍，输出信号LCS送入反时限保护电路。按照设计指标，当负载电流大于1.2倍额定电流时，电路发生反时限保护；当负载电流大于2倍时，电路发生立即保护。放大器U5B同相比例放大6倍，R19，R20，R21电阻关系为1+(R₂₁/R₂₀)＝6，R19＝R₂₀//R₂₁；负载电流等于1.2倍额定电流，对应的反时限保护阀值为V＝1.2＊6＊600m＝4.32V，对应电阻阻值取R₂₂/R₂₃≈6。负载电流等于2倍额定电流，对应的立即保护阀值为V＝2＊6＊600m＝7.2V，对应电阻阻值取R₂₆/R₂₇＝12/13。根据IEC60255-3极端反时限曲线(反时限过流保护的参考曲线)，取电阻R24＝R25＝180k，C4＝1uF。滤波电容C3可根据短路保护时间进行适当选取。反时限保护信号TRIP_CMD送入如图3所示带缓开通慢关断的功率驱动电路做逻辑处理。电路正常没有发生反时限保护时，反时限保护信号TRIP_CMD为低电平，对电路的正常开通/关断没有影响；电路正常开通发生过流时，TRIP_CMD变为高电平，关断电路。具体的数值可以根据实际情况来自行设定，原理同上。

参考电压产生电路如图7所示，包括电阻R52、二极管D6和电容C5。电阻R52的I端连接+15V，电阻R52的II端连接二极管D6的阴极、电容C5的I端、延时跳闸主电路、电流状态检测电路和电压状态检测电路，二极管D6的阳极和电容C5的II端连接GND。参考电压产生电路为延时跳闸主电路、电流状态检测电路和电压状态检测电路提供稳定的5V参考电压信号REF5V，作为开关的额定电压。

电流状态检测电路如图8所示，包括电阻R29～R41、放大器U5D、放大器U7A、比较器U6C和二极管D7。电阻R34～R36和放大器U5D构成放大电路；电阻R37～R41和放大器U7A构成抬压电路；电阻R29～R32、比较器U6C和二极管D7构成滞环比较电路。

电流状态检测电路工作原理如下(结合具体的实例来说明)：

(1)图6所示延时跳闸电路主电路的放大器U5A的输出端输出的放大电压信号VM经过放大电路放大后，再经过抬压电路抬压，最后输入由U6C构成的滞环比较电路，当负载电流大于15％倍额定电流时，输出的负载状态为高电平，即认为有负载电流；当负载电流小于5％倍额定电流时，输出的负载状态为低电平，即认为无负载电流。

(2)放大器U5D将VM信号放大4倍，再由放大器U7A抬压1V，输入滞环比较电路。根据滞环比较电路的工作原理，选上限阙值电平V_T+为15％倍额定电流对应的电压，并经过放大抬压电路，即V_T+＝(I_额定 ²)＊R0＊0.15＊4+1；选下限阙值电平V_T-为5％倍额定电流对应的电压，并经过放大抬压电路，即V_T-＝(I_额定 ²)＊R0＊0.05＊4+1。因此，当负载实际工作电流对应的电压(经放大抬压后)大于V_T+，滞环比较电路输出高电平；当负载实际工作电流对应的电压(经放大抬压后)小于V_T-，滞环比较电路输出低电平。

电流状态检测电路具体连接关系如下：电阻R34的II端连接延时跳闸主电路的放大器U5A的输出端，电阻R34的I端连接放大器U5D的输入I端，电阻R35的I端连接放大器U5D的输入II端和电阻R36的II端，放大器U5D的输出端连接电阻R36的I端和电阻R37的II端，电阻R37的I端连接电阻R38的I端、电阻R40的I端和放大器U7A的输入I端，电阻R29的II端和电阻R38的II端连接参考电压产生电路，电阻R41的I端连接放大器U7A的输入II端和电阻R39的II端，放大器U7A的输出端连接电阻R39的I端和R31的II端，电阻R31的I端连接比较器U6C的输入I端和电阻R32的II端，电阻R29的I端连接电阻R30的I端和比较器U6C的输入II端，比较器U6C的输出端连接二极管D7的阳极、电阻R33的II端和图2所示隔离控制电路3的光电隔离器U3，二极管D7的阴极连接电阻R32的I端，电阻R33的I端连接+15V，电阻R30的II端、电阻R35的II端、电阻R40的II端和电阻R41的II端连接GND。

以下以具体实例来说明电流状态检测电路主电路工作流程：电流检测电阻R0产生的电压分压信号VOL_TM经如图6所示滤波电路及放大器跟随电路后，由放大器U5D放大4倍，再由放大器U7A抬压1V，然后送入滞环比较电路。同相放大4倍：R34，R35，R36电阻关系为1+(R₃₆/R₃₅)＝4，R34＝R₃₅//R₃₆。抬压1V：R37，R38，R39，R40，R41电阻关系为R₃₈/R₄₀＝4，R41＝R₃₇＝R₃₉。电流状态检测：当负载电流大于15％倍额定电流时，输出的负载状态为高电平，即认为有负载电流；当负载电流小于5％倍额定电流时，输出的负载状态为低电平，即认为无负载电流。电流状态检测电路用滞环比较电路实现。VM信号通过4倍放大，再抬压1V，然后送入迟滞比较电路做状态判断。根据电路原理，有

V_T+＝V_ref

$\frac{V_H-V_D-V_{\mathrm{ref}}}{R_{32}}=\frac{V_{\mathrm{ref}}-V_{T-}}{R_{31}}$

V_T+、V_T-分别为15％倍额定电流、5％倍额定电流对应的电压，V_ref是指REF5V经电阻R29和电阻R30分压后的电压，V_H指比较器U6C的输出高电压，V_D指二极管D7的导通压降。负载电流为15％倍额定电流，对应的V_T+＝(I_额定 ²)＊R0＊0.15＊4+1；负载电流为5％倍额定电流，对应的V_T-＝(I_额定 ²)＊R0＊0.05＊4+1，I_额定为设备额定工作电流，根据上面的公式可以确定电阻R31、R32以及V_ref的值。

电压状态检测电路如图9所示，包括电阻R42～R51、放大器U7B、放大器U7C、电容C6、比较器U6D和二极管D8。电阻R42～R45和放大器U7B构成衰减电路，电阻R46、放大器U7C和电容C6构成低通滤波电路，电阻R48～R50、比较器U6D和二极管D8构成滞环比较电路。

电压状态检测电路工作原理如下(结合具体的实例)：

(1)电流检测电阻R0产生的电压信号VOL_TM经过差分电路衰减后，再经过低通滤波电路，最后输入由U6D构成的滞环比较电路，当负载电压大于60％额定电压时，输出的负载状态为高电平，即认为有负载电压；当负载电流小于30％额定电压时，输出的负载状态为低电平，即认为无负载电压。

(2)放大器U7B将VOL_TM信号衰减15倍，再经由放大器U7C构成的低通滤波电路，输入滞环比较电路。根据滞环比较电路的工作原理，选上限阙值电平V_T+为60％额定电压对应的电压，并经过衰减电路，即V_T+＝V_额定＊0.6/15；选下限阙值电平V_T-为30％额定电压对应的电压，并经过衰减电路，即V_T-＝V_额定＊0.3/15。因此，当负载实际工作电压对应的电压(经衰减后)大于V_T+，滞环比较电路输出高电平；当负载实际工作电压对应的电压(经衰减后)小于V_T-，滞环比较电路输出低电平。

电压状态检测电路具体连接关系如下：电阻R42的II端与电流检测电阻R0的II端连接，电阻R42的I端连接电阻R44的II端和放大器U7B的输入I端，电阻R43的I端连接放大器U7B的输入II端和电阻R45的II端，放大器U7B的输出端连接R45的I端和电阻R46的II端，电阻R46的I端连接电容C6的I端和放大器U7C的输入I端，放大器U7C的输出端连接放大器U7C的输入II端和电阻R47的II端，电阻R47的I端连接电阻R50的II端和比较器U6D的输入I端，电阻R48的I端连接电阻R49的I端和比较器U6D的输入II端，电阻R48的II端连接参考电压产生电路，比较器U6D的输出端连接二极管D8的阳极、电阻R51的II端和隔离控制电路(3)，二极管D8的阴极连接电阻R50的I端，电阻R51的I端连接+15V，电阻R43的II端、电阻R44的I端、电阻R49的II端和电容C6的II端连接GND。

以下以具体实例来说明电压状态检测电路主电路工作流程：电流检测电阻R0产生的电压信号VOL_TM，经过差分电路衰减15倍，再经过1阶低通滤波，然后送入迟滞比较电路。当负载电压大于60％额定电压时，输出的负载状态为高电平，即认为有负载电压；当负载电流小于30％额定电压时，输出的负载状态为低电平，即认为无负载电压。V_T+、V_T-分别为60％额定电压、30％额定电压对应的电压，额定电压为100V，对应的V_T+＝100＊0.6/15＝4V，对应的V_T-＝100＊0.3/15＝2V。根据V_T+、V_T-的值可以确定电路中的参数。

电路中使用的部件，电阻建议在10KΩ～200KΩ范围内进行选区，精度1％；与非门可选用美国国家半导体公司的逻辑门电路CD4011B；放大器可选用美国国家半导体公司的运算放大器LM124AJ；比较器可选用美国国家半导体公司的运算比较器LM139AJ；光电耦合器可选用HCPL-5201。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.一种适用于航天器直流电源系统的故障隔离电子开关，其特征在于：包括带缓开通慢关断的功率驱动电路(1)、延时跳闸电路(2)、隔离控制电路(3)和功率回路电路，其中所述的功率回路电路由功率MOS管M1、电流检测电阻R0和续流二极管D0组成，续流二极管D0两端并联负载，功率MOS管M1的漏极接外部电源，外接电源输入功率输入信号POWER IN到功率MOS管M1的漏极，功率MOS管M1的源极连接电流检测电阻R0的I端并连接GND，电流检测电阻R0的II端连接延时跳闸电路(2)和续流二极管D0的阴极，续流二极管D0的阳极接地，外部控制信号CMD通过隔离控制电路(3)隔离后输出开关控制信号CMD_CTL到带缓开通慢关断的功率驱动电路(1)，经带缓开通慢关断的功率驱动电路(1)的延时后输出栅极驱动信号MOS_CTL到功率MOS管M1的栅极控制功率MOS管M1的导通与关断，功率MOS管M1导通后，功率输入信号POWER IN经控制功率MOS管M1流过电流检测电阻R0，在电流检测电阻R0上产生电压分压信号VOL_TM输入到延时跳闸电路(2)，在延时跳闸电路(2)中经过抬压、放大、积分和比较后，输出跳闸保护信号TRIP_CMD到带缓开通慢关断的功率驱动电路(1)，延时跳闸电路(2)同时输出负载状态信号LOAD_ST和MOS管状态信号MOS_ST至隔离控制电路(3)，隔离控制电路(3)将信号隔离后输出，带缓开通慢关断的功率驱动电路(1)根据跳闸保护信号TRIP_CMD产生栅极驱动信号MOS_CTL到功率MOS管M1的栅极控制功率MOS管M1的导通与关断，实现反时限保护和短路保护；

所述的带缓开通慢关断的功率驱动电路(1)包括与非门U4A～U4D、电阻R7～R17、电容C1～C2、高速开关二极管D1～D2、稳压二极管D3和三极管T1～T5，电阻R7的II端、三极管T1的基极和三极管T2的基极与隔离控制电路(3)连接，三极管T1的集电极与电阻R8的II端和电阻R9的I端连接，电阻R9的II端与电容C1的I端、二极管D2的阳极、三极管T4的基极和三极管T5的基极连接，电容C1的II端与电阻R10的I端和二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极与电阻R10的II端连接，电阻R10的II端连接电阻R12的I端，三极管T2的集电极连接电阻R11的II端，三极管T2的集电极与与非门U4A的输入II端和与非门U4D的输入I端连接，与非门U4A的输入I端与延时跳闸电路(2)连接，与非门U4A的输出端连接与非门U4B的输入II端，与非门U4B的输出端连接与非门U4D的输入II端，与非门U4D的输出端连接与非门U4B的输入I端、与非门U4C的输入I端和非门U4C的输入II端，与非门U4C的输出端连接电阻R13的I端，电阻R13的II端连接三极管T3的基极，三极管T3的集电极连接电阻R14的I端，电阻R14的II端与电阻R15的II端、二极管D2的阴极和电容C2的I端连接，三极管T4的发射极与三极管T5的发射极和电阻R16的I端连接，电阻R16的II端与稳压二极管D3的阳极、电阻R17的I端和功率MOS管M1的栅极连接，电阻R7的I端、电阻R8的I端、电阻R11的I端和电阻R15的I端连接+15V，三极管T1的发射极、三极管T2的发射极、三极管T3的发射极、电容C2的II端、稳压二极管D3的阴极、电阻R12的II端和电阻R17的II端连接GND。

2.根据权利要求1所述的一种适用于航天器直流电源系统的故障隔离电子开关，其特征在于：所述的延时跳闸电路(2)由延时跳闸主电路、参考电压产生电路、电流状态检测电路和电压状态检测电路组成，+15V电压信号经过参考电压产生电路生成参考电压信号REF5V分别送入延时跳闸主电路、电流状态检测电路和电压状态检测电路，电流检测电阻R0上产生的电压分压信号VOL_TM输入到延时跳闸主电路和电压状态检测电路，延时跳闸主电路对电压分压信号VOL_TM进行抬压、放大和积分后与参考电压信号REF5V积分放大后进行比较，输出跳闸保护信号TRIP_CMD信号送入带缓开通慢关断的功率驱动电路(1)与非门U4A的输入I端，延时跳闸主电路对电压分压信号VOL_TM进行放大后输出放大电压信号VM到电流状态检测电路，电流状态检测电路对放大电压信号VM进行放大抬压后与参考电压信号REF5V分压后进行比较，生成输出负载状态信号LOAD_ST输出到隔离控制电路(3)，电压状态检测电路对电压分压信号VOL_TM进行衰减滤波后与参考电压信号REF5V分压后进行比较，输出MOS管状态信号MOS_ST到隔离控制电路(3)。

3.根据权利要求2所述的一种适用于航天器直流电源系统的故障隔离电子开关，其特征在于：所述的延时跳闸主电路包括电阻R18～R28、电容C3～C4、放大器U5A～U5C、比较器U6A～U6B和二极管D4～D5，电阻R18的I端、电容C3的I端和放大器U5A的输入I端与电流检测电阻R0的II端连接，放大器U5A的输出端输出放大电压信号VM到放大器U5A的输入II端、电阻R19的II端和电流状态检测电路，电阻R19的I端与放大器U5B的输入I端连接，电阻R20的I端与放大器U5B的输入II端和电阻R21的II端连接，电阻R21的I端连接放大器U5B的输出端，放大器U5B的输出端与电阻R25的II端、比较器U6A的输入I端和比较器U6B的输入I端连接，电阻R25的I端连接放大器U5C的输入II端，放大器U5C的输入I端连接电阻R24的I端，电阻R24的II端与电阻R23的I端和电阻R22的I端连接，电容C4的II端与放大器U5C的输入II端连接，电容C4的I端与放大器U5C的输出端连接，放大器U5C的输出端连接比较器U6B的输入II端，比较器U6B的输入I端连接放大器U5C的输出端，比较器U6B的输出端连接二极管D5的阳极，比较器U6A的输入I端连接放大器U5B的输出端，比较器U6A的输入II端连接电阻R26的I端和电阻R27的II端，比较器U6A的输出端连接二极管D4的阳极，二极管D4的阴极连接二极管D5的阴极、电阻R28的II端和带缓开通慢关断的功能驱动电路(1)，电阻R23的II端连接参考电压产生电路，电阻R27的I端连接+15V，电阻R20的II端、电阻R22的II端、电阻R26的II端和电阻R28的I端连接GND。

4.根据权利要求2所述的一种适用于航天器直流电源系统的故障隔离电子开关，其特征在于：所述的电流状态检测电路包括电阻R29～R41、放大器U5D、放大器U7A、比较器U6C和二极管D7，电阻R34的II端连接延时跳闸主电路的放大器U5A的输出端，电阻R34的I端连接放大器U5D的输入I端，电阻R35的I端连接放大器U5D的输入II端和电阻R36的II端，放大器U5D的输出端连接电阻R36的I端和电阻R37的II端，电阻R37的I端连接电阻R38的I端、电阻R40的I端和放大器U7A的输入I端，电阻R29的II端和电阻R38的II端连接参考电压产生电路，电阻R41的I端连接放大器U7A的输入II端和电阻R39的II端，放大器U7A的输出端连接电阻R39的I端和R31的II端，电阻R31的I端连接比较器U6C的输入I端和电阻R32的II端，电阻R29的I端连接电阻R30的I端和比较器U6C的输入II端，比较器U6C的输出端连接二极管D7的阳极、电阻R33的II端和隔离控制电路(3)，二极管D7的阴极连接电阻R32的I端，电阻R33的I端连接+15V，电阻R30的II端、电阻R35的II端、电阻R40的II端和电阻R41的II端连接GND。

5.根据权利要求2所述的一种适用于航天器直流电源系统的故障隔离电子开关，其特征在于：所述的电压状态检测电路包括电阻R42～R51、放大器U7B、放大器U7C、电容C6、比较器U6D和二极管D8，电阻R42的II端与电流检测电阻R0的II端连接，电阻R42的I端连接电阻R44的II端和放大器U7B的输入I端，电阻R43的I端连接放大器U7B的输入II端和电阻R45的II端，放大器U7B的输出端连接R45的I端和电阻R46的II端，电阻R46的I端连接电容C6的I端和放大器U7C的输入I端，放大器U7C的输出端连接放大器U7C的输入II端和电阻R47的II端，电阻R47的I端连接电阻R50的II端和比较器U6D的输入I端，电阻R48的I端连接电阻R49的I端和比较器U6D的输入II端，电阻R48的II端连接参考电压产生电路，比较器U6D的输出端连接二极管D8的阳极、电阻R51的II端和隔离控制电路(3)，二极管D8的阴极连接电阻R50的I端，电阻R51的I端连接+15V，电阻R43的II端、电阻R44的I端、电阻R49的II端和电容C6的II端连接GND。

6.根据权利要求2所述的一种适用于航天器直流电源系统的故障隔离电子开关，其特征在于：所述的参考电压产生电路包括电阻R52、二极管D6和电容C5，电阻R52的I端连接+15V，电阻R52的II端连接二极管D6的阴极、电容C5的I端、延时跳闸主电路、电流状态检测电路和电压状态检测电路，二极管D6的阳极和电容C5的II端连接GND。

7.根据权利要求1所述的一种适用于航天器直流电源系统的故障隔离电子开关，其特征在于：所述的功率MOS管M1为N沟道功率MOS管。

8.根据权利要求1所述的一种适用于航天器直流电源系统的故障隔离电子开关，其特征在于：所述的隔离控制电路(3)由用于外部控制信号CMD隔离的光电耦合器、用于负载状态信号LOAD_ST隔离的光电耦合器和用于MOS管状态信号MOS_ST隔离的光电耦合器组成。

Images