CN102751714A - 过压保护电路及电流采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种过压保护电路及电流采样装置，其中，该过压保护电路包括：使能开关，配置为控制与采样电阻串联的采样电阻开关的开合；比较器，其一端设有对外接口，另一端与所述使能开关的使能端连接；所述比较器配置为根据其比较结果确定是否使能所述使能开关的使能端。因此，本发明不仅响应时间短，能够有效保护采样电阻，而且设计简单，成本低廉。

Description

过压保护电路及电流采样装置

技术领域

本发明涉及工程机械领域，特别涉及一种过压保护电路及电流采样装置。

背景技术

目前，工程机械用的控制器中，电流型AD（模/数）采样方案一般为：使用经过一个电路开关将250Ω的采样电阻打开，这样4~20mA的电流信号就转换成了0~5V的电压信号，经过单片机的AD端口进行采样。

但是，在实际接线过程中，用户可能会将AD端口误接到24V驱动电源上，这样采样电阻的功率就会急剧增加到2.3W以上，更为严重的是，在车载电源中，电压有可能达到28V，这时功率会增加到3.1W以上。然而，控制器上的采样电阻（1206封装）一般只有1/4W的功率，在这种情况下，采样电阻会被烧坏。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种过压保护电路及电流采样装置，以解决采样电路中采样电阻因过压而被烧坏的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一方面，本发明提供了一种过压保护电路，该电路包括：使能开关，配置为控制与采样电阻串联的采样电阻开关的开合；比较器，其一端设有对外接口，另一端与所述使能开关的使能端连接；所述比较器根据其比较结果确定是否使能所述使能开关的使能端。

上述电路中，所述比较器包括：第一比较电路，其一端设有第一对外接口，另一端分别与所述使能开关的使能端连接；第二比较电路，其一端设有第二对外接口，另一端分别与所述使能开关的使能端连接。

其中，所述第一比较电路包括：第一比较放大电路，其与所述第一对外接口连接，该第一比较放大电路配置为比较所述第一对外接口的接入电压值和指定电压值的大小，并在所述第一对外接口的接入电压值高于所述指定电压值时，所述第一比较放大电路的输出偏转；第一钳位电路，其与所述第一比较放大电路连接，该第一钳位电路配置为控制所述使能开关使能端的电压值。

其中，所述第二比较电路包括：第二比较放大电路，其与所述第二对外接口连接，该第二比较放大电路配置为比较所述第二对外接口的接入电压值和指定电压值的大小，并在所述第二对外接口的接入电压值高于所述指定电压值时，所述第二比较放大电路的输出偏转；第二钳位电路，其与所述第二比较放大电路连接，该第二钳位电路配置为控制所述使能开关使能端的电压值；其中，所述指定电压值为根据所述接入电压值设置的判断误接的参考值。

优选的是，上述电路还包括：控制器，该控制器与所述第一、第二比较放大电路的输出端连接，用于监测是否有误接信息以判断所述第一、第二对外接口是否误接。

优选的是，上述电路还包括：报警器，该报警器与所述控制器连接，且该报警器配置为在所述控制器监测到误接信息时进行故障报警。

优选的是，上述电路还包括：故障分析器，该故障分析器与所述控制器连接，且该故障分析器配置为在所述控制器监测到误接信息时对故障进行诊断。

上述电路中，所述第一比较放大电路包括：第一分压调节器，其与所述第一对外接口连接，该第一分压调节器配置为根据所述第一对外接口接入的外接电压值的大小选取不同的分压电阻及所述指定电压值；第一运算放大器，其输入端的负极与所述第一分压调节器连接，正极接入供电电压，所述第一运算放大器的输出端与所述第一钳位电路连接。

上述电路中，所述第二比较放大电路包括：第二分压调节器，其与所述第二对外接口连接，该第二分压调节器配置为根据所述第二对外接口接入的外接电压值的大小选取不同的分压电阻及所述指定电压值；第二运算放大器，其输入端的负极与所述第二分压调节器连接，正极接入供电电压，所述第二运算放大器的输出端与所述第二钳位电路连接。

上述电路中，所述使能开关包括：第一使能开关和第二使能开关；所述采样电阻开关包括第一采样电阻开关和第二采样电阻开关；其中，所述第一使能开关的使能端与所述比较器连接，所述第一使能开关配置为控制第一采样电阻开关的开合；所述第二使能开关的使能端与所述比较器连接，所述第二使能开关配置为控制第二采样电阻开关的开合。

上述电路中，所述采样电阻包括：第一采样电阻，其一端与所述第一采样电阻开关连接，另一端与所述第一对外接口连接；第二采样电阻，其一端与所述第二采样电阻开关连接，另一端与所述第二对外接口连接。

另一方面，本发明还提供一种电流采样装置，该电流采样装置设置有上述任一种所述的过压保护电路。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本发明过压保护电路中，所述比较器能实现两个短路检测，每一路电流检测通过设置分压电阻、钳位二极管和运算放大器来实现。因此，本发明不仅能够有效保护采样电阻，而且设计简单，成本低廉。并且，本发明设计的过压保护电路结合比较器和使能开关，响应时间短，采样电阻来不及发热管子就已经关断。值得一提的是，即使采样电阻长时间接在24V驱动电源上，也不会发热，可靠性好。

本发明提供的一种电流采样装置设置有所述过压保护电路，由于所述过压保护电路具有上述技术效果，因此，设有所述过压保护电路的电流采样装置也应具备相应的技术效果。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明过压保护电路实施例的使能开关示意图；

图2为本发明过压保护电路实施例的电气原理框图；

图3为本发明过压保护电路实施例的电路示意图；

图4为本发明过压保护电路另一实施例的电气原理框图示意图；

图5为本发明过压保护电路另一实施例的电路示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明的基本思想在于：本发明提出的过压保护电路设计一种使能开关以将采样电阻的功能打开，还设计一种比较器以实现两个短路检测，当用户误接入非电流采样电源后，自动将使能开关关闭，进而关闭采样电阻开关，以保护采样电阻不被烧毁。因此，本发明不仅能够在很短的响应时间内，自动关断采样电阻开关，有效保护采样电阻，而且设计简单，成本低廉。

这里，所述非电流采样电源为电流采样模式中电压为0~5V之外的驱动电源，例如：所述非电流采样电源可指电源电压为12V、19V、24V、或36V的电源。

基于上述思想，本发明实施例提供一种过压保护电路，该过压保护电路包括：使能开关和比较器。其中，所述使能开关配置为控制与采样电阻串联的采样电阻开关的开合；所述比较器的一端设有对外接口，另一端与所述使能开关的使能端连接。并且，所述比较器根据其比较结果确定是否使能所述使能开关的使能端。

需要指出的是，所述对外接口可为模拟输入（AI）接口，但并不仅限于AI接口，本实施例也可采用其他类型的符合采样要求的接口。本实施例中，当所述对外接口（如AI接口）进入电流采样模式时，所述使能开关将采样电阻的功能打开，且在打开时，所述使能开关的使能端置高电平。

参照图1，其示出了本实施例使能开关的电路实例示意图。所述使能开关为由二极管、逻辑门电路构成的电子开关，如BTS3408电子开关。如图1所示，构成所述使能开关的所述二极管一端接地，另一端与逻辑门电路连接。采样电阻R_采样的一端与采样电阻开关连接，另一端与AI接口连接。其中，与所述采样电阻开关相连的一端接地。本实施例中，所述使能开关配置为控制所述采样电阻开关的开合，而且，所述使能开关可与所述采样电阻开关集成在芯片中。所述使能开关的使能端与所述比较器连接、另一端与控制器如单片机控制端连接。

可替换的是，所述使能开关也可采用继电器接入采样电阻或其他控制单元打开的方式实现。

参照图2，其示出了本发明过压保护电路实施例的电气原理框图。如图2所示，本实施例的过压保护电路中，存在两个所述使能开关，即：第一使能开关和第二使能开关。对应的，存在两个所述采样电阻开关，即：第一采样电阻开关和第二采样电阻开关。

其中，所述第一使能开关的使能端与所述比较器连接，所述第一使能开关配置为控制第一采样电阻开关的开合；所述第二使能开关的使能端与所述比较器连接，所述第二使能开关配置为控制第二采样电阻开关的开合。所述采样电阻包括：第一采样电阻和第二采样电阻。所述第一采样电阻的一端与所述第一采样电阻开关连接，另一端与所述第一对外接口连接。所述第二采样电阻的一端与所述第二采样电阻开关连接，另一端与所述第二对外接口连接。

本实施例中，为实现采用一个比较器进行两个短路检测，所述比较器进一步包括：第一比较电路和第二比较电路。其中，所述第一比较电路的一端设有第一对外接口，另一端分别与所述使能开关的使能端连接。所述第二比较电路的一端设有第二对外接口，另一端分别与所述使能开关的使能端连接。

进一步来讲，所述第一比较电路包括：第一比较放大电路和第一钳位电路。其中，所述第一比较放大电路与所述第一对外接口连接，该第一比较放大电路配置为比较所述第一对外接口的接入电压值和指定电压值的大小，并在所述第一对外接口的接入电压值高于所述指定电压值时，所述第一比较放大电路的输出偏转。所述第一钳位电路与所述第一比较放大电路连接，该第一钳位电路配置为控制所述使能开关使能端的电压值。

需要说明的是，所述指定电压值为根据所述接入电压值设置的判断误接的参考值。本实施例中，所述指定电压值能够根据可能误接入的非电流采样电源的电压值进行设置。一般来讲，当所述第一对外接口的接入电压值高于所述指定电压值，所述第一比较放大电路的输出偏转，所述第一钳位电路将所述使能开关的使能端的电压置为低电平，使所述使能开关关闭，从而对采样电阻起到保护作用。

例如：采样电阻R_采样的阻值是250欧姆，最大功率是1/16W，那么根据P=U*U/R，得出采样电阻两端能忍受的最大电压值U_max。一般，可约定比较器正向输入管脚的基准电压是2.5V，负向输入管脚接入的分压电阻分别为R1、R2，那么计算公式为U_max×(R2/(R1+R2))=2.5V，从而得出R1、R2的值。

更进一步来讲，所述第一比较放大电路包括：第一分压调节器和第一运算放大器。其中，所述第一分压调节器与所述第一对外接口连接，该第一分压调节器配置为根据所述第一对外接口接入的外接电压值的大小选取不同的分压电阻及所述指定电压值。所述第一运算放大器输入端的负极与所述第一分压调节器连接，正极接入供电电压，所述第一运算放大器的输出端与所述第一钳位电路连接。

与所述第一比较电路的结构相似的是，所述第二比较电路包括：第二比较放大电路和第二钳位电路。其中，所述第二比较放大电路与所述第二对外接口连接，该第二比较放大电路配置为比较所述第二对外接口的接入电压值和指定电压值的大小，并在所述第二对外接口的接入电压值高于所述指定电压值时，所述第二比较放大电路的输出偏转。所述第二钳位电路与所述第二比较放大电路连接，该第二钳位电路配置为控制所述使能开关使能端的电压值。

更进一步来讲，所述第二比较放大电路包括：第二分压调节器和第二运算放大器。第二分压调节器所述第二对外接口连接，该第二分压调节器配置为根据所述第二对外接口接入的外接电压值的大小选取不同的分压电阻及所述指定电压值。第二运算放大器输入端的负极与所述第二分压调节器连接，正极接入供电电压，所述第二运算放大器的输出端与所述第二钳位电路连接。

需要指出的是，当所述比较器中的第一比较电路和/或第二比较电路误接到非电流采样电源时，所述第一使能开关、第二使能开关均会关闭，以关闭第一、第二采样电阻开关，从而对第一、第二采样电阻进行保护。因此，本实施例通过采用两路具有电流检测功能的比较电路和使能开关，能够实现对采样电阻的过压保护。

由此可见，本实施例的比较器能实现两个短路检测。这里，结合图3所示的电路示意图，以实例对上述实施例作进一步说明：

参照图3，其示出了过压保护电路实例的示意图，该过压保护电路实例中，主要包括使能开关和比较器两部分，其中，所述比较器包括两个比较电路——第一比较电路、第二比较电路。本实例存在两个所述使能开关，即：第一使能开关和第二使能开关。对应地，存在两个所述采样电阻开关，即：第一采样电阻开关和第二采样电阻开关；以及，两个采样电阻，即：第一采样电阻R_采样1和第二采样电阻R_采样2。第一采样电阻R_采样1的一端与所述第一采样电阻开关连接，另一端与所述AI接口1连接。第二采样电阻R_采样2的一端与所述第二采样电阻开关连接，另一端与所述AI接口2连接，如图3所示。

本实例中，第一比较电路中设有分压电阻R11、分压电阻R12、钳位二极管D1、运算放大器；其中，分压电阻R11一端与AI接口1连接，另一端与运算放大器负极连接；分压电阻R12一端与运算放大器负极连接，另一端接地。运算放大器阳极接供电电源，如3.3V供电电源3V3，运算放大器的输出端接钳位二极管D1，钳位二极管D1的另一端与第一使能开关K1、第二使能开关K2的使能端连接，控制所述第一使能开关K1、第二使能开关K2的开合，即控制第一采样电阻开关、第二采样电阻开关的开合。本实施例各部件的进一步的连接关系可参照图3所示，这里不再做详细说明。

与上述第一比较电路相似的是，所述第二比较电路设有分压电阻R21、分压电阻R22、钳位二极管D2、运算放大器；其中，分压电阻R21一端与AI接口2连接，另一端与运算放大器负极连接；分压电阻R22一端与运算放大器负极连接，另一端接地。其余各部件的连接关系与所述第一比较电路对应部件的连接关系相似，因此其余各部件的进一步的连接关系可参照图3所示，这里不再做详细说明。

本实施例如此设计的优势在于：将两路比较电路放置在使能开关的使能脚的前端，当在电流采样时，AI接口1、和/或AI接口2接入的电压值高于指定电压值时，如误接入24V驱动电源时，运算放大器的输出偏转。同时，使用钳位二极管将使能开关的使能端的电压值置于低电平，从而关闭使能开关，进而关闭采样电阻开关，从而保护采样电阻不会被烧毁。需要强调的是，本实施例设计的比较器和使能开关，不仅能实现电流检测功能和对采样电阻的过压保护，而且设计简单，成本低廉。

此处，结合图4和图5对本发明的优选实施例作进一步说明：

如图4所示，在前述实施例的基础上，本实施例的过压保护电路还优选设有控制器，该控制器分别与所述第一、第二比较放大电路的输出端连接，用于监测是否有误接信息，以判断所述第一、第二对外接口是否误接。

需要说明的是，本实施例的控制器可为微控制器、单片机等，通过将所述比较器的输出接入到微控制器的管脚或单片机的控制端，就能检测到误接的信息。所述误接的信息用于向用户及控制器处理单元提供报警信息，故障报警指示单元会给出警示，同时所述控制器的处理单元会迅速闭电流开关。

优选的是，本实施例的过压保护电路还设有报警器，该报警器与所述控制器连接，且该报警器配置为在所述控制器监测到误接信息时进行故障报警。

需要指出的是，本实施例设置的报警器不仅能实现故障报警，而且能提高过压保护的可靠性，更加安全可靠。

更为优选的是，本实施例的过压保护电路还设有故障分析器，该故障分析器与所述控制器连接，且该故障分析器配置为在所述控制器监测到误接信息时对故障进行诊断。因此，本实施例针对用户的误接，还提供故障诊断功能。

需要说明的是，所述处理器收到故障报警以后，会关闭电流开关，将采样模式转换成电压模式，这样可以定位到用户误接的端口，该端口的功能将会关闭，而且应用程序也将检测到这一信息而自动对该端口上的数据进行屏蔽，而不影响整个运动控制器的使用。在电压型采样模式下，当用户恢复了正常的接线以后，电流开关能自动的切换成正常模式，控制单元正常运行。

由上述各实施例可得出，本发明设计的各过压保护电路实施例优势在于：

本发明过压保护电路中，所述比较器能实现两个短路检测，每一路电流检测通过设置分压电阻、钳位二极管和运算放大器来实现。因此，本发明不仅能够有效保护采样电阻，而且设计简单，成本低廉。并且，本发明设计的过压保护电路结合比较器和使能开关，响应时间短，采样电阻来不及发热管子就已经关断。值得一提的是，即使采样电阻长时间接在24V驱动电源上，也不会发热，可靠性好。

本发明实施例还提供了一种电流采样装置，该电流采样装置设置有上述任一实施例所述的过压保护电路。由于上述任一实施例所述的过压保护电路具有上述技术效果，因此，设有所述过压保护电路的电流采样装置也应具备相应的技术效果，其具体实施过程与上述实施例类似，兹不赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种过压保护电路，其特征在于，该电路包括：

使能开关，配置为控制与采样电阻串联的采样电阻开关的开合；

比较器，其一端设有对外接口，另一端与所述使能开关的使能端连接；所述比较器配置为根据其比较结果确定是否使能所述使能开关的使能端。

2.根据权利要求1所述的过压保护电路，其特征在于，所述比较器包括：

第一比较电路，其一端设有第一对外接口，另一端分别与所述使能开关的使能端连接；

第二比较电路，其一端设有第二对外接口，另一端分别与所述使能开关的使能端连接。

3.根据权利要求2所述的过压保护电路，其特征在于，

所述第一比较电路包括：

第一比较放大电路，其与所述第一对外接口连接，该第一比较放大电路配置为比较所述第一对外接口的接入电压值和指定电压值的大小，并在所述第一对外接口的接入电压值高于所述指定电压值时，所述第一比较放大电路的输出偏转；

第一钳位电路，其与所述第一比较放大电路连接，该第一钳位电路配置为控制所述使能开关使能端的电压值；

所述第二比较电路包括：

第二比较放大电路，其与所述第二对外接口连接，该第二比较放大电路配置为比较所述第二对外接口的接入电压值和指定电压值的大小，并在所述第二对外接口的接入电压值高于所述指定电压值时，所述第二比较放大电路的输出偏转；

第二钳位电路，其与所述第二比较放大电路连接，该第二钳位电路配置为控制所述使能开关使能端的电压值；

其中，所述指定电压值为根据所述接入电压值设置的判断误接的参考值。

4.根据权利要求3所述的过压保护电路，其特征在于，该电路还包括：

控制器，其与所述第一、第二比较放大电路的输出端连接，用于监测是否有误接信息以判断所述第一、第二对外接口是否误接。

5.根据权利要求4所述的过压保护电路，其特征在于，该电路还包括报警器，该报警器与所述控制器连接，且该报警器配置为在所述控制器监测到误接信息时进行故障报警。

6.根据权利要求4所述的过压保护电路，其特征在于，该电路还包括：故障分析器，该故障分析器与所述控制器连接，且该故障分析器配置为在所述控制器监测到误接信息时对故障进行诊断。

7.根据权利要求4至6任一项所述的过压保护电路，其特征在于，

所述第一比较放大电路包括：

第一分压调节器，其与所述第一对外接口连接，该第一分压调节器配置为根据所述第一对外接口接入的外接电压值的大小选取不同的分压电阻及所述指定电压值；

第一运算放大器，其输入端的负极与所述第一分压调节器连接，正极接入供电电压，所述第一运算放大器的输出端与所述第一钳位电路连接；

所述第二比较放大电路包括：

第二分压调节器，其与所述第二对外接口连接，该第二分压调节器配置为根据所述第二对外接口接入的外接电压值的大小选取不同的分压电阻及所述指定电压值；

第二运算放大器，其输入端的负极与所述第二分压调节器连接，正极接入供电电压，所述第二运算放大器的输出端与所述第二钳位电路连接。

8.根据权利要求1至6任一项所述的过压保护电路，其特征在于，所述使能开关包括：第一使能开关和第二使能开关；所述采样电阻开关包括第一采样电阻开关和第二采样电阻开关；

其中，所述第一使能开关的使能端与所述比较器连接，所述第一使能开关配置为控制第一采样电阻开关的开合；所述第二使能开关的使能端与所述比较器连接，所述第二使能开关配置为控制第二采样电阻开关的开合。

9.根据权利要求8所述的过压保护电路，其特征在于，所述采样电阻包括：

第一采样电阻，其一端与所述第一采样电阻开关连接，另一端与所述第一对外接口连接；

第二采样电阻，其一端与所述第二采样电阻开关连接，另一端与所述第二对外接口连接。

10.一种电流采样装置，其特征在于，该装置设置有上述任意一项所述的过压保护电路。

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