CN103490759B - 电子继电器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子继电器及其控制方法，电子继电器包括控制输入装置、输入电路、整合电路、主控电路、驱动电路和大功率开关管；控制输入装置的输出端连接主控电路；输入电路的输入端连接电源，输出端连接主控电路；主控电路的第一控制端通过驱动电路连接大功率开关管的被控端；第二控制端连接整合电路；大功率开关管串接在电源和负载之间；大功率开关管为NMOS管。本方案采用NMOS管且将负载连接在NMOS管下方。整合电路将电压提升以后输出到驱动电路，使驱动电路具有足够大的电压和电流来驱动NMOS管工作。主控电路控制整合电路和驱动电路的工作状态，从而间接实现对NMOS管的控制。本发明适用于汽车及汽柴油机电路控制。

Description

电子继电器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电路控制设备，尤其是涉及一种使用在汽车上的电子继电器及其控制方法。

背景技术

汽车的诞生已经具有近百年的历史，继电器作为汽车电器一个传统部件，在汽车的使用过程中起着不可或缺的作用。但是，多年的实践证明，传统的机械式继电器具有以下显著的缺点：首先，功能单一，只能起到电源的开闭作用，不能实现智能化、集成化和自动化，也就不能保证完全按照汽车电器的原理或相关标准进行工作，因此给车载电器造成了很多不应有的损害。其次,就是目前汽车所使用的继电器绝大部分都是传统的机械式继电器，由于经常受到高压电弧的冲击，机械式继电器的触点和导电片之间经常因烧蚀而产生粘连的现象，直接造成车载电器线圈或电路的烧毁，给汽车的使用带来诸多不便，这是目前国内外一直未能得到根本解决的难题。第三，目前的车载电器缺乏安全保护措施，不能有效地防止不安全现象的发生。由于上述问题长期以来一直未得到有效的解决，不仅给车载电器生产厂家带来很大损失，同时也严重地影响车辆的正常使用。

用电的基本原则是控制（如继电器）在上，电器负载在下，即继电器串接在电源正极和负载之间。通常情况下控制在上应该使用P沟道场效应管作为开关管。但是由于受P沟道场效应管技术指标和价格等因素的影响，限制了继电器的使用渠道和范围。而N沟道场效应管具有适应范围广、功率大等P沟道场效应管所不具有的优势。但N沟道场效应管作为开关管实现控制在上，电器负载在下，需要难以实现的高于车载电源电压的稳定驱动电压和驱动电流。

中华人民共和国国家知识产权局于2012年01月25日公开了公布号为CN102332900A的专利文献，名称是一种固体继电器，其包括一个光伏二极管阵列和一个或两个场效应晶体管；还包括一个由光电晶体管、电阻组成的充电电路，光电晶体管的发射极接效应晶体管的栅极，集电极接在光伏二极管阵列的第一端，电阻接在场效应晶体管的源极和光伏二极管阵列的第二端之间；一个由三极管、N沟道场效应晶体管和两个电阻组成的加速泄放电路，三极管经一个电阻接场效应晶体管的栅极，集电极接在光伏二极管阵列的第二端，基极接光伏二极管阵列的第一端，N沟道场效应晶体管的漏极经一个电阻接场效应晶体管的栅极，源极与衬底接在场效应晶体管的源极，栅极接在光伏二极管阵列的第二端。此方案仍然无法使用N沟道场效应管作为开关管实现控制在上负载在下的布局。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的不能使用N沟道场效应管作为开关管，实现控制在上负载在下的布局的技术问题，尤其是在脉冲宽度调制模式下的大功率N沟道场效应管的应用，提供一种可以输出较高电压来驱动连接与负载上方的大功率N沟道场效应管的电子继电器，同时本发明还提供了一种控制电子继电器的方法，使电子继电器的内部的控制电压保持稳定。

本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种电子继电器，包括控制输入装置、输入电路、整合电路、主控电路、驱动电路和大功率开关管；所述控制输入装置的输出端连接主控电路；所述输入电路的输入端连接电源，输出端连接主控电路；所述主控电路的第一控制端通过驱动电路连接大功率开关管的被控端；主控电路的第二控制端连接整合电路；所述大功率开关管的输入端连接电源，输出端连接负载；所述整合电路包括升压电路、整形电路和稳压电路，所述升压电路的输入端连接电源，输出端通过整形电路和稳压电路连接到驱动电路的供电端；所述大功率开关管为N沟道场效应管。

本方案采用N沟道场效应管，并且将负载连接在N沟道场效应管下方。整合电路将电压提升以后输出到驱动电路，使驱动电路具有足够大的电压和电流来驱动N沟道场效应管工作。输入电路为主控电路提供电源，主控电路通过输出脉宽调制下的方波控制整合电路和驱动电路的工作状态，从而间接实现对大功率开关管的控制。输入控制装置用于向主控电路输入原始指令，使其按照设定的程序和内容进行工作。继电器可与相关的传感器连接，还可以与车载其它电器或控制系统进行互通互联，交互配合使用。通过主控电路的监控，可实现相关的自动控制及监控等功能。

作为优选，所述整合电路包括电感L1、电容C9、电容C10、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、电阻R2、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、二极管D1和稳压二极管D2；电感L1的一端连接电源，另一端连接三极管Q1的集电极；三极管Q1的基极作为A端口连接主控电路的第二控制端，发射极接地；二极管D1的正极连接三极管Q1的集电极，负极连接三极管Q3的集电极；电容C10的一端连接电源，另一端连接三极管Q3的集电极；电阻R7跨接在三极管Q3的集电极和基极之间；三极管Q3的基极连接三极管Q2的发射极，三极管Q3的发射极连接驱动电路的供电端；电阻R4的一端连接三极管Q2的集电极，另一端连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接地；电阻R6跨接在三极管Q2的发射极和基极之间；稳压二极管D2的负极连接三极管Q2的基极，正极连接负载；电容C9的一端连接三极管Q3的发射极，另一端连接负载。

升压电路主要是升高车载电源电压，为驱动电路提供合适的电压，其主要包括电感L1、与三极管Q1和续流二极管D1。

整形电路主要是对升高的电压进行滤波整形，降低提供给驱动电路的电压纹波，得到稳定的电压VCC，其主要包括三极管Q2和电容C10。

稳压电路主要是对抬升、整形的电压进行箝位，使提供给驱动电路的电压VCC稳定在一个范围内，其主要包括三极管Q3和稳压管D2。

作为优选，所述电阻R4和电阻R5的连接点为B端口，主控电路包括反馈端，B端口连接反馈端。

主控电路根据B端口判断整合电路的输出状态，从而实现更精确的控制。

作为优选，所述驱动电路包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7和二极管D3；所述三极管Q5的发射极作为驱动电路的供电端，三极管Q5的基极连接三极管Q4的集电极，三极管Q5的的集电极连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接三极管Q6的集电极，三极管Q6的发射极接地，基极连接主控电路；三极管Q4的基极连接主控电路，发射极通过电阻R9接地；电阻R8跨接在三极管Q5的基极和发射极之间；二极管D3的正极连接三极管Q5的集电极，负极连接大功率开关管的被控端；三极管Q7的基极连接二极管D3的正极，发射极连接二极管D3的负极，集电极连接大功率开关管的输出端；电阻R11跨接在三极管Q7的基极和集电极之间；大功率开关管的输入端连接电源，输出端连接负载。

驱动电路包括推挽电路和局部加速关断电路。

推挽电路主要是提高电路带负载能力和开关速度，快速的驱动mos管的开关，主要由三极管Q4、Q5、Q6组成。

局部加速关断电路主要是当mos管关断的时候，加速关断，缩短关断时间，降低mos管的损耗，主要由Q7和D3组成。

一种适用于前述的电子继电器的控制方法，包括如下步骤：

一、将电源电压VI划分为三个区间，每个区间有一个电压上限和电压下限；

二、检测电源电压，判断所在范围；

三、根据公式don=(VCC+Vd-VI)/(VCC+Vd)，对VI分别取值电压上限和电压下限，计算最小的占空比don^min和最大占空比don^max；

四；检测B端口的电平，如果是低电平，则输出到A端口的下一个方波的占空比don=（(don^min+don^max)/2+don^min）/2；如果B端口是高电平，则输出到A端口的下一个方波的占空比为don=（(don^min+don^max)/2+don^max）/2；

VCC是整合电路输出到驱动电路的供电端的电压，don是主控电路输出到A端口的方波的占空比，Vd为二极管压降。

作为优选，所述第一区间为大于等于10V到小于16V，第二区间为大于等于16V到小于22V，第三区间为大于等于22V到小于等于28V，如果检测到电源电压不在这个范围内，则停止工作并报警。

电源长时间工作以后输出电压会发生变化。主控芯片根据检测到的车载电源电压，给A端口输出脉冲方波，升压电路根据A端口的信号升高电压VCC，当VCC电压超过稳压管的值后，使B端口输出低电平，B再反馈给主控芯片。

其中A端口的方波占空比由两个因素决定，一个是来自检测到的车载电源信号，另一个是通过B端口反馈过来的信号。通过这两个信号的综合来决定A端口的信号，从而得到稳定的VCC电压。

本继电器应用了脉冲宽度调制技术，这样就使车载电器得到更加合理、更加节能的电源，因此车载负载能够实现有调节或控制的使用，保护车载用电负载及多个负载之间均衡运行，减少负载的使用时间，延长使用寿命及强化使用效果。

本方案具有以下特点：

1.无触点继电：所述的无触点继电就是通过场效应管（MOS管）在本专利的设计原理和电路设计支持下，取代传统机械式的触点继电方式，完全实现了电子继电。因此也就杜绝了传统磁力开关的触点粘连及烧蚀等诸多问题。

2.功能化：所述的功能化就是该继电器具有监控、存取、控时和安全保护等智能化功能。将这些功能预先设定在主控芯片和主控电路中，按照预定的程序，自动向驱动电路发出执行指令，从而实现以功能的自动化及智能化的控制。

监控功能：主控芯片就是通过相关传感器传回的信号，依据设定的要求或程序进行相关的判别，然后向驱动电路发出相应的工作指令，以完成相关的功能。如对车载电器及其它负载的电流、电压、转速、温度、移动等情况进行监控。

控制功能：就是在主控芯片内预设好程序或要求，使继电器按照规定的内容或程序工作，例如控时、控温等等。如控制车载电器的工作时间或间隔时间可以保证车载电器按照规定或标准的条件下工作。

保护功能：就是把需要保护的内容或要求预先设置在主控芯片内，使之成为自动实现对车载电器的保护。例如，对温度、速度、功率、电压、电流等控制，保护负载能够安全有效的工作，能够起到最大限度地保护作用。以避免给车载电器造成不应有的损害。

存取功能：本技术具有记录与储存及提取数据的功能。即当某项功能的数据需要记录和存储时，该继电器可自动完成。并通过读取器读取已记录和存储的数据。

3.自动化：就是在本专利技术的支持下，继电器相关功能基本上实现了自动化：监控自动化、存储自动化、安全保护自动化，自我保护自动化。例如，对水温，油温等温度的监控与保护；对电流、电压的控制与保护等等。

4.智能化：就是在本专利技术的支持下，继电器相关功能基本上实现了智能化。仅依靠继电器自身的技术就能实现智能操作。例如，特别是在监控与保护等功能方面，能够实现自动判断，自动发出相关指令。

5．可与车载其它电器或控制系统进行互通互联，交互配合使用。

本发明带来的实质性效果是，使用大功率N沟道场效应管实现了控制在上负载在下的布局，极大地拓宽了继电器的使用渠道和适用范围，同时采用脉冲宽度调制技术使车载电器得到更加合理、更加节能的电源，车载负载能够实现有调节或控制的使用，保护车载用电负载及多个负载之间均衡运行，延长负载使用寿命及强化使用效果；通过监控B端口的反馈信号，及时调整输出到A端口的方波的占空比，使整合电路输出稳定的VCC，为继电器的稳定工作提供了基础。

附图说明

图1是本发明的一种电路框图；

图2是本发明的一种整合电路原理图；

图3是本发明的一种驱动电路原理图；

图中：1、输入电路，2、整合电路，3、主控电路，4、驱动电路，5、大功率开关管，6、电源，7、负载，8、输入控制装置。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种电子继电器，如图1所示，包括输入电路1、整合电路2、主控电路3、驱动电路4、大功率开关管5和输入控制装置8。输入电路1的输入端连接电源6，输出端连接主控电路3；主控电路3的第一控制端通过驱动电路4连接大功率开关管5的被控端；主控电路3的第二控制端连接整合电路2；大功率开关管5的输入端连接电源6，输出端连接负载7；整合电路2包括升压电路、整形电路和稳压电路，升压电路的输入端连接电源6，输出端通过整形电路和稳压电路连接到驱动电路4的供电端；大功率开关管5为N沟道场效应管。输入控制装置8与主控电路3连接。

本方案应用于汽车上，所以电源6为车载电源。

驱动电路两端连接车载电源和相对应的负载。输入电路是经过调整的电源，以满足主控电路所需电源。整合电路主要是为驱动电路提供合适电源，并同时提供稳定和保护电路的作用，其上端连接于继电器进项，处于常有电状态，当主控电路向其发出工作指令后，便进行电路整合，为驱动电路提供稳定和安全的电源。输入控制装置向主控电路和主控芯片发出原始工作指令，并激活输入电路和整合电路开始工作，为主控电路和驱动电路提供合适的电路及电源，保证主控电路和驱动电路的正常工作。然后由主控电路向驱动电路发出工作指令，驱动电路根据主控电路发出的所有的相关要求或程序驱动场效应管的开闭，通过切断或接通主电源实现各项电源的开闭作用及实现各项功能。输入控制装置就是最原始的指令开关，包括点火、接通及传感器等输入控制装置。

如图2所示，整合电路包括电感L1、电容C9、电容C10、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、电阻R2、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、二极管D1和稳压二极管D2；电感L1的一端连接电源，另一端连接三极管Q1的集电极；三极管Q1的基极作为A端口连接主控电路的第二控制端，发射极接地；二极管D1的正极连接三极管Q1的集电极，负极连接三极管Q3的集电极；电容C10的一端连接电源，另一端连接三极管Q3的集电极；电阻R7跨接在三极管Q3的集电极和基极之间；三极管Q3的基极连接三极管Q2的发射极，三极管Q3的发射极连接驱动电路的供电端；电阻R4的一端连接三极管Q2的集电极，另一端连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接地；电阻R6跨接在三极管Q2的发射极和基极之间；稳压二极管D2的负极连接三极管Q2的基极，正极连接负载；电容C9的一端连接三极管Q3的发射极，另一端连接负载。电阻R4和电阻R5的连接点为B端口，主控电路包括反馈端，B端口连接反馈端。

整合电路包括升压电路、整形电路、稳压电路。升压电路主要是升高车载电源电压，为驱动电路提供合适的电压。整形电路主要是对升高的电压进行滤波整形，降低提供给驱动电路的电压纹波，得到稳定的电压VCC。稳压电路主要是对抬升、整形的电压进行箝位，使提供给驱动电路的电压VCC稳定在一个范围内。

如图3所示，驱动电路包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7和二极管D3；所述三极管Q5的发射极作为驱动电路的供电端，三极管Q5的基极连接三极管Q4的集电极，三极管Q5的的集电极连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接三极管Q6的集电极，三极管Q6的发射极接地，基极连接主控电路；三极管Q4的基极连接主控电路，发射极通过电阻R9接地；电阻R8跨接在三极管Q5的基极和发射极之间；二极管D3的正极连接三极管Q5的集电极，负极连接大功率开关管的被控端；三极管Q7的基极连接二极管D3的正极，发射极连接二极管D3的负极，集电极连接大功率开关管的输出端；电阻R11跨接在三极管Q7的基极和集电极之间；大功率开关管的输入端连接电源，输出端连接负载。

驱动电路包括推挽电路和局部加速关断电路。推挽电路主要是提高电路带负载能力和开关速度，快速的驱动mos管的开关。局部加速关断电路主要是当mos管关断的时候，加速关断，缩短关断时间，降低mos管的损耗。

主控芯片根据检测到的车载电源电压，给PortA端口（PortA）输出脉冲方波，升压电路根据A端口的信号升高电压VCC，当VCC电压超过稳压管的值后，使B端口（PortB）输出低电平，PortB再反馈给主控芯片。

其中A端口的方波占空比由两个因素决定，一个是来自检测到的车载电源信号，另一个是通过B端口反馈过来的信号。通过这两个信号的综合来决定A端口的信号，从而得到稳定的VCC电压。

根据检测到的车载电源电压VI，将VI分为三段，当VI为10~16V时为第一段，当VI为16~22V时为第二段，当VI为22到28V时为第三段。稳定工作时，三极管的每个开关周期，导通期间电感电流的增加等于关断期间电感电流的减少得到。

VI*don/(f*L)=(VCC+Vd-VI)*(1-don)/(f*L)整理后有

don=(VCC+Vd-VI)/(VCC+Vd)

其中VI为车载电源电压，VCC为升高后的电源电压，don为A端口方波占空比，f为开关频率，Vd为二极管压降，L为电感量。

根据计算公式得到最小的占空比don^min和最大占空比don^max。A端口输入的方波占空比为(don^min+don^max)/2，综合B端口反馈过来的信号。

当为低电平时，A端口方波占空为当前占空比与最小占空比和的一半作为下一个占空比，即

don=（(don^min+don^max)/2+don^min）/2

当为高电平时，A端口方波占空比为当前占空比与最大占空比和的一半作为下一个占空比，即

don=（(don^min+don^max)/2+don^max）/2

依次不断根据检测到的B端口信号和车载电源信号调整A端口方波的占空比，从而得到一个动态平衡，使VCC达到稳定。

本实施例可应用于汽车各类继电器所需，如汽车启动机、涡流缓速器、水箱风扇、ABS系统等所有需要继电之处。

尽管本文较多地使用了整合电路、大功率开关管等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (4)

1.一种电子继电器，其特征在于，包括控制输入装置、输入电路、整合电路、主控电路、驱动电路和大功率开关管；所述控制输入装置的输出端连接主控电路；所述输入电路的输入端连接电源，输出端连接主控电路；所述主控电路的第一控制端通过驱动电路连接大功率开关管的被控端；主控电路的第二控制端连接整合电路；所述大功率开关管的输入端连接电源，输出端连接负载；所述整合电路包括升压电路、整形电路和稳压电路，所述升压电路的输入端连接电源，输出端通过整形电路和稳压电路连接到驱动电路的供电端；所述大功率开关管为N沟道场效应管；所述整合电路包括电感L1、电容C9、电容C10、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、电阻R2、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、二极管D1和稳压二极管D2；电感L1的一端连接电源，另一端连接三极管Q1的集电极；三极管Q1的基极作为A端口连接主控电路的第二控制端，发射极接地；电阻R2第一端连接A端口，第二端接地；二极管D1的正极连接三极管Q1的集电极，负极连接三极管Q3的集电极；电容C10的一端连接电源，另一端连接三极管Q3的集电极；电阻R7跨接在三极管Q3的集电极和基极之间；三极管Q3的基极连接三极管Q2的发射极，三极管Q3的发射极连接驱动电路的供电端；电阻R4的一端连接三极管Q2的集电极，另一端连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接地；电阻R6跨接在三极管Q2的发射极和基极之间；稳压二极管D2的负极连接三极管Q2的基极，正极连接负载；电容C9的一端连接三极管Q3的发射极，另一端连接负载。

2.根据权利要求1所述的电子继电器，其特征在于，所述电阻R4和电阻R5的连接点为B端口，主控电路包括反馈端，B端口连接反馈端。

3.根据权利要求1或2所述的电子继电器，其特征在于，所述驱动电路包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7和二极管D3；所述三极管Q5的发射极作为驱动电路的供电端，三极管Q5的基极连接三极管Q4的集电极，三极管Q5的集电极连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接三极管Q6的集电极，三极管Q6的发射极接地，三极管Q6的基极连接主控电路；三极管Q4的基极连接主控电路，发射极通过电阻R9接地；电阻R8跨接在三极管Q5的基极和发射极之间；二极管D3的正极连接三极管Q5的集电极，负极连接大功率开关管的被控端；三极管Q7的基极连接二极管D3的正极，发射极连接二极管D3的负极，集电极连接大功率开关管的输出端；电阻R11跨接在三极管Q7的基极和集电极之间；大功率开关管的输入端连接电源，输出端连接负载。

4.一种适用于权利要求2所述的电子继电器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

一、将电源电压VI划分为三个区间，每个区间有一个电压上限和电压下限；

二、检测电源电压，判断所在范围；

三、根据公式don=(VCC+Vd-VI)/(VCC+Vd)，对VI分别取值电压上限和电压下限，计算最小的占空比don^min和最大占空比don^max；

四；检测B端口的电平，如果是低电平，则输出到A端口的下一个方波的占空比don=（(don^min+don^max)/2+don^min）/2；如果B端口是高电平，则输出到A端口的下一个方波的占空比为don=（(don^min+don^max)/2+don^max）/2；

VCC是整合电路输出到驱动电路的供电端的电压，don是主控电路输出到A端口的方波的占空比，Vd为二极管压降。