CN103701444A

CN103701444A - 一种具有硬实时过流保护功能的功率驱动电路

Info

Publication number: CN103701444A
Application number: CN201310698053.0A
Authority: CN
Inventors: 艾铁柱; 刘卫华; 张桢; 王凌伟; 冯非; 白曦; 王寅; 章鹤; 郭建奇
Original assignee: AVIC No 631 Research Institute
Current assignee: AVIC No 631 Research Institute
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2033-12-17
Also published as: CN103701444B

Abstract

本发明提供一种具有硬实时过流保护功能的功率驱动电路，包括功率驱动单元、电流采样单元以及功率输出回绕测试单元；功率驱动单元包括控制信号总线接口S1、信号驱动达林顿阵列N1、控制信号调理电阻R4、控制信号调理电阻R5、控制信号限流电阻R6、场效应管V3、滤波器T1以及防机上电源浪涌W1；电流采样单元包括采样电阻R12、隔离输出二极管V1、电流信号转换电压信号芯片N2、过流检测芯片N3、比较器反馈电阻R1以及比较器输出上拉电阻R2；功率输出回绕测试单元包括输出调理电阻R7、输出调理电阻R8、比较器反馈电阻R11、输出状态比较器N4、输出状态基准分压电阻R9、输出状态基准分压电阻R10以及回绕采集数据总线接口S2。

Description

一种具有硬实时过流保护功能的功率驱动电路

技术领域

本发明属于机载供电系统领域，涉及一种功率驱动电路，尤其涉及一种具有硬实时过流保护功能的功率驱动电路。

背景技术

机载供电系统中存在大量的功率继电器和接触器，机载计算机驱动这些继电器和接触器需要功率控制装置和过流保护装置，传统驱动和保护电路设计，使用机载断路器或小型继电器加熔断丝实现，基本可以满足驱动和保护功能，但是这种实现方式的保护动作时间一般大于1ms，如果电路中的瞬态电流过大，将损坏机载计算机本身和后级控制电路。

近些年，随着固态功率控制器的出现，通过反时限保护算法，实现了将过流保护动作时间最快10us，但是这种固态功率控制器需要由软件实现反时限保护算法，硬件电路实现较复杂，降低了产品的可靠性。

因此急需一种无需软件参与并且由硬件实现功率驱动和过流保护的机载供电系统功率驱动电路。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术缺陷，本发明提供一种无需软件参与、完全由硬件实现的具有硬实时过流保护功能的功率驱动电路。

本发明的技术解决方案是：

本发明提供一种具有硬实时过流保护功能的功率驱动电路，其特殊之处在于：包括功率驱动单元、电流采样单元以及功率输出回绕测试单元；

所述功率驱动单元包括控制信号总线接口S1、信号驱动达林顿阵列N1、控制信号调理电阻R4、控制信号调理电阻R5、控制信号限流电阻R6、场效应管V3、滤波器T1以及防机上电源浪涌W1；

所述控制信号总线接口S1、信号驱动达林顿阵列N1、控制信号调理电阻R4、控制信号限流电阻R6依次连接；所述控制信号调理电阻R5的一端与控制信号调理电阻R4和控制信号限流电阻R6的连接点相连，另一端与电源VDC连接；

所述控制信号限流电阻R6的另一端与场效应管V3的栅极连接；

所述防机上电源浪涌W1、滤波器T1、场效应管V3的源极依次连接；

所述电流采样单元包括采样电阻R12、隔离输出二极管V1、电流信号转换电压信号芯片N2、过流检测芯片N3、比较器反馈电阻R1以及比较器输出上拉电阻R2；

所述电流信号转换电压信号芯片N2与采样电阻R12并联；所述隔离输出二极管V1与电流信号转换电压信号芯片N2、采样电阻R12串联；

所述场效应管V3的漏极、采样电阻R12、隔离输出二极管V1的正极依次连接，所述隔离输出二极管V1的负极作为功率驱动电路的输出端；采样电阻R12的两端分别与电流信号转换电压信号芯片N2的两个输入端连接；所述电流信号转换电压信号芯片N2输出端与过流检测芯片N3的正极端连接；所述比较器反馈电阻R1的一端与过流检测芯片N3的负极端连接；所述比较器反馈电阻R1的另一端和比较器输出上拉电阻R2的一端分别与过流检测芯片N3的输出端连接；所述比较器输出上拉电阻R2的另一端接电源VCC；

所述功率输出回绕测试单元包括输出调理电阻R7、输出调理电阻R8、比较器反馈电阻R11、输出状态比较器N4、输出状态基准分压电阻R9、输出状态基准分压电阻R10以及回绕采集数据总线接口S2；

所述隔离输出二极管V1的正极依次经过输出调理电阻R7、输出调理电阻R8后接地；

所述输出状态基准分压电阻R9与输出状态基准分压电阻R10串联；

所述比较器反馈电阻R11的一端、输出状态比较器N4的正极端与输出调理电阻R7和输出调理电阻R8的连接点连接；

所述输出状态基准分压电阻R9的一端接地，其另一端与输出状态基准分压电阻R10的一端以及输出状态比较器N4的负极端相连；

所述比较器反馈电阻R11的另一端和输出状态比较器N4的输出端分别与回绕采集数据总线接口S2连接；所述输出状态基准分压电阻R10另一端与外部电源连接；

上述功率驱动单元还包括设置在场效应管V3的漏极和源极之间的防干扰电容C1；

上述滤波器T1为尖峰滤波器。

上述功率驱动单元、电流采样单元以及功率输出回绕测试单元的电阻是普通电阻、精密电阻、分离电阻或网络电阻。

本发明的优点：

本发明通用性强，适用范围广，使用方便，可广泛应用于机载供电管理系统的供配电控制中，降低维修成本和维修周期，可以极大提高航空设备的可靠性，具有良好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

具体实施方式

本发明提供一种具有硬实时过流保护功能的功率驱动电路，包括功率驱动单元、电流采样单元以及功率输出回绕测试单元；功率驱动单元包括控制信号总线接口S1、信号驱动达林顿阵列N1、控制信号调理电阻R4、控制信号调理电阻R5、控制信号限流电阻R6、场效应管V3、滤波器T1以及防机上电源浪涌W1；

控制信号总线接口S1、信号驱动达林顿阵列N1、控制信号调理电阻R4、控制信号限流电阻R6依次连接；控制信号调理电阻R5的一端与控制信号调理电阻R4和控制信号限流电阻R6的连接点相连，另一端与28V电源VDC（范围为0-45V）连接；

控制信号限流电阻R6的另一端与场效应管V3的栅极连接；

防机上电源浪涌W1、滤波器T1、场效应管V3的源极依次连接；

电流采样单元包括采样电阻R12、隔离输出二极管V1、电流信号转换电压信号芯片N2、过流检测芯片N3、比较器反馈电阻R1以及比较器输出上拉电阻R2；

电流信号转换电压信号芯片N2与采样电阻R12并联；所述隔离输出二极管V1与电流信号转换电压信号芯片N2、采样电阻R12串联；

场效应管V3的漏极、采样电阻R12、隔离输出二极管V1的正极依次连接；隔离输出二极管V1的负极作为功率驱动电路的输出端；采样电阻R12的两端分别与电流信号转换电压信号芯片N2的两个输入端连接；电流信号转换电压信号芯片N2输出端与过流检测芯片N3的正极端连接；比较器反馈电阻R1的一端与过流检测芯片N3的负极端连接；比较器反馈电阻R1的另一端和比较器输出上拉电阻R2的一端分别与过流检测芯片N3的输出端连接；比较器输出上拉电阻R2的另一端接电源VCC；

功率输出回绕测试单元包括输出调理电阻R7、输出调理电阻R8、比较器反馈电阻R11、输出状态比较器N4、输出状态基准分压电阻R9、输出状态基准分压电阻R10以及回绕采集数据总线接口S2；

隔离输出二极管V1的正极依次经过输出调理电阻R7、输出调理电阻R8后接地；

输出状态基准分压电阻R9以及输出状态基准分压电阻R10串联；

比较器反馈电阻R11的一端、输出状态比较器N4的正极端与输出调理电阻R7和输出调理电阻R8的连接点连接；

输出状态基准分压电阻R9的一端接地，其另一端与输出状态基准分压电阻R10的一端以及输出状态比较器N4的负极端相连；

比较器反馈电阻R11的另一端和输出状态比较器N4的输出端分别与回绕采集数据总线接口S2连接；所述输出状态基准分压电阻R10另一端与外部电源连接，外部电源为正15V电源；

功率驱动单元还包括设置在场效应管V3的漏极和源极之间的防干扰电容C1；滤波器T1为尖峰滤波器；

功率驱动单元、电流采样单元以及功率输出回绕测试单元的电阻是普通电阻、精密电阻、分离电阻或网络电阻。

传统的功率控制装置普遍采用机械继电器作为功率输出信号控制元件，但是继电器本身存在机械动作次数有限，响应速度较慢，平均寿命较低的缺点，因此在供电系统中使用继电器进行控制信号输出，对系统整体的可靠性与使用寿命具有一定的影响。

为适应未来飞机供电系统日趋复杂的使用环境，设计一种高可靠性，高安全性，高效率，低维护成本的供电系统输出控制技术，已成为新一代机载供电管理设备的必要条件，对提高各种飞行剖面下机载设备用电的安全性具有非常重要现实意义与应用价值。

在机载电源供电领域，提出一种完全由硬件电路实现的实时功率驱动和过流保护处理方案，可实现机载供电系统大功率接触器的驱动并可以有效地保护控制输出接口安全和飞机负载安全。

a.当电路正常工作时，驱动电路中电流在正常范围内，过流保护电路不输出过流信号，功率驱动电路由输出控制端控制大功率高速开关实现对供电系统负载的控制；

b.当电路中电流超过过流点，过流保护电路产生过流信号，过流信号和驱动电路控制端经过与门最终输出控制关断信号；

c.功率驱动单元中的电流信号由电流采样单元转换为一个电压信号，通过对比采样电压和基准电压判断驱动电路是否过流；

d.采用精确的基准电压源设置过流点，同时，根据实际需要调整基准电压参数来满足不同过流点设置要求；

e.可通过内部回绕测试电路对该电路进行自检测；

f.电路设计简单，通用性强，可靠性高，符合机载电子设备要求。

1、功率驱动单元

功率驱动单元包括控制信号总线接口S1、信号驱动达林顿阵列N1、控制信号调理电阻R4、控制信号调理电阻R5、控制信号限流电阻R6、场效应管V3、控制信号防干扰电容C1、防机上电源浪涌W1以及滤波器T1；

参见图1，功率驱动单元的设计是利用信号驱动达林顿阵列N1和场效应管V3的高速开关特性实现的，通过控制场效应管V3的通断来控制输出的，而场效应管V3包括栅极、源极以及漏极；飞机直流汇流条中的28VDC电源经过滤波器T1后做为功率驱动单元输出源接入场效应管V3的源级，场效应管V3的栅极接入达林顿阵列N1的输出；

例如：若当N1输出“地”信号时，Ｒ4和Ｒ5分压28Ｖ得Ａ点电压为：

V_{A} = \frac{R 4}{R 4 + R 5} \times 28 V = 19.04 V;

在场效应管V3的栅极和源极间，当电压为-8.96V，Ｖ3开关效应为“接通”，28V正常输出；当信号驱动达林顿阵列N1输出“开”信号，场效应管V3的栅源电压为0V；当场效应管Ｖ3开关效应为“打开”，这时对外部输出开路；这时驱动电路实现的驱动能力为稳态1A，瞬态5A。

2、电流采样单元

电流采样单元包括采样电阻R12、隔离输出二极管V1、电流信号转换电压信号芯片N2、过流检测芯片N3、比较器反馈电阻R1以及比较器输出上拉电阻R2；通过采样电阻R12与功率驱动单元连接。

过流检测原理是通过采样电阻R12将功率驱动单元中的电流信号转换成电压信号，再通过电流信号转换电压信号芯片N2将电压放大，并与预先设置好的电压基准（即过流点）对比输出是否过流信号给逻辑电路。

根据实际需要，若电路设置的基准电压源为3.3V，选取的差分放大器增益为60V/V，换算为驱动电路的过流点即为5.5A，即当流过采样电阻R12的电流达到5.5A时，电流信号转换电压信号芯片N2的RS+和RS-电压差为0.055V，输出端输出3.3V，经过过流检测芯片N3比较后输出TEST端由低变高，产生过流信号，电路过流响应时间小于5us。

3、功率输出回绕测试单元

功率输出回绕测试单元包括输出调理电阻R7、输出调理电阻R8、比较器反馈电阻R11、输出状态比较器N4、输出状态基准分压电阻R9、输出状态基准分压电阻R10以及回绕采集数据总线接口S2，功率输出回绕测试单元回绕点在采样电阻R12和隔离二极管V1之间；功率输出回绕测试单元实现对功率驱动单元输出状态的监控功能，可以将28V/开输出转换为计算机可识别的TTL电平，当功率驱动单元输出28V时，N4输出5V，当功率驱动单元输出开时，N4输出0V。

Claims

1.一种具有硬实时过流保护功能的功率驱动电路，其特征在于：包括功率驱动单元、电流采样单元以及功率输出回绕测试单元；

所述控制信号限流电阻R6的另一端与场效应管V3的栅极连接；

所述输出状态基准分压电阻R9以及输出状态基准分压电阻R10串联；

所述比较器反馈电阻R11的另一端和输出状态比较器N4的输出端分别与回绕采集数据总线接口S2连接；所述输出状态基准分压电阻R10另一端与外部电源连接。

2.根据权利要求1所述的具有硬实时过流保护功能的功率驱动电路，其特征在于：所述功率驱动单元还包括设置在场效应管V3的漏极和源极之间的防干扰电容C1。

3.根据权利要求1所述的具有硬实时过流保护功能的功率驱动电路，其特征在于：所述滤波器T1为尖峰滤波器。

4.根据权利要求1所述的具有硬实时过流保护功能的功率驱动电路，其特征在于：所述功率驱动单元、电流采样单元以及功率输出回绕测试单元的电阻是普通电阻、精密电阻、分离电阻或网络电阻。