CN104044464A - 一种传感器供电输出保护隔离电路 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种传感器供电输出保护隔离电路，其特征在于：主芯片的模拟供电模块经保护隔离电路向外部传感器供电，所述保护隔离电路包括受控式电源隔离电路、保护开关电路、外部环境电源检测电路以及电压信号比较逻辑控制电路，本发明保护隔离电路可实现在失效模式时，主动对模拟供电模块和外部传感器进行开关保护和电源隔离，避免外界因素对整车控制的干扰，保证车辆控制器安全正常运行；在失效消除后可自动恢复电源对外输出。
Description
技术领域
本发明涉及汽车电子电器领域，尤其涉及车辆控制器中具有自恢复功能的传感器供电输出保护隔离电路。
背景技术
目前，新能源正在进行32bit车辆控制器的研发工作，现已完成32bit车辆控制器样件制作，在进行样件策略诊断验证测试中发现：当进行传感器电源输入引脚短电源诊断测试时，出现单片机烧坏事故；在进行短地诊断测试时，出现单片机无法正常工作，反复复位现象。
经过对试验环境勘察和设计电路原理分析，确定最终原因是由于传感器电源输出模块没有设计保护隔离电路，而单片机模拟电源输出引脚可承受外接电压峰值为6.5V，当短电源(12V)时，会直接附加到单片机模拟电源pin脚，从而造成单片机本体损坏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现一种保护电路，能够有效防止车辆控制器传感器电源输出引脚短电源或短地保护电路，从而提高车辆控制器可靠性和稳定性能，防止传感器电源输出引脚因外部短电源或短地而引发单片机工作失常或烧坏现象。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种传感器供电输出保护隔离电路，其特征在于：主芯片的模拟供电模块经保护隔离电路向外部传感器供电；
所述保护隔离电路包括受控式电源隔离电路、保护开关电路、外部环境电源检测电路以及电压信号比较逻辑控制电路，所述模拟供电模块依次经受控式电源隔离电路和保护开关电路向外输出供电，所述外部环境电源检测电路采集保护开关电路输出端电压信号，并将信号输送至电压信号比较逻辑控制电路，所述电压信号比较逻辑控制电路输出隔离控制信号至受控式电源隔离电路，输出保护控制信号至保护开关电路。
所述外部环境电源检测电路从车辆控制器插接件端采集5V_AN_SUPPLY_CHECK电压信号，并通过π型滤波器，以及分压电路将采集电压减低为1/5后传输给电压信号比较逻辑控制电路。
所述电压信号比较逻辑控制电路由集成运放LM2903、二极管BAS16、及外围偏置电路组成的电压上下限比较器，所述集成运放LM2903是二运放集成电路，内部包含二组形式完全相同的运算放大器。
所述电压信号比较逻辑控制电路中第一放大器的反相输入端负极引脚经分压电路连接数字电源，设定比较电平U1，第二放大器的同相输入端正极引脚经分压电路连接数字电源，设定比较电平U2，由外部环境电源检测电路采集的信号Ui分别接到第一放大器的同相输入端正极引脚，以及第二放大器的反相输入端负极引脚，第一、二放大器的输出端各通过一个二极管后并联在一起构成电压信号比较逻辑控制电路的输出端U0。
所述受控式电源隔离电路包括高隔离DC-DC芯片、复合二极管UH4PDC，去耦电容和降噪滤波器构成电路主体；
供电电源经去耦电容去耦滤波后输入至高隔离DC-DC芯片VS引脚，高隔离DC-DC芯片的输出端经π型滤波器进行电压降噪滤波后连接复合二极管UH4PDC，所述复合二极管UH4PDC是由两个反向二极管组成，其输出端连接保护开关电路，所述电压信号比较逻辑控制电路的输出端连接高隔离DC-DC芯片SYNCin引脚，由所述复合二极管UH4PDC输出的模拟电源电压经光电隔离器输出到接插件输出端，为外部传感器提供电源。
所述保护开关电路由限流电阻、RC滤波电容、偏置电阻、上拉电阻、PNP型晶体管、以及核心芯片光电耦合器构成；所述电压信号比较逻辑控制电路的输出端输出电流经限流电阻、RC滤波电容和偏置电阻连接PNP型晶体管基极，输入电源经上拉电阻和光电隔离器连接PNP型晶体管集电极，所述PNP型晶体管基极射极接地。
一种电压信号比较逻辑控制电路比较器配置方式：
若选择U1>U2，则当输入电压Ui越出[U2，U1]区间范围时，U0输出高电平，构成电压双限指示器；
若选择U2>U1，则当输入电压在[U2，U1]区间范围时，U0输出高电平，构成“窗口”电压指示器；
U1设定为0.7V，U2设定为1.25V。
本发明保护隔离电路可实现在失效模式时，主动对模拟供电模块和外部传感器进行开关保护和电源隔离，避免外界因素对整车控制的干扰，保证车辆控制器安全正常运行；在失效消除后可自动恢复电源对外输出。
此外本专利的改进前后电源模块结构框图如图1、2所示，改进为了减小设计变更工作量，缩短产品开发周期，尽可能减低设变成本，在模拟电源输出和接插件输出端之间增加保护隔离电路模块，实现在不影响原有单元模块基础上完善产品硬件功能安全的目的
附图说明
下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：
图1为改进前传感器供电输出电路结构框图；
图2为改进后传感器供电输出电路结构框图；
图3为保护隔离电路原理框图；
图4为保护隔离电路原理图；
图5为受控式电源隔离电路原理图
图6为外部环境电源检测电路和局部电压信号比较逻辑控制电路的原理图；
图7为具备电压信号比较逻辑控制电路原理图。
具体实施方式
参见图2、3可知主芯片的模拟供电模块经保护隔离电路向外部传感器供电；其中保护隔离电路包括受控式电源隔离电路、保护开关电路、外部环境电源检测电路以及电压信号比较逻辑控制电路。下面就各个电路依次说明。
外部环境电源检测电路从车辆控制器插接件端采集5V_AN_SUPPLY_CHECK电压信号，然后流经由R187(20kΩ)和R189(5kΩ)构成的分压电路，将采集电压减低为1/5后(考虑到车辆控制器使用环境：国内乘用车辆电器系统电压等级均为12V系统，故一般情况下，车辆控制器模拟供电输出pin脚只可能存在12V短电源和0V短地风险，且车辆控制器模拟电源正常输出电压为5V)输入到窗口比较器。
具体采集信号处理结果如表1说明：
表1
此外，为了消除外界信号干扰及模拟电压采集信号噪音，电压检测电路中设计有由C161(10nF100v),C162(22nF16v)及R187构成的π型滤波器。R190(4.7kΩ)起到限流作用。电压检测电路将5V_AN_SUPPLY_CHECK电压信号采集进来并做降压、滤波处理后，将信号传输给电压信号比较逻辑控制电路。
电压信号比较逻辑控制电路的核心是由集成运放LM2903、二极管BAS16、及外围偏置电路组成的窗口比较器(具体如图6、7所以)，LM2903是二运放集成电路，它的内部包含二组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，二组运放相互独立。窗口比较器由数字电源W_5V_CODE提供电源输入，电压信号比较逻辑电路采用两个LM2903运放组成一个电压上下限比较器，电阻R191、R192组成分压电路，输入到运放LM2903-A(第一放大器)的反相输入端(-)引脚，为运放LM2903-A设定比较电平U1；电阻R193、R194组成分压电路，输入到运放LM2903-B(第二放大器)的同相输入端(+)引脚，为运放LM2903-B设定比较电平U2。电压采集信号Ui分别接到运放LM2903-A的同相输入端(+INA)和LM2903-B的反相输入端(-INB)，参考电压UH和UL分别加在LM2903-A的反相输入端(-INA)和LM2903-B的同相输入端(+INB).两个集成运放的输出端(OUTA、OUTB)各通过一个二极管(D9,D10)后并联在一起，成为窗口比较器的输出端U0,然后经过R180和R183限流对外输出控制信号(DCP010505B_SYNCin)到高隔离DC-DC芯片DCP010505BP和保护开关电路。
上述电压信号比较逻辑控制电路说明如下：
根据比较器电路特性可有两种配置方式：
若选择U1>U2，则当输入电压Ui越出[U2，U1]区间范围时，U0输出高电平，这便是一个电压双限指示器。
若选择U2>U1，则当输入电压在[U2，U1]区间范围时，U0输出高电平，这是一个“窗口”电压指示器。
本专利提出的电压信号比较器电路采用窗口比较器形式设计，具体比较器逻辑电平说明如下：
比较电平设置：分压电路的电源皆取至W_5V_CODE,根据单片机模拟电源输出pin脚可承受最大电压值、车辆控制器外围油门踏板传感器、真空压力传感器的可正常工作最低电压值、以及设计经验等诸多因素合理设置比较电压值，现设置比较电压U1，U2则分别为U1＝5*(1/7)＝0.7V,U2＝5*(1/4)＝1.25V
分压电阻选用：根据电阻分压计算公式：
U1＝5V*[R192/(R191+R192)]＝0.7V；
U2＝5*[R194/(R193+R194)]＝1.25V，
以及设计经验选择分压电阻R33、R34、R35、R36的阻值分别为R191＝6KΩ,R192＝1kΩ，R193＝3kΩ，R194＝1kΩ；
当Ui＞U2＝1.25V＞U1或Ui＜U1＝0.7V＜U2时，OUTA、OUTB均为低电平，D9、D10均不导通，U0为低电平0V。
当U2＝1.25V＞Ui＞U1＝0.7V时，OUTA、OUTB均为低电平，D9、D10均导通，U0输出高电平(忽略二极管正向压降)。
结合可能存在的失效模式、电压检测电路的电压处理结果、以及比较器电路逻辑特性可实现逻辑判断，具体如表2说明
表2
受控式电源隔离如图5所示，包括电源隔离电路和保护开关电路，实现对传感器供电输出的双重保护功能。
受控式电源隔离电路是为实现单片模拟电源与接插件输出端的有效隔离，避免因瞬间短电源或短地失效引起单片机窜电烧坏或工作失常。电源隔离电路的主要核心芯片是Burr-Brown公司的高隔离DC-DC芯片DCP010505BP和复合二极管UH4PDC.DCP010505BP是一种下封装的1W可控DC/DC隔离转换器，隔离电压可达1000V，具有转换效率高(可达85％)、热保护、短路保护、可同步可控方式工作。本电路中采用DCP010505BP芯片，主要是可以利用其内部的看门狗电路灵活实现上下电控制管理，DCP010505BP芯片的Vout输出是受SYNCin和VS控制，且控制延时很短，仅为2us。内部看门狗电路监测VS的电压，当VCC电压高于4V，如果SYNCin引脚为高电平，DCP010505BP内部的起振电路开始工作，DCP010505BP的DC/DC模块正常工作，Vout对外输出5V电压；如果SYNCin引脚为低电平时，DCP010505BP内部的起振电路停止工作，看门狗电路监测到起振电路停止工作，然后驱动晶体管，禁止DC/DC转换，使DCP010505BP进入Shuting Down模式状态。复合二极管UH4PDC是由两个反向二极管组成的复合管，主要是防止在端电源时，大电流注入对DCP010505BP芯片，以及单片机的损坏。
受控式电源隔离电路构成：由DCP010505BP芯片、复合二极管UH4PDC、去耦电容C146(47UF16V)、降噪滤波器构成电源隔离电路主体；由限流电阻R183(22kΩ)、RC滤波电容C160(10nF16V)、偏置电阻R184(10K)、下拉电阻R185(10K)、PNP型晶体管(PMBT5551)、以及限流电阻R186(4.7K)构成隔离控制电路(具体见图4所示)。
受控式电源隔离电路工作原理：模拟电源电压W_5V_AN通过电容C146(47UF16V)去耦滤波，输入电压到DCP010505BP的VS脚，经过DCP010505BP隔离转换，并通过电容C158(47UF100V)、电容C157(10nF100V)和电阻R179(4.7kΩ)构成的π型滤波器，进行电压降噪滤波，然后经复合二极管UH4PDC输出到保护开关电路模块。当逻辑控制pin脚(5V_AN_SUPPLY_ENABLE)为高电平时，电源隔离控制引脚(DCP010105BP_SYNCin_ENABLE)也为高电平，DCP010505BP内部的起振电路开始工作，DCP010505BP的DC/DC模块正常工作，Vout对外输出5V电压；当逻辑控制pin脚(5V_AN_SUPPLY_ENABLE)为低电平时，电源隔离控制引脚(DCP010105BP_SYNCin_ENABLE)也为低电平，此时DCP010505BP进入ShutingDown模式状态，Vout不对外进行5V电压输出。从而实现了单片模拟电源(W_5V_AN)与接插件输出端的有效隔离.
保护开关电路是为实现电源隔离电路与接插件输出端的有效隔离，避免因长时间短电源失效对隔离芯片DCP010505BP和复合二极管UH4PDC造成损坏。保护开关电路的主要核心芯片是光电耦合器PC817。
保护开关电路构成：由限流电阻R180(22kΩ)、RC滤波电容C159(10nF16V)、偏置电阻R181(10K)、上拉电阻R182(10K)、PNP型晶体管(PMBT5551)、以及核心芯片光电耦合器PC817构成(具体见图4所示)。
保护开关电路工作原理：经复合二极管UH4PDC输出到保护开关电路模块的模拟电源电压W_5V_AN，经光电隔离器PC817，输出到接插件输出端，为外部传感器提供电源。当逻辑控制pin脚(5V_AN_SUPPLY_ENABLE)为高电平时(正常工作情况下)，NPN型半导体三极管Q17发射极和集电极导通，光电隔离器闭合，模拟电源电压W_5V_AN正常对外输出；当逻辑控制pin脚(5V_AN_SUPPLY_ENABLE)为低电平时(短电源或短地情况下)，晶体管Q17基级和集电级截止，光电隔离器断开，模拟电源电压W_5V_AN不对外输出；通过光电隔离器实现了单片模拟电源(W_5V_AN)与接插件输出端的二次隔离，配合电源隔离芯片DCP010505BP和复合二极管UH4PDC的使用，使系统具有更好的保护隔离可靠性。
综合以上分析说明，考虑到可能存在的失效模式、电压检测电路的电压处理结果、比较器电路逻辑特性、以及保护隔离处理机制等信息汇总逻辑状态表3如下：
表3
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种传感器供电输出保护隔离电路，其特征在于：主芯片的模拟供电模块经保护隔离电路向外部传感器供电；
所述保护隔离电路包括受控式电源隔离电路、保护开关电路、外部环境电源检测电路以及电压信号比较逻辑控制电路，所述模拟供电模块依次经受控式电源隔离电路和保护开关电路向外输出供电，所述外部环境电源检测电路采集保护开关电路输出端电压信号，并将信号输送至电压信号比较逻辑控制电路，所述电压信号比较逻辑控制电路输出隔离控制信号至受控式电源隔离电路，输出保护控制信号至保护开关电路。
2.根据权利要求1所述的传感器供电输出保护隔离电路，其特征在于：所述外部环境电源检测电路从车辆控制器插接件端采集5V_AN_SUPPLY_CHECK电压信号，并通过π型滤波器，以及分压电路将采集电压减低为1/5后传输给电压信号比较逻辑控制电路。
3.根据权利要求1或2所述的传感器供电输出保护隔离电路，其特征在于：所述电压信号比较逻辑控制电路由集成运放LM2903、二极管BAS16、及外围偏置电路组成的电压上下限比较器，所述集成运放LM2903是二运放集成电路，内部包含二组形式完全相同的运算放大器。
4.根据权利要求3所述的传感器供电输出保护隔离电路，其特征在于：所述电压信号比较逻辑控制电路中第一放大器的反相输入端负极引脚经分压电路连接数字电源，设定比较电平U1，第二放大器的同相输入端正极引脚经分压电路连接数字电源，设定比较电平U2，由外部环境电源检测电路采集的信号Ui分别接到第一放大器的同相输入端正极引脚，以及第二放大器的反相输入端负极引脚，第一、二放大器的输出端各通过一个二极管后并联在一起构成电压信号比较逻辑控制电路的输出端U0。
5.根据权利要求4所述的传感器供电输出保护隔离电路，其特征在于：所述受控式电源隔离电路包括高隔离DC-DC芯片、复合二极管UH4PDC，去耦电容和降噪滤波器构成电路主体；
供电电源经去耦电容去耦滤波后输入至高隔离DC-DC芯片VS引脚，高隔离DC-DC芯片的输出端经π型滤波器进行电压降噪滤波后连接复合二极管UH4PDC，所述复合二极管UH4PDC是由两个反向二极管组成，其输出端连接保护开关电路，所述电压信号比较逻辑控制电路的输出端连接高隔离DC-DC芯片SYNCin引脚，由所述复合二极管UH4PDC输出的模拟电源电压经光电隔离器输出到接插件输出端，为外部传感器提供电源。
6.根据权利要求5所述的传感器供电输出保护隔离电路，其特征在于：所述保护开关电路由限流电阻、RC滤波电容、偏置电阻、上拉电阻、PNP型晶体管、以及核心芯片光电耦合器构成；所述电压信号比较逻辑控制电路的输出端输出电流经限流电阻、RC滤波电容和偏置电阻连接PNP型晶体管基极，输入电源经上拉电阻和光电隔离器连接PNP型晶体管集电极，所述PNP型晶体管基极射极接地。
7.一种电压信号比较逻辑控制电路比较器配置方式，其特征在于：
若选择U1>U2，则当输入电压Ui越出[U2，U1]区间范围时，U0输出高电平，构成电压双限指示器；
若选择U2>U1，则当输入电压在[U2，U1]区间范围时，U0输出高电平，构成“窗口”电压指示器；
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