CN104506029A - 带模拟负载的电源启动电路和断路器的电子式控制器 - Google Patents

Abstract

带模拟负载的电源启动电路，包括监控电源电压的电压监控电路、模拟负载单元和电源转换芯片U2；所述电压监控电路包括电压监控芯片U1，电压监控电路的输入端与电源连接，电压监控电路的输出端与电源转换芯片U2和模拟负载单元连接；当电源的电压小于启动阈值时，电压监控电路使电源转换芯片U2不工作且导通电源与模拟负载单元的连接；当电源的电压大于启动阀值时，电压监控电路使电源转换芯片U2输出工作电压到正常工作负载且截止电源与模拟负载单元的连接。本发明的电源启动电路通过电压监控芯片监控电源，在电源真正达到启动条件后启动电源转换电路，实现负载的平稳切换。本发明还提供了包括电源启动电路的断路器的电子式控制器。

Description

带模拟负载的电源启动电路和断路器的电子式控制器

技术领域

[0001] 本发明属于低压电器领域，涉及一种带模拟负载的电源启动电路和包括该电源启动电路的断路器的电子式控制器。

背景技术

[0002] 低压断路器电流保护方式最初为热磁式及电磁式，随着电子技术的发展，上世纪90年代开始研发及使用电子式控制器，电子式控制器采用电流互感器输出作为电流采样信号，同时利用电流互感器输出作为电子脱扣器的电源供给。

[0003] 但由于智能塑壳断路器电流互感器输出能量有限，输出功率较低，所以对控制器电路功耗要求低功耗。且智能塑壳断路器替代的为原热磁式及电磁式产品，要求控制器尽量控制成本，提高智能塑壳断路器的竞争力。智能塑壳断路器最小壳架电流只有100A或125A，所以要求控制器尽量控制体积。

[0004] 现有的电子式控制器的电流采样电路如图1-2所示，由于采用全波整流方式，且信号为负信号，需经过运放进行反向放大处理，造成控制器存在以下缺陷及不足:1)由于元器件增多，PCB板布板面积增大，导致控制器体积较大；2)由于增加运放进行反向放大处理，导致控制器功耗增加，对互感器的要求增加；3)由于元器件增多，导致成本增加，使智能塑壳断路器成本偏高；4)由于采用全波整流采用，接地电流无法采样，控制器无法实现接地保护功能。

[0005] 而且，低压断路器的电子式控制器电源主要来源于电流互感器，特别是智能塑壳断路器，由于没有辅助电源，只能依靠电流互感器产生的电源保证工作。但是，由于断路器主电路电流波动较大，如白天电流大，夜晚电流小，使控制器电源电路频繁工作于正常及不正常的临界状态，将导致控制器工作不稳定，出现误动作、误显示等情况。

[0006] 如图5所示，现有电子式控制器电源通常采用由电阻、稳压管、三极管组成的电源启动电路，即当输入电源电压Vin大于稳压管DZl导通电压时，三极管Ql导通，电源芯片Ul使能端EN电平为低电平，由于电源芯片Ul为低电平使能工作，所以电源芯片Ul输出端Vout输出转换后的电源如:+5V、+3.3V„后端负载RL开始工作，由于负载RL需一定的能量，当前端电源输入Vin能量较小时，将导致Vin电压跌落，使电源电压Vin低于稳压管DZl导通电压，使三极管Ql截止，电源芯片Ul使能端EN电平变为高电平，电源芯片将输出端Vout将停止输出。由于后端负载失去电源供给，电源电压Vin将继续升高电压，又出现大于稳压管DZl导通电压的情况，周而复始，所以电源芯片Ul—直处于开通与关闭的循环工作状态，将使电子式控制器处于不稳定工作状态，容易出现误动作及误显示等故障。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种结构简单、可靠性高、工作稳定的带模拟负载的电源启动电路和断路器的电子式控制器。

[0008] 为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案:

[0009] 一种带模拟负载的电源启动电路，包括监控电源电压的电压监控电路202、模拟负载单元203和电源转换芯片U2 ;所述电压监控电路202包括电压监控芯片Ul，电压监控电路202的输入端与电源连接，电压监控电路202的输出端与电源转换芯片U2和模拟负载单元203连接；当电源的电压小于启动阈值时，电压监控电路202使电源转换芯片U2不工作且导通电源与模拟负载单元203的连接；当电源的电压大于启动阀值时，电压监控电路202使电源转换芯片U2输出工作电压到正常工作负载且截止电源与模拟负载单元203的连接。

[0010] 进一步，在电压监控电路202与电源之间还设有电源电压信号取样单元201 ;电源转换芯片U2与工作负载之间设有滤波单元204。

[0011] 进一步，所述电压监控芯片Ul内部包含有施密特触发器，在电源转换芯片U2输出工作电压到正常工作负载后，施密特触发器触发电压监控芯片Ui调整启动阀值到释放阀值，且释放阀值小于启动阀值。

[0012] 进一步，模拟负载单元203的负载大于或等于电源启动后的正常工作负载。

[0013] 进一步，所述模拟负载单元203包括三极管Q2和模拟负载电阻R7，三极管Q2的基极与电压监控芯片Ul的输出端VOUT连接，集电极经模拟负载电阻R7与电源的正极连接，发射极与电源的负极连接。

[0014] 进一步，所述电压监控电路202还包括二极管Ql和电阻R5，二极管Ql的基极与电压监控芯片Ul的输出端VOUT连接，集电极与电阻R5 —端和电源转换芯片U2的使能端EN连接，发射极与电源的负极连接，电源转换芯片U2的输入端VIN与电源的正极连接，电阻R5另一端与电源的正极连接。

[0015] 进一步，电源转换芯片U2的输入端VIN与电源的正极连接，接地端GND与电源的负极连接，使能端EN与电压监控芯片Ul的输出端VOUT连接，电源转换芯片U2的输出端VOUT与工作负载连接。

[0016] 进一步，所述电压监控电路202还包括三极管Q3，三极管Q3的基极与电压监控芯片Ul的输出端VOUT连接，集电极与电源的正极连接，发射极与电源转换芯片U2的输入端VIN连接。

[0017] 本发明还提供了一种断路器的电子式控制器，包括上述的电源启动电路。

[0018] 本发明的电源启动电路通过电压监控芯片监控电源，模拟负载电路模拟工作负载，在电源真正达到启动条件后启动电源转换电路，同时模拟负载断开，实现负载的平稳切换，使电子式控制器正常工作后，电源电压不会再跌落，从而保证电子式控制器工作于稳定工作状态。

附图说明

[0019] 图1是现有技术的电流采样电路的电路图；

[0020] 图2是现有技术的电流采样电路的波形演变图；

[0021] 图3是本发明新型电流采样电路的电路图；

[0022] 图4是本发明新型电流采样电路的波形演变图；

[0023] 图5是现有技术的电源启动电路的电路图；

[0024] 图6是本发明的电源启动电路实施例一电路图；

[0025] 图7是本发明的电源启动电路实施例二电路图；

[0026] 图8是本发明的电源启动电路实施例三电路图。

具体实施方式

[0027] 以下结合附图1至8给出的实施例，进一步说明本发明的电子式控制器的具体实施方式。本发明的电子式控制器不限于以下实施例的描述。

[0028] 如图3-4所示，一种智能塑壳断路器的电子式控制器，包括半波采样的新型电流采样电路，所述新型电流采样电路包括与电流互感器连接的电流互感器接口 101、整流单元102、半波电流转换电路103和信号抬升电路104。电子式控制器的电流互感器与新型电流采样电路的电流互感器接口 101连接，电子式控制器的微控制器与信号抬升电路104连接，整流单元102连接与电子式控制器的电源电路连接为电子式控制器供电。电流互感器接口101与电子式控制器的电流互感器连接取得电流采样信号，整流单元102与电流互感器接口 101连接对电流采样信号进行整流，并且整流单元102与电子式控制器的的电源电路连接输出电源VDD给电子式控制器供电，半波电流转换电路103与整流单元102连接将电流采样信号转换为电压信号并半波取样，信号抬升电路104与半波电流转换电路103连接将半波取样的电压信号经抬升基准电压Vref抬升为正信号并输出给电子式控制器的微处理器的ADC采样接口。

[0029] 本发明的新型电流采样电路将电流信号的采样方式由全波采样改为半波采样，且取消运放放大的方式，更改为在基准电压的基础上直接抬升的方式，这样可以降低控制器功耗、降低成本、缩小体积。特别是适用用于塑壳断路器的电子式控制器的电流采样电路，可有效降低电子式控制器体积和成本。

[0030] 本实施例的智能塑壳断路器为四极断路器，具有四个电流互感器，LA、LB、LC、LN为四个电流互感器的输入端。所述电流互感器接口 101包括五个可与四个电流互感器连接的输入端，电流互感器接口 101的其中四个输入端分别与四个电流互感器的一个信号输入端连接，第五个输入端同时与四个电流互感器的另一个信号输入端连接。如果是三极断路器，也可以只有LA、LB、LC三路电流互感器的输入端，电流互感器接口 101可以只有四个输入端。

[0031] 所述整流单元102包括整流二极管DlOl〜Dl 10，整流单元102的整流二极管可以为单只封装，也可以为多只封装，本实施例的整流单元102为有公共端的全波整流方式。半波电流转换电路103包括取样电阻RlOl〜R105，取样电阻将电流信号转换为电压信号，信号取样只进行半波取样，电阻RlOl〜R104为LA、LB、LC、LN四极信号的取样电阻，R105为四极矢量和的取样电阻(用于接地电流取样)。信号抬升电路104包括电阻R201〜R210，电流信号经过电阻分压及抬升基准电压Vref的抬升，使信号由负信号变为正信号，再输入到微处理器的ADC采样接口。

[0032] 所述整流单元102包括五个整流子单元，每个整流子单元均包括两个整流二极管，整流二极管DlOl〜Dl 10组成五个整流子单元；所述半波电流转换电路103包括五个半波电流转换子电路，每个半波电流转换子电路均包括一个取样电阻，取样电阻RlOl〜R105组成五个半波电流转换子电路；所述的信号抬升电路包括五个信号抬升子电路，每个信号抬升子电路均包括两个电阻，电阻R201〜R210组成五个信号抬升子电路。电流互感器接口 101的五个输入端分别与五个整流子单元连接，五个整流子单元的一端连接到一起后与电源电路连接，五个整流子单元的另一端分别与五个半波电流转换子电路的一端连接，同时分别与五个信号抬升子电路的一端连接，五个半波电流转换子电路的另一端连接到一起后接地；五个信号抬升子电路的另一端连接到一起后与抬升基准电压Vref连接；五个信号抬升子电路具有可与微处理器连接的五个输出端；五个输入单可以分别与微处理器的ADC采样接口的五个管脚连接。当然，如果是三极断路器则各子电路的数量可以为四个。

[0033] 新型电流采样电路的具体连接如图3所示，以电流互感器的信号输入端LA的一路采样信号的电路进行说明。整流二极管D106的负极与整流二极管DlOl的正极连接，整流二极管D106与整流二极管DlOl的连接点与电流互感器的信号输入端LA的一个信号输入端连接，整流二极管DlOl的负极与电源电路连接；整流二极管D106的正极与对应的取样电阻RlOl —端连接，整流二极管D106与取样电阻RlOl的连接点与对应的电阻R209 —端连接，取样电阻RlOl的另一端接地；电阻R209的另一端和电阻R210 —端连接，电阻R209和电阻R210的连接点与微处理器的的管脚AD_IA连接输出采样信号，电阻R210的另一端与抬升基准电压Vref连接。

[0034] 将电流互感器的信号输入端LA的该信号输入端设为第一监测点UA1，将整流二极管D106与取样电阻RlOl的连接点设为第二监测点UA2，将电阻R209和电阻R210的连接点设为第三监测点UA3，可获得LA相电流波形演变过程。LA相电流波形演变过程如图4所不O

[0035] 本发明的新型电流采样电路的整流电路采用独立的二极管进行连接且取样电阻串接于整流二极管的正端后接整流公共地，取样电阻电压信号经过基准电压直接抬升，并采用电阻分压的方式进入微控制器的A/D转换口。采用半波采样代替全波采样，采用信号直接抬升的方式代替运放反向放大，功耗低、元器件少、成本低、体积小，可以降低断路器电子式控制器的成本，缩小控制器的体积。

[0036] 如图3、6_8所示，本发明的电子式控制器的电源电路设有带模拟负载的电源启动电路，电源启动电路包括监控电源电压的电压监控电路202、模拟负载单元203和电源转换芯片U2 ;所述电压监控电路202包括电压监控芯片Ul，电压监控电路202的输入端与电源连接，电压监控电路202的输出端与电源转换芯片U2和模拟负载单元203连接；当电源的电压小于启动阈值时，电压监控电路202导通电源与模拟负载单元203的连接，截止电源与电源转换芯片U2的连接；当电源的电压大于启动阀值时，电压监控电路202截止电源与模拟负载单元203的连接，导通电源与电源转换芯片U2的连接。优选的，在电压监控电路202与电源之间还设有电源电压信号取样单元201 ;电源转换芯片U2与工作负载之间设有滤波单元204。本发明的电源启动电路通过电压监控芯片监控电源，模拟负载电路模拟工作负载，在电源真正达到启动条件后启动电源转换电路，同时模拟负载断开，实现负载的平稳切换，使电子式控制器正常工作后，电源电压不会再跌落，从而保证电子式控制器工作于稳定工作状态。

[0037] 如图6所示，本发明带模拟负载的电源启动电路的实施例一，所述电源电压信号取样单元201包括串联连接在电源的正极(Vin+端)和负极(Vin-端)之间的电阻Rl和电阻R2，电压监控电路202包括电压监控芯片U1、电阻R3、电阻R4、电阻R5和三极管Ql，所述模拟负载单元203包括电阻R6、三极管Q2和模拟负载电阻R7，滤波单元204包括电容Cl、电容C2。电阻Rl和电阻R2的连接点与电压监控芯片Ul的输入端VDD连接，电压监控芯片Ul的输入端VSS与电源的负极连接，电阻R3—端与电源的正极连接，另一端与电阻R4一端、电阻R6 —端和电压监控芯片Ul的输出端VOUT连接；电阻R4另一端与二极管Ql的基极连接，二极管Ql的集电极与电阻R5 —端和电源转换芯片U2的使能端EN连接，发射极与电源的负极连接，电源转换芯片U2的输入端VIN与电源的正极连接，电阻R5另一端与电源的正极连接；电阻R6的另一端与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的集电极经模拟负载电阻R7与电源的正极连接，发射极与电源的负极连接。电源转换芯片U2的接地端GND与电源的负极连接，电源转换芯片U2的输出端VOUT经滤波单元204输出工作电压，电容Cl、电容C2和电阻RL并联，并联的一端与电源转换芯片U2的输出端VOUT连接，另一端与电源的负极连接。

[0038] 本实施例中，电源转换芯片U2的使能端EN为低电平使能工作，当使能端EN为高电平时，电源转换芯片U2输出端VOUT输出关闭，无工作电源输出。本实施例的电源启动电路的启动过程如下，电源电压信号取样单元201对电源电压进行分压取样，将电阻分压驱动的电压信号输入到电压监控芯片Ul输入端VDD。当输入端VDD的电压信号小于电压监控内部的启动阀值时，电压监控芯片Ul输出端Vout输出低电平，三极管Ql不导通，使电源转换芯片U2的使能端EN为高电平，由于电源转换芯片U2为低电平使能工作，所以电源转换芯片U2输出端Vout输出关闭，无电源输出；同时，模拟负载单元203中的三极管Q2导通，使模拟负载电阻R7处于通电状态。当输入端VDD的电压信号大于电压监控内部启动阀值时，电压监控芯片Ul输出端Vout输出高电平，三极管Ql导通，使电源转换芯片U2使能端EN为低电平，由于电源转换芯片U2为低电平使能工作，所以电源转换芯片U2输出端Vout输出开通，输出电源工作电压Vout，工作电压Vout经滤波单元204滤波后输出到正常负载RL ;同时，模拟负载单元203中的三极管Q2截止，使模拟负载电阻R7处于不通电状态，电源负载由模拟负载R7平稳切换到正常负载RL。而且，所述电压监控芯片Ul内部包含有施密特触发器，正常负载RL工作后，施密特触发器触发电压监控芯片Ul自动调整启动阀值到释放阀值，且释放阀值小于启动阀值，使后端负载单元正常工作，不会出现电源能量不足使电源转换芯片U2反复启动的现象。

[0039] 如图7所示，本发明带模拟负载的电源启动电路的实施例二，本实施例与实施例一的不同之处在于，电源转换芯片U2的使能端EN为高电平使能工作，当使能端EN为低电平时，电源转换芯片U2输出端VOUT输出关闭，无工作电源输出。因此本实施例的电压监控电路202包括电压监控芯片U1、电阻R3，取消了三极管Q1。电阻Rl和电阻R2的连接点与电压监控芯片Ul的输入端VDD连接，电压监控芯片Ul的输入端VSS与电源的负极连接，电阻R3 —端与电源的正极连接，另一端与电阻R6 —端和电压监控芯片Ul的输出端VOUT连接；电源转换芯片U2的使能端EN与电压监控芯片Ul的输出端VOUT连接，输入端VIN与电源的正极连接，接地端GND与电源的负极连接；电阻R6的另一端与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的集电极经模拟负载电阻R7与电源的正极连接，发射极与电源的负极连接。电源转换芯片U2的输出端VOUT经滤波单元204输出工作电压，电容Cl、电容C2并联，并联的一端与电源转换芯片U2的输出端VOUT连接，另一端与电源的负极连接。当输入端VDD的电压信号小于电压监控内部的启动阀值时，电压监控芯片Ul输出端Vout输出低电平，电源转换芯片U2输出端Vout输出关闭，无电源输出；三极管Q2导通，使模拟负载电阻R7处于通电状态。当输入端VDD的电压信号大于电压监控内部启动阀值时，电压监控芯片Ul输出端Vout输出高电平，所以电源转换芯片U2输出端Vout输出开通，输出电源工作电压Vout ；同时，三极管Q2截止，使模拟负载电阻R7处于不通电状态，电源负载由模拟负载R7平稳切换到正常负载RL。而且，电压监控芯片Ul自动调整启动阀值到释放阀值，使后端负载单元正常工作，不会出现电源能量不足使电源转换芯片U2反复启动的现象。

[0040] 如图8所示，本发明带模拟负载的电源启动电路的实施例三，本实施例与实施例一的不同之处在于，电源转换芯片U2为不带使能工作的芯片，只要电源转换芯片U2的输入端VIN与电源正极导通则电源转换芯片U2输出端VOUT输出开通，输出电源工作电压Vout。本实施例的电压监控电路202包括电压监控芯片U1、电阻R3和三极管Q3，电阻Rl和电阻R2的连接点与电压监控芯片Ul的输入端VDD连接，电压监控芯片Ul的输入端VSS与电源的负极连接，电阻R3 —端与电源的正极连接，另一端与电阻R6 —端和电压监控芯片Ul的输出端VOUT连接，三极管Q3的基极与电压监控芯片Ul的输出端VOUT连接，集电极与电源的正极连接，发射极与电源转换芯片U2的输入端VIN连接；电阻R6的另一端与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的集电极经模拟负载电阻R7与电源的正极连接，发射极与电源的负极连接。电源转换芯片U2的输出端VOUT经滤波单元204输出工作电压，电容Cl 一端与电源转换芯片U2的输出端VOUT连接另一端与电源负极连接，电容C2 —端与电源转换芯片U2的输出端VOUT连接另一端接地。当输入端VDD的电压信号小于电压监控内部的启动阀值时，电压监控芯片Ul输出端Vout输出低电平，三极管Q3不导通，电源转换芯片U2的输入端VIN无电源输入，电源转换芯片U2输出端Vout输出关闭，无电源输出；同时三极管Q2导通，使模拟负载电阻R7处于通电状态。当输入端VDD的电压信号大于电压监控内部启动阀值时，电压监控芯片Ul输出端Vout输出高电平，三极管Q3导通，电源转换芯片U2的输入端VIN得电，电源转换芯片U2输出端Vout输出开通，输出电源工作电压Vout ;同时，三极管Q2截止，使模拟负载电阻R7处于不通电状态，电源负载由模拟负载R7平稳切换到正常负载RL。而且，电压监控芯片Ul自动调整启动阀值到释放阀值，使后端负载单元正常工作，不会出现电源能量不足使电源转换芯片U2反复启动的现象。

[0041] 显然，本发明的电源启动电路可以不设置电源电压信号取样单元201和滤波单元204。电压监控芯片Ul也可以为当输入端VDD的电压信号小于电压监控内部的启动阀值时输出高电平，当输入端VDD的电压信号大于电压监控内部的启动阀值时输出低电平，这样其他控制电路将相应进行反向调整即可。

[0042] 本发明在电子式控制器的电源转换电路前增加电源启动电路，且电源启动电路带模拟负载，当电源转换电路未开通时，模拟负载一直处于工作状态，当断路器电流增大，达到启动条件时，电源转换电路开通，同时模拟负载断开，实现负载的平稳切换，使电子式控制器正常工作后，电源电压不会再跌落，从而保证电子式控制器工作于稳定工作状态。电源启动电路的模拟负载大于或等于电源启动后的实际工作负载，而且，所述电压监控芯片Ul内部包含有施密特触发器，正常负载工作后，电压监控芯片Ul自动调整启动阀值到更小的释放阀值，使后端负载单元正常工作，不会出现电源能量不足使电源转换芯片U2反复启动的现象，可有效提高电子式控制器的可靠性。

[0043] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的 O

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Claims (9)

1.一种带模拟负载的电源启动电路，其特征在于:包括监控电源电压的电压监控电路(202)、模拟负载单元(203)和电源转换芯片U2 ;所述电压监控电路(202)包括电压监控芯片U1，电压监控电路(202)的输入端与电源连接，电压监控电路(202)的输出端与电源转换芯片U2和模拟负载单元(203)连接；当电源的电压小于启动阈值时，电压监控电路(202)使电源转换芯片U2不工作且导通电源与模拟负载单元(203)的连接；当电源的电压大于启动阀值时，电压监控电路(202)使电源转换芯片U2输出工作电压到正常工作负载且截止电源与模拟负载单元(203)的连接。

2.根据权利要求1所述的电源启动电路，其特征在于:在电压监控电路(202)与电源之间还设有电源电压信号取样单元(201);电源转换芯片U2与工作负载之间设有滤波单元(204)。

3.根据权利要求1所述的电源启动电路，其特征在于:所述电压监控芯片U1内部包含有施密特触发器，在电源转换芯片U2输出工作电压到正常工作负载后，施密特触发器触发电压监控芯片U1调整启动阀值到释放阀值，且释放阀值小于启动阀值。

4.根据权利要求1所述的电源启动电路，其特征在于:模拟负载单元(203)的负载大于或等于电源启动后的正常工作负载。

5.根据权利要求1-4任一所述的电源启动电路，其特征在于:所述模拟负载单元(203)包括三极管Q2和模拟负载电阻R7，三极管Q2的基极与电压监控芯片U1的输出端VOUT连接，集电极经模拟负载电阻R7与电源的正极连接，发射极与电源的负极连接。

6.根据权利要求1-4任一所述的电源启动电路，其特征在于:所述电压监控电路(202)还包括二极管Q1和电阻R5，二极管Q1的基极与电压监控芯片U1的输出端VOUT连接，集电极与电阻R5 —端和电源转换芯片U2的使能端EN连接，发射极与电源的负极连接，电源转换芯片U2的输入端VIN与电源的正极连接，电阻R5另一端与电源的正极连接。

7.根据权利要求1-4任一所述的电源启动电路，其特征在于:电源转换芯片U2的输入端VIN与电源的正极连接，接地端GND与电源的负极连接，使能端EN与电压监控芯片U1的输出端VOUT连接，电源转换芯片U2的输出端VOUT与工作负载连接。

8.根据权利要求1-4任一所述的电源启动电路，其特征在于:所述电压监控电路(202)还包括三极管Q3，三极管Q3的基极与电压监控芯片U1的输出端VOUT连接，集电极与电源的正极连接，发射极与电源转换芯片U2的输入端VIN连接。

9.一种断路器的电子式控制器，其特征在于:包括如权利要求1-8任一所述的电源启动电路。