CN104578744A - 负载分级启动电路及相应漏电保护器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种负载分级启动电路，用于接收电源提供的电能，并向两个或两个以上的负载提供电能。所述负载分级启动电路包括：两个或两个以上的电能控制单元，其中每个电能控制单元用于向与之对应的负载提供供电电压，其中所述电能控制单元包括：电压检测单元，用于检测所述电能控制单元能够提供给所述负载的电压的大小，开关单元用于控制所述电能控制单元是否向所述负载提供电压；所述负载分级启动电路还包括控制装置，耦合到所述电压检测单元和所述开关单元，用于在检测到所述电能控制单元能够给相应负载提供不低于该负载的工作电压的电压时，使所述开关单元导通，并先后启动所述两个或两个以上的负载。

Description

负载分级启动电路及相应漏电保护器

技术领域

本发明涉及一种负载分级启动电路，尤其涉及一种用于漏电保护器（Residual Current Protection Device,RCD）中的负载分级启动电路。 

背景技术

漏电保护器（RCD）是一种广泛使用的电路防护装置，用来在设备发生漏电故障时打开主电路中的断路器以切断电源供电，从而防止触电事故的发生。目前的漏电保护器中，一般采用开关电源（Switching Mode Power Supply，SMPS）对其进行供电。开关电源从上电至达到稳定输出之间需要一段时间，通常将这段时间称为开关电源的启动时间。 

给漏电保护器供电的开关电源具有许多容性负载，如系统中的单片机、30%漏电继电器指示、60%漏电继电器指示、磁翻转指示、LED指示等。这些负载中需要采用大量的电容进行滤波。因此，在开关电源上电的瞬间，其输出电流较大，容易将电压拉低，造成开关电源在其启动时间范围内输出电压不稳定的现象。电压不稳定容易导致负载中的部件的误动作，还有可能导致元件故障甚至损坏，影响RCD的正常工作。另外，较大的输出电流还会导致开关电源的启动时间的增加，使开关电源需要一段较长的时间才能够实现稳定供电。 

若在开关电源的启动时间内发生了漏电事故，由于RCD还没有从开关电源得到稳定的供电，会导致RCD无法切断主电路中的电源供电。因此需要使开关电源的启动时间非常短，通常不超过40毫秒。所以，在如此短的时间内启动诸多的容性负载，所需的启动电流非常大，加剧了电压不稳定的现象的发生。 

为了减小开关电源的启动时间，避免启动时间范围内电压不稳定的现象，现有技术中通常采取增大开关电源的的输出功率的方案，但这种方案需要较大功率的变压器和开关管。这会导致RCD体积的增大和成本的升高。而且考虑到整体系统的功耗和工作效率的问题，开关电源的输出功率会受到一定的限制，不可能太高。 

发明内容

本发明旨在提供一种负载分级启动电路，可避免负载中的部件的误动作和损坏，且能够缩短开关电源的启动时间。 

本发明提供了一种负载分级启动电路，用于接收电源提供的电能，并向两个或两个以上 的负载提供电能，其中所述负载分级启动电路包括：两个或两个以上的电能控制单元，其中每个电能控制单元用于向与之对应的负载提供供电电压，其中所述电能控制单元包括：电压检测单元，用于检测所述电能控制单元能够提供给所述负载的电压的大小，开关单元用于控制所述电能控制单元是否向所述负载提供电压；控制装置，耦合到所述电压检测单元和所述开关单元，用于在检测到所述电能控制单元能够给相应负载提供不低于该负载的工作电压的电压时，使所述开关单元导通，并先后启动所述两个或两个以上的负载。 

本发明提供的负载分级启动电路，可防止因负载同时启动导致的电源启动过程中电流过大，避免负载中的部件由于电压不足够造成的误动作和损坏，且能够缩短开关电源的启动时间。 

根据本发明提供的负载分级启动电路，其中所述多个电能控制单元中的每一个包括电流限制单元，用于限制流过所述电能控制单元的电流。电流限制单元的设置进一步确保了开关电源在启动瞬间输出的电流不会过大。可选地，电流限制单元还可设置成用于限制所述电源输出的电流，而非设置在每个电能控制单元中。 

根据本发明提供的负载分级启动电路，所述电压检测单元将检测结果提供给所述控制装置，所述控制装置根据接收到的所述检测结果控制开关单元。 

根据本发明提供的负载分级启动电路，其中先后启动负载的顺序为所述多个负载的预定启动优先级的顺序。优选地，在所述预定的启动优先级顺序中，用于控制其他部件的控制单元优先启动。可选地，根据本发明提供的负载分级启动电路，其中先后启动负载的顺序为所述多个负载被提供电压的先后顺序。 

根据本发明提供的负载分级启动电路，其中所述电流限制单元由电阻器构成。根据本发明提供的负载分级启动电路，其中所述电压检测单元由串联的多个电阻器构成。根据本发明提供的负载分级启动电路，其中所述开关单元包括三极管或MOS管等开关管。根据本发明提供的负载分级启动电路，其中所述电源为开关电源。 

本发明还提供一种分级启动多个负载的方法，该方法包括：启动电源；检测所述多个负载中的每一个负载上所能够被提供的电压；当所述能够被提供的电压不低于对应的负载的工作电压时，向该对应的负载提供电压；先后启动所述多个负载。 

根据本发明提供的操作方法，其中先后启动负载的顺序为所述多个负载被提供电压的先后顺序。根据本发明提供的操作方法，其中先后启动负载的顺序为所述多个负载的预定启动优先级的顺序。 

本发明还提供一种漏电保护器，包括上述负载分级启动电路。 

本发明提供的快速启动电路，可避免负载中的部件的误动作和损坏，且能够缩短开关电源的启动时间，无需电源在启动时提供较大的输出功率，无需大功率的变压器和开关管，可减小体积、降低成本。 

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中， 

图1是根据本发明的一个实施例提供的负载分级启动电路的结构示意图； 

图2是根据本发明的又一个实施例提供的负载分级启动电路的结构示意图； 

图3是根据本发明的一个实施例提供的操作方法的示意图； 

图4是根据本发明的又一个实施例提供的负载分级启动电路的电路图。 

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。 

图1示出了根据本发明的一个实施例的负载分级启动电路，其用于使开关电源DC分级启动由该开关电源DC供电的多个负载L1、L2。该负载分级启动电路包括MCU（微控制单元）和多个电能控制单元E1、E2。其中电能控制单元E1位于开关电源DC与负载L1之间，用于控制开关电源DC向负载L1提供的电能。电能控制单元E2位于开关电源DC与负载L2之间，用于控制开关电源DC向负载L2提供的电能。当开关电源DC开始供电时，电能控制单元E1、E2限制流过其中的电流，并在电能控制单元E1、E2能够向对应的负载L1、L2提供的电压不低于该负载L1、L2的工作电压后，才开始向负载L1、L2提供电压。MCU根据负载L1、L2的优先级使负载L1、L2先后启动。 

下面以电能控制单元E1为例，详细说明电能控制单元的作用。如图1所示，电能控制单元E1包括电流限制单元C1、电压检测单元D1和开关单元S1。电流限制单元C1用于限制流过该电能控制单元E1的电流，使其不超过某一阈值电流I_th1，从而限制开关电源DC提供给电能控制单元E1的电能。电压检测单元D1用于检测电能控制单元E1能够提供给负载L1的电压，并将检测结果提供给MCU。开关单元S1用于控制负载L1上是否加电，并受到MCU的控制。当电压检测单元D1检测到该电能控制单元E1能够提供给负载L1的电压达到负载L1的工作电压后，MCU控制开关单元S1使其导通，从而使开关电源DC向负载L1提供不低于其工作电压的电压。 

如图1所示，电能控制单元E2具有与电能控制单元E1相对应的部件，包括电流限制单 元C2、电压检测单元D2和开关单元S2。各个部件的功能与电能控制单元E1中相应部件的功能相同，在此不再赘述。电能控制单元E2与电能控制单元E1共用一个MCU。 

在本实施例提供的负载分级启动电路中，用于对具有较高的第一优先级的负载L1和具有较低的第二优先级的负载L2提供分级启动。预先设定负载L1和负载L2的优先级并将设定的优先级预先提供给MCU。在开关电源DC的启动过程中，电流限制单元C1、C2的存在使开关电源DC输出的电流不会过大，从而避免开关电源DC输出的电压被拉低。开关电源DC在启动过程中，其向电能控制单元E1、E2提供的电压逐步向上攀升。在电能控制单元E1能够提供给负载L1的电压达到负载L1的工作电压之前，开关单元S1处于断开状态，使负载L1上不会加电，从而避免负载L1中的部件的误动作和损坏。在电能控制单元E2能够提供给负载L2的电压达到负载L2的工作电压之前，开关单元S2处于断开状态，使负载L2上不会加电，从而避免负载L2中的部件的误动作和损坏。 

本实施例提供的负载分级启动电路中，通过分级启动各个负载的方式，降低了开关电源在启动瞬间输出的电流，避免了负载中的部件在电压不足的情况下的误动作和损坏，无需电源在启动时提供较大的输出功率，无需大功率的变压器和开关管，可减小体积、降低成本。 

另外，本实施例通过设置电流限制单元，进一步确保了开关电源在启动瞬间输出的电流不会过大。在根据本发明的其它实施例中，若通过分级启动的方式即可使开关电源启动瞬间输出的电流低于所需的阈值电流，则也可以省略电流限制单元。 

本实施例中，以两个负载L1、L2为例，对根据本发明的负载分级启动电路进行了描述。但实际上，本发明的负载分级启动电路还可以启动两个以上的负载，每个负载与开关电源DC之间具有一个电能控制单元。 

本实施例中，每个电能控制单元E1、E2中具有各自的电流限制单元C1、C2，以防止开关电源DC在启动过程中输出的电流过大。在根据本发明的其它实施例中，多个电能控制单元也可以共用一个电流限制单元。例如如图2所示，多个电能控制单元E1、E2共用一个电流限制单元C，以防止开关电源DC在启动过程中输出的电流过大。 

值得注意的是，在某些实施例中，当开关单元S1、S2打开后，负载L1、L2被加电，从而负载可以启动运行。但是，在另外一些实施例中，向负载L1、L2上加电只是负载L1、L2启动之前的先决条件，并不表示负载L1、L2已经启动。要完成负载L1、L2的启动动作，除了要向负载L1、L2加电，还需要向负载L1、L2提供启动信号。负载L1、L2在加电并接收到启动信号后，才能真正启动至工作状态。负载L1、L2的启动是由MCU控制的。MCU根据其中预先设定的优先级，从高向低分级启动各个负载。下文中将参照图3，描述各个负载 分级启动的一个具体操作方法，其中各个负载的优先级顺序为L0至Ln依次降低。该分级启动方法包括如下步骤： 

1）启动开关电源DC，使开关电源DC开始向优先级最高的负载L0（在本实施例中为MCU）和各个电能控制单元E1…En提供电能。MCU与开关电源DC之间没有电能控制单元，由于没有电流限制单元的限制作用，可以使其直接快速启动，以控制后续启动的各个负载。 

2）MCU通过电能控制单元E1中的电压检测单元D1得到该电能控制单元E1能够提供给负载L1的电压V_E1。若该电压V_E1未达到负载L1的工作电压，则等待。若该电压V_E1达到负载L1的工作电压，MCU使开关单元S1导通以使负载L1加电，并向负载L1提供启动信号使其启动。 

3）MCU通过电能控制单元E2中的电压检测单元D2得到该电能控制单元E2能够提供给负载L2的电压V_E2。若该电压V_E2未达到负载L2的工作电压，则等待。若该电压V_E2达到负载L2的工作电压，MCU使开关单元S2导通以使负载L2加电，并向负载L2提供启动信号使其启动。 

4）MCU通过电能控制单元E3中的电压检测单元D3得到该电能控制单元E3能够提供给负载L3的电压V_E3。若该电压V_E3未达到负载L3的工作电压，则等待。若该电压V_E3达到负载L3的工作电压，MCU使开关单元S3导通以使负载L3加电，并向负载L3提供启动信号使其启动； 

5）以此类推，直到优先级最低的负载Ln被启动。 

需要注意的是，本实施例提供的负载分级启动电路中，开关电源DC向优先级最高的负载L0以及多个电能控制单元E1…En的供电是同时进行的。上述实施例提供的分级启动方法中，所述的“分级启动”依赖于MCU对优先级的控制。即使是电压V_E3较电压V_E2更早地达到工作电压，MCU也会在负载L2启动后，才使负载L3启动。 

根据本发明的其它实施例提供的分级启动方法，也可以依据其它顺序使多个负载分级启动，例如根据多个负载达到工作电压的时间顺序而先后启动多个负载。通过MCU的控制，使先达到工作电压的负载先启动，后达到工作电压的负载后启动。 

图4示出根据本发明的又一实施例的电能控制单元，用于控制开关电源DC向负载L提供的电能。该电能控制单元包括电阻R1、电压检测单元D和开关单元S。 

电阻器R1起到限制电流的作用，使电能控制单元中流过的总电流不超过某一阈值电流I_th，从而使开关电源DC输出的电流不会过大，避免开关电源DC输出的电压被拉低。 

电压检测单元D由串联的电阻器R2和R3构成，其与滤波电容C1并联后再与电阻器R1 串联。电压检测单元D将电阻器R2和R3之间节点处的电压V1输出给MCU。 

开关单元S由MOS管Q1、三极管Q2以及电阻器R4和R5构成。其中MOS管Q1的漏极连接到电阻器R1和R2之间，源极连接到负载L。电阻器R4连接在MOS管Q1的栅极和源极之间，电阻器R5连接在MOS管Q1的栅极和三极管Q2的集电极之间。三极管Q2的发射极接地，基极连接到MCU以接收MCU的控制信号。当MOS管Q1的源极和漏极导通时，电阻器R2和R3两端的电压V2被施加到负载L。 

图4电路的工作过程如下：开关电源DC启动后，其向电能控制单元提供的电压开始向上攀升，导致电阻器R2和R3之间的电压V1的不断攀升。MCU通过检测电压V1的值而判断能够被施加到负载L的电压V2是否达到负载L的工作电压。当电压V2达到负载L的工作电压后，MCU向三极管Q2的基极输出信号使三极管Q2的集电极和发射极导通，MOS管Q1的源极和漏极导通，从而使电压V2被施加到负载L。MCU再根据设定的优先级，在轮到负载L启动时向负载L发出启动信号使其启动。 

上述实施例提供了实现本发明的技术方案的一种具体的电路，但是本领域技术人员也可以采用其它的电路形式实现本发明，例如采用其它电路形式构成电流限制单元、电压检测单元和开关单元。 

根据本发明的其它实施例，其中上述电路中的元器件并非限制性的，本领域技术人员还可以采用其它的功能相同的元器件代替，例如Q1、Q2还可以为其它形式的开关管，例如绝缘栅双极场效应晶体管IGBT、功率开关管等。 

根据本发明的其它实施例，除MCU（微控制单元）外，还可以采用其它的控制装置。 

上述实施例中，开关单元的控制和负载启动的控制均由MCU来完成。根据本发明的其它实施例，其中对开关单元的控制和对负载启动的控制也可以由不同的控制装置来完成。该不同的控制装置可以均通过软件来实现控制，也可通过硬件来实现控制，或者通过软硬件结合的方式来实现控制。例如，在一个实施例中，图4中的电路还可以包括一个比较电路，其耦合到电压检测单元以及开关单元。比较电路比较检测到的电压V1是否达到负载的标准工作电压。如果达到，则发出有效的控制信号，使得开关单元导通，否则保持开关单元断开。相应的，MCU可以监测各负载的开关单元是否导通，如果开关单元导通则可按照预定的顺序依此启动各个负载。 

上述实施例中以开关电源DC为例，对本发明提供的负载分级启动电路进行了描述。根据本发明的其它实施例，本发明提供的负载分级启动电路也可以应用于其它的直流电源。 

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立 的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。 

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。 

附图标记列表 

开关电源DC；负载L、L0、L1、L2、L3、Ln；微控制单元MCU；电能控制单元E1、E2、E3、En；电流限制单元C、C1、C2；电压检测单元D、D1、D2；开关单元S、S1、S2；MOS管Q1；三极管Q2；电阻器R1、R2、R3、R4、R5；R2和R3之间的电压V1；R2和R3两端的电压V2。 

Claims (14)

1.一种负载分级启动电路，用于接收电源提供的电能，并向两个或两个以上的负载（L、L0、L1、L2、L3、Ln）提供电能，其中所述负载分级启动电路包括：

两个或两个以上的电能控制单元（E1、E2、E3、En），其中每个电能控制单元用于向与之对应的负载提供供电电压，其中所述电能控制单元包括：

电压检测单元（D、D1、D2），用于检测所述电能控制单元能够提供给所述负载的电压的大小，

开关单元（S、S1、S2），用于控制所述电能控制单元是否向所述负载提供电压；

控制装置（MCU），耦合到所述电压检测单元（D、D1、D2）和所述开关单元（S、S1、S2），用于在检测到所述电能控制单元（E1、E2、E3、En）能够给相应负载提供不低于该负载的工作电压的电压时，使所述开关单元（S、S1、S2）导通，并先后启动所述两个或两个以上的负载。

2.根据权利要求1所述的负载分级启动电路，其中所述电能控制单元中的每一个包括电流限制单元（C1、C2），用于限制流过所述电能控制单元的电流。

3.根据权利要求1所述的负载分级启动电路，还包括电流限制单元（C），用于限制所述电源输出的电流。

4.根据权利要求1所述的负载分级启动电路，其中，所述控制装置（MCU）按照预定的启动优先级顺序先后启动所述两个或两个以上的负载。

5.根据权利要求4所述的负载分级启动电路，其中，在所述预定的启动优先级顺序中，用于控制其他部件的控制单元优先启动。

6.根据权利要求1所述的负载分级启动电路，其中，所述控制装置（MCU）按照所述两个或两个以上的负载被供电的先后顺序，依此启动所述负载。

7.根据权利要求2或3所述的负载分级启动电路，其中所述电流限制单元包括限流电阻器（R1）。

8.根据权利要求1所述的负载分级启动电路，其中所述电压检测单元包括串联分压电路，所述串联分压电路包括多个电阻器（R2、R3）。

9.根据权利要求1所述的负载分级启动电路，其中所述开关单元（S、S1、S2）包括三极管或MOS管。

10.根据权利要求1所述的负载分级启动电路，其中，所述电源为开关电源。

11.一种分级启动两个或两个以上负载的方法，包括：

启动电源；

检测所述两个或两个以上负载中的每一个负载上所能够被提供的电压；

当能够提供到相应负载的电压不低于对应的负载的工作电压时，向该对应的负载提供电压；

先后启动所述两个或两个以上的负载。

12.根据权利要求11所述的方法，其中先后启动所述负载的顺序为所述两个或两个以上负载被提供不低于其工作电压的先后顺序。

13.根据权利要求11所述的方法，其中先后启动所述负载的顺序为符合所述负载的预定启动优先级的顺序。

14.一种漏电保护器，包括如权利要求1-13中的任一项所述的负载分级启动电路。