CN104810785A - 负载过流保护电路,电力采集设备及电力采集设备用试探性过流保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明一个实施例设计了负载过流保护电路，用于对所述电力采集设备外部负载的过/欠流控制，它设置于一个负载电源端与若干个接地端之间，包括：靠近接地端设置的电压采样部，用于采集所述接地端之间流过的DC电流信号并转换为第一电压信号；连接所述电压采样部的倍压转换部，接收此第一电压信号并转换为第二电压信号输出；比较器，通过正相输入端接收所述第二电压信号并将其与输入所述回差比较器反相输入端的第三电压信号比较以输出开关控制信号；以及MOS开关，根据所输出的开关控制信号来导通或关断对所述外部负载的通路。相应地，本发明另一个实施例设计一种电力采集设备用的过流保护电路。

Description

负载过流保护电路,电力采集设备及电力采集设备用试探性过流保护电路

技术领域

本发明实施例是关于电力系统控制技术，更特定言之，是针对于电力采集设备(例如电表)设计的负载过流过载进行有效抑制的过流保护电路。

背景技术

在本发明相关领域的一般技术中，对电力采集设备的负载端需要进行过流过载保护。通常，一方面采用陶瓷PTC(正温度系数)热敏电阻或者高分子PTC(正温度系数)热敏电阻，实现过流保护。缺陷主要有三点：1)保护恢复速度慢，根据电流超过限值的程度不同，一般要在数秒甚至数分钟以上才可以动作。甚至反复振荡，无法实现保护。恢复速度慢，当外部负载恢复正常时，由于内部电子器件的热量需要缓慢散掉，在电能表等密闭类产品中需要数十分钟时间甚至更长时间，无法即刻恢复正常；2)由于是温度敏感器件受到环境温度影响大，在环境温差大的情况下，所保护的电流限值差别可达100％，无法实现精确过流保护；(例如：设定在70℃的环境中过流限值为1A电流，在-40℃下的过流限值可达2A电流)3)该方法的过流保护前提是需要消耗大量的功率，根据过流的情况下，引起器件本身的热效应，导致器件自身电阻增加，该器件串接在电路中，最终导致输出电流减小，达到一定的热平衡之后，保证了输出功率的恒定。这样，过载的输出功率完全转换为热量，不仅造成电能表内部产生发热源，温度升高，降低电能表可靠性，还导致了能量的浪费。甚至在高温环境下，造成电能表的过热烧毁。

另一方面，采用电子器件，根据发热引起电子器件内部电阻的增加，从而限制输出电流，实现过流保护。方法是：如果负载短路，电源输出的功率耗散到电子器件上，转换为热量，最终达到了热平衡，从而使得电源输出限定到一定值的功率。缺陷主要有两点：1)如果负载异常不排除，将使得电子电路长期处于过载状态，过载功率全部在电能表内部产生高发热源，导致电表内部温度升高，降低电能表可靠性，还导致了能量的浪费。甚至在高温环境下，造成电能表的过热烧毁；2)恢复速度慢，当负载异常撤销时，由于内部电子器件的热量需要缓慢散掉，在电能表等密闭类产品中需要数十分钟时间甚至更长时间，无法即刻恢复正常。

发明内容

为了解决上述缺陷，主要设计一种应用于电力采集系统的专用负载过流保护电路。

在一个方面，本发明第一技术方案是利用对负载接地端之间流过的直流(DC)电流信号的采集作为判断信号源，根据比较器来判断这个信号源转换成的电压与比较电压源之间的大小比较值来控制对外部负载的供电通路，在一般例子中，控制开关的方式选择一个或多个MOS开关管，待供电通路关断后通过电路自身的调节器件将信号源降低至低于所述比较电压源后， 即可再次恢复供电。

在另一方面，本发明第二技术方案是基于此实现的电力采集设备，例如电表、采集器或者负控终端设备等，同时实现设备对外部负载的供电，例如12V的DC电流。

在又一方面，本发明第三技术方案在前述基础上设计出具备试探性特点的过流保护电路，“试探性”表示本电路通过多次尝试导通所述MOS开关管的方式，以精确达到抑制负载过流或者短路控制的效果。即使一次尝试导通不成功，可以设置信号源的电压比例来调整比较电压的大小，以及对这个信号源进行缓慢放电，以周期性地抑制过流或短路情况的出现，多余的电流通过接地端泄放。

技术方案1：负载过流保护电路，用于对所述电力采集设备外部负载的过/欠流控制，它设置于一个负载电源端与若干个接地端之间，包括：靠近接地端设置的电压采样部，用于采集所述接地端之间流过的DC电流信号并转换为第一电压信号；连接所述电压采样部的倍压转换部，接收此第一电压信号并转换为第二电压信号输出；比较器，通过正相输入端接收所述第二电压信号并将其与输入所述回差比较器反相输入端的第三电压信号比较以输出开关控制信号；以及MOS开关，根据所输出的开关控制信号来导通或关断对所述外部负载的通路。

技术方案2：电力采集设备，其内部装设对其外部负载输送DC电流的负载电源端；以及所述的负载过流保护电路。

在一个实施例中，所述外部负载是与这个电力采集设备(例如电表)功能性配对的集成电路或完整模块，例如可以从电表拆装的通讯板、红外控制模块等，也可以是运维人员抄表的手持设备。

技术方案3：电力采集设备外部负载用的试探性负载过流保护电路，设置于电力采集设备内，用于在内部或外部负载过流一定时间后周期性检测所述外部负载是否从过流状态恢复，包括：DC电流通路，连接于负载电源端与负载之间，并设置了若干个接地端；以及试探电压检测部，接设在所述DC电流通路中，用于根据检测到所述若干个接地端之间流过的DC电流信号来多次控制所述DC电流通路的通断，其中所述试探电压检测部包括：靠近接地端设置的电压采样部，用于采集所述接地端之间流过的DC电流信号并转换为第一电压信号；连接所述电压采样部的倍压转换部，接收此第一电压信号并转换为第二电压信号输出；回差比较器，通过正相输入端接收所述第二电压信号并将其与输入所述回差比较器反相输入端的第三电压信号比较以输出开关控制信号；MOS开关，根据所输出的开关控制信号来导通或关断对所述外部负载的通路；以及连接所述回差比较器反相输入端的电压自变换部，用于根据MOS开关的通断来周期性地改变所述的第二电压信号的高低，以改变所述MOS开关的通断状态。

基于此，本发明技术效果突出：1、恢复速度快，可以实现外部异常排除之后，做到0.5 秒以内自恢复。保护速度快，可以做到10毫秒内切断异常负载供电；2、可以做到过流保护的精准控制，并且带有回差，避免电路反复振荡，同时不受环境温度的影响；3、另外在短路状态下，仅有1％——10％可设定比例的过载功耗耗散到电子器件上，其它功率不输出，避免了短路情况下电能表内部造成强发热源，大大增强了电能表内部器件的可靠性，并且降低了能源的浪费。

附图说明

图1为本发明负载过流保护电路的局部电路原理图；

图2为本发明负载电流曲线图与常规技术热敏电阻负载电流曲线图的对比图。

具体实施方式

参照图1以详尽描述本发明的技术要点和优势。

实施例1：在图1中，一个负载过流保护电路用于对外部负载ELD的过/欠流控制，它设置于一个负载电源端VCC与若干个接地端之间(例如，图1中所示的2个接地端GND_A和GND_B)，其中电路主要包括：

靠近接地端GND_A设置的电压采样部R8，或者替代的类似阻抗器件，用于将从GND_A到GND_B流过的电流I转换为电压，即在图1所示的实施例中转换为第一电压信号V4；

连接所述电压采样部R8的倍压转换部，包括运算放大器U11，所述电压采样部R8接入所述运算放大器U11正相输入端INA+，输入此第一电压信号V4。其反相输入端INA-分别连接分压电阻R1和R2，所述分压电阻接地GND_A端。在反相输入端INA-处根据分压电阻R1产生分压电压V5，并利用此分压电压V5将第一电压信号V4转换为第二电压信号V6输出。从图1实施例可以得知，运算放大器U11和分压电阻R2组成一个乘法电路，即满足

V6＝β·V5，    (1)；

其中根据图1的实施例，β＝(R1+R2)/R1，即满足

$V6=\frac{V5\·(R1+R2)}{R1},---\left(2\right)$

在一个较佳例子中，设定V4＝V5，放大倍数由R1来决定；

比较器，通过其正相输入端INB+接收所述第二电压信号V6，或者电压信号V1。在一个替代实施例中，在所述倍压转换部与比较器之间设置一个电压调制电路，它包括截止器件，例如二极管D1和与之串联的电阻R3。从而使得：

$V_1=\frac{(V6-\mathrm{VD}1)\·R3}{R3+R9},---\left(3\right)$

电阻R3连接运算放大器U12的反相输入端INB-。所述比较器较佳地包括运算放大器U12，分别 连接运算放大器U12正相输入端INB+的分压电阻R4，R5，R10，将其与输入所述比较器U12正相输入端INB-的第三电压信号V2比较以输出开关控制信号V3；以及

MOS开关20，根据所输出的开关控制信号来导通或关断对所述外部负载的通路。

进一步地，所述回差比较器被配置成：在所述第二电压信号高于第三电压信号时，输出低电平开关控制信号以关断MOS开关20，切断所述负载电源端对外部负载的供电；以及在所述第二电压信号降至低于第三电压信号之后，输出高电平开关控制信号以导通所述的MOS开关20，导通所述负载电源端对外部负载的供电，即电压V2满足关系式：

$V2=\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{VCC}\·R10}{R4//(R5+R10)},V3=\mathrm{VCC}\\ \frac{\mathrm{VCC}\·(R10//R5)}{(R4+R10)//R5},V3=0\end{array}\right.,---\left(4\right).$

作为改进，与关系式(3)对应地，所述比较器的反相输出端又连接电压自变换部，包括电阻R9和与之并联的电容C1，被配置成周期性变换所述第二电压信号V1。

实施例2：基于实施例1实现的电力采集设备，其内部装设对其外部负载输送DC电流的负载电源端；以及实施例1所述的负载过流保护电路。

在一个实施例中，所述外部负载10包括与所述电力采集设备的功能性配对的集成电路。

实施例3：同样参照图1，与实施例1类似地设计一种试探性负载过流保护电路，设置于一个电力采集设备内，用于在内部或外部负载10过流一定时间后周期性检测所述外部负载10是否从过流状态恢复，电路包括：DC电流通路，连接于负载电源端与负载之间，并设置了若干个接地端；以及试探电压检测部，接设在所述DC电流通路中，用于根据检测到所述若干个接地端之间流过的DC电流信号来多次控制所述DC电流通路的通断，其中所述试探电压检测部包括：

靠近接地端GND_A设置的电压采样部R8，用于采集所述接地端GND_A与GND_B之间流过的DC电流信号并转换为第一电压信号V4；

连接所述电压采样部R8的倍压转换部，接收此第一电压信号V4并转换为第二电压信号V6输出；其中作为在实施例1基础上的改进，比较器U12选择回差比较器，通过其正相输入端INB+接收所述第二电压信号V1并将其与输入所述回差比较器反相输入端INB-的第三电压信号V2比较以输出开关控制信号V3；

MOS开关10，根据所输出的开关控制信号V3来导通或关断对所述外部负载20的通路；以及 

连接所述回差比较器U12反相输入端INB-的电压自变换部，包括泄流电阻R9和与之并联的泄放电容C1，它根据MOS开关10的通断来周期性地改变所述的第二电压信号V1的高低，以改变所述 MOS开关10的通断状态。

进一步地，所述回差比较器U12被配置成：在所述第二电压信号V1高于第三电压信号V2时，输出低电平开关控制信号(例如0V)以关断MOS开关10，切断所述负载电源端对外部负载的供电；以及在所述第二电压信号V1降至低于第三电压信号V2之后，输出高电平开关控制信号(例如控制VCC＝V3)以导通所述的MOS开关10，导通所述负载电源端对外部负载20的供电。

作为其改进，所述电压自变换部包括：连接反相输入端的保持电容C1，和与之并接的电阻R9，在所述MOS开关关断后对反相输入端放电。其中，所述电阻R9设为高阻值电阻，使之对反相输入端INB-缓慢放电。

参照图1，基于此实施例3电路实现的试探性负载过流抑制方法包括了步骤：

101、通过电压采样部R8采样从GND_A点返回到GND_B点的电流，产生第一电压V4，并通过倍压转换部转换为第二电压信号V4。

其中，+VCC和GND之间可以看做是一个直流DC输出电源。通过电阻R8采样从GND_A点返回到GND_B点的电流，把流过采样电阻R8的电流值转换为第一电压值V4，通过运算放大器U11设置一定的放大倍数β，转化为较高的第二电压信号V6，电压V1与第二电压V6成正比。当输出电流过载时，电压信号V1电压信号高于被比较的第三电压值V2，当输出电流在限定范围之内，V1电压信号低于被比较电压值V2；

102、当运算放大器U11的输出电压信号V1高于被比较电压值V2时，回差比较器U12的输出信号V3为低电平，控制串联于负载20回路的MOS管10处于关断状态，从而切断了电流I从GND_A到GND_B的返回通路，保护了电源VCC处于不输出状态；

103、当MOS管10被控制处于关断状态时，电压采样部(电阻R8)上的电压降低为0V，这时第二电压V6输出为0V。同时，由于运算放大器U12的反相输入端INB-上有一个保持电容C1，C1通过电阻R9放电，设置电阻R9的阻值较大，决定了第二电压信号V1缓慢下降，由于运算放大器U12是回差比较器，当电压信号V1缓慢下降，持续一段时间，达到低于电压信号V2之后，才触发运算放大器U12的输出开关控制电压信号V3变为高电平，重新控制MOS管U2处于开通状态；

104、如果重新试探开通MOS管10，检测到负载仍然过载，使得从GND_A点返回到GND_B点的电流仍然超过限定值，重复循环步骤102和步骤103的过程；

105、如果负载上的电流在限定值范围之内，MOS开关管10恢复到正常导通状态，负载电源端VCC恢复正常输出。当电路检测到电源负载20异常过载时，通过设计特定参数，电路将自动切断对负载20的供电，持续关断A秒的时间至电路自动开启后，试探负载20是否异常，开启的时间为A/10秒或者A/100秒。如果负载20仍然异常，将再次循环切断负载供电A秒， 循环检测。如果负载正常，恢复正常供电。

工业实用性比较分析

参照图2，通过本方法实施例使得在负载20在异常状态下，其损耗的能量只有最大输出功率的1/10或者1/100(比例可调)，负载发热温升较小，一般可以控制在10℃以内，而原有的保护电路上耗散的功率是电路设定的最大功耗以上。因此，本发明电路可称为低功耗试探型过流保护电路。同时，由于电路试探的周期为A秒，保证了负载异常过载撤除之后，在A秒之内，即可恢复正常供电。

本发明通过设定相应的电路参数，通过硬件电路间歇性试探开启保护MOS管的方法，保证在直流输出电源的过载状态下，平均过载输出功率远小于现有的过流保护电路的状况，同时，还具有迅速恢复正常供电的特性。

Claims (9)

1.负载过流保护电路，其特征在于它设置于一个负载电源端与若干个接地端之间，包括：

靠近接地端设置的电压采样部，用于采集所述接地端之间流过的直流(DC)电流信号并转换为第一电压信号；

连接所述电压采样部的倍压转换部，接收此第一电压信号并转换为第二电压信号输出；

比较器，通过正相输入端接收所述第二电压信号并将其与输入所述回差比较器正相输入端的第三电压信号比较以输出开关控制信号；以及

MOS开关，根据所输出的开关控制信号来导通或关断对所述外部负载的通路。

2.根据权利要求1所述的负载过流保护电路，其特征在于所述比较器被配置成：在所述第二电压信号高于第三电压信号时，输出低电平开关控制信号以关断MOS开关，切断所述负载电源端对外部负载的供电；以及在所述第二电压信号降至低于第三电压信号之后，输出高电平开关控制信号以导通所述的MOS开关，导通所述负载电源端对外部负载的供电。

3.根据权利要求2所述的负载过流保护电路，其特征在于：所述比较器的反相输入端又连接电压自变换部，被配置成周期性变换所述第二电压信号。

4.电力采集设备，其特征在于：内部装设对其外部负载输送DC电流的负载电源端；以及权利要求1所述的负载过流保护电路。

5.根据权利要求4所述的电力采集设备，其特征在于：所述外部负载包括与所述电力采集设备的功能性配对的集成电路。

6.电力采集设备外部负载用试探性过流保护电路，其特征在于包括：DC电流通路，连接于负载电源端与负载之间，并设置了若干个接地端；以及试探电压检测部，接设在所述DC电流通路中，用于根据检测到所述若干个接地端之间流过的DC电流信号来多次控制所述DC电流通路的通断，其中所述试探电压检测部包括：

靠近接地端设置的电压采样部，用于采集所述接地端之间流过的DC电流信号并转换为第一电压信号；

连接所述电压采样部的倍压转换部，接收此第一电压信号并转换为第二电压信号输出；

回差比较器，通过正相输入端接收所述第二电压信号并将其与输入所述回差比较器正相输入端的第三电压信号比较以输出开关控制信号；

MOS开关，根据所输出的开关控制信号来导通或关断对所述外部负载的通路；以及

连接所述回差比较器反相输入端的电压自变换部，用于根据MOS开关的通断来周期性地改变所述的第二电压信号的高低，以改变所述MOS开关的通断状态。

7.根据权利要求6所述的试探性过流保护电路，其特征在于：所述回差比较器被配置成：在所述第二电压信号高于第三电压信号时，输出低电平开关控制信号以关断MOS开关，切断所述负载电源端对外部负载的供电；以及在所述第二电压信号降至低于第三电压信号之后，输出高电平开关控制信号以导通所述的MOS开关，导通所述负载电源端对外部负载的供电。

8.根据权利要求7所述的试探性过流保护电路，其特征在于：所述电压自变换部包括：连接反相输入端的保持电容C1，和与之并接的电阻R9，在所述MOS开关关断后对反相输入端放电。

9.根据权利要求8所述的试探性过流保护电路，其特征在于：所述电阻R9设为高阻值电阻，使之对反相输入端缓慢放电。