CN106537713A - 提供反极性保护的装置 - Google Patents

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Abstract

一种装置被配置成保护一个或多个系统组件不受由于电源的反极性连接而导致的损害，所述装置包括位于所述电源与所述组件之间的继电器，并且适用于检测何时给电源提供反极性，并且因此将继电器切换到打开状态，以将所述电源与所述组件隔离。

Description

提供反极性保护的装置
技术领域
本公开涉及车辆系统，并且特别涉及如果车辆电池或电源以错误方式被连接反了则给车辆系统和组件提供保护(也就是说，防止反极性)的有效布置。
背景技术
汽车电池可能会不经意以错误方式连接到汽车线路被连接反了，即，具有错误极性。例如，在起动过程期间，第二外部电池被连接到主电池的端子，以在摇车期间提供支持电压源。以反极性到汽车线路的偶然连接可能发生。随着电子设备在更大数量上变得与车辆的整体部分一样重要，需要每个电子设备中的特别规定以避免因为在电源线处的不经意反向电压而导致对电路和组件的损害。
通常的操作是，当处理低或中电流时(其中，功率损耗和热产生较低)，通过在电源和组件/电路之间插入串联二极管来提供保护。然而该方法的问题是，这些简单二极管在装置的正常操作期间引起功能性功率损耗；该功率损耗等于相应二极管的正向电压降乘以平均电流。
功率半导体(甚至在功率分配箱中)作为机械继电器和熔断器功能的替代现在越来越多地被使用。通常在这样的装置中使用功率FET，这是因为它们提供低至0.5到1mn的非常低导通电阻，并且能够承载在50A到100A范围内的大量永久漏电流。典型功率FET在以反极性被连接时经由其本征二极管变得导电。这必须被避免，这是因为大电流导致FET的反向二极管中的非常高功率损耗。由此产生的功率耗散可能是50W或者甚至100W，并且可能通过在非常短时间内过热而导致火灾的巨大风险来破坏FET。
为了克服这个问题，已知沿着与每个FET开关相反的方向串联地布置(第一晶体管的源极连接到第二晶体管的源极)来实现第二功率FET，以避免反向电流。这难免会导致所得到的导通电阻、功率损耗及材料成本翻倍。
本发明的一个目的是提供一种保护车辆系统和组件免受因为不经意的反极性连接导致的破坏的改进电路。进一步目的是提供在正常和保护操作期间减少传统方案的功率消耗的保护。
进一步目标是提供中央自治方案以消除反向电池的上述问题，这在活动状态下避免了额外功率损耗并且在非活动或者休眠模式下显示出可忽略功率损耗。
发明内容
一方面提供一种装置，该装置被配置成保护一个或多个系统组件免受由于电源的反极性连接而导致的损害，该装置包括位于所述电源与所述组件之间的继电器，并且适用于检测电源何时被提供有反极性，并且从而将继电器切换至打开状态以便将所述电源与所述组件隔离。
该装置可以适于检测所述电源何时通过正确极性和方式(means)被连接，从而如果继电器打开则将继电器切换到闭合状态。
该继电器可以是用于除了反极性检测之外的目的的闭锁继电器。
所述继电器可以包括经由第一开关(M3)连接到电源线的一个或多个线圈，所述第一开关被连接到检测反极性的装置，所述第一开关适于在检测到反极性时被接通以便驱动电流通过线圈，以打开继电器。
所述继电器可以包括并联布置并且连接到所述第一开关的置位线圈和复位线圈，使得当检测到所述反极性电流时，电流沿相反方向被驱动通过线圈，使得所述线圈协同作用以打开继电器。
检测反极性的所述装置可以包括电容器装置，电容器装置连接到继电器和组件之间的所述电源线并且适用于由于反极性而被充电以提供电压电平，当电平电压被实现时，所述电容器装置适于激活所述第一开关(M3)。
所述第一开关可以是功率FET，并且进一步地，所述装置可以包括第一中间开关装置(Q1)，所述第一中间开关装置(Q1)位于所述电容器和所述第一开关装置之间并且当实现所述电压电平时接通所述第一开关装置(M3)。
所述装置可以包括与线圈并联布置的二极管，所述二极管适于当所述第一开关装置切换到断开状态时吸收线圈能量。
检测所述电源何时通过正确极性和方式被连接以便从而如果继电器打开则将继电器切换到闭合状态的装置可以包括第二开关装置(M2)，所述第二开关装置(M2)适于在检测到正确极性时被接通，以便沿一个方向将电流发送通过继电器线圈以闭合继电器。
所述继电器可以包括并联布置并且连接到所述第二开关装置的置位线圈和复位线圈，使得当检测到正确极性时，电流沿相反方向被驱动通过线圈，使得所述线圈协同作用以闭合继电器。
检测装置可以包括第二中间开关装置(Q2)，所述第二中间开关装置(Q2)位于电源线与第二开关之间并且连接到电源线关于继电器触点的两侧，并且适于在检测到正确极性时接通所述第二开关。
所述中间开关可以包括晶体管和/或所述第一开关和第二开关包括功率晶体管/FET。
附图说明
现在将参考以下附图描述本发明，其中：
图1示出了车辆的组件和系统在现有技术系统中如何被保护的示意性表示。
图2示出了在已知系统中使用继电器的示意性电路图。
图3示出了本发明的基本示例。
图4示出了在一个实例中使用的电路。
图1示出了车辆的组件和系统在现有技术系统中如何被保护的示意性表示。电路1示出了电源，即，电池2，其可能被错误地连接，即，具有反极性。电池能够给一个或多个低功率负载3或一个或多个高功率负载4供电。为了保护低功率负载，在电源和低功率负载(组件)之间使用二极管5。为了保护高功率负载(组件和设备)，给现有FET提供另外FET，以便提供串联布置的一对FET 6。因此第二功率FET被串联实现但是彼此沿相反方向布置(第一晶体管的源极连接到第二晶体管的源极)，以避免反向电流流动。如所述，这不可避免地导致所得到的导通电阻、功率损耗和材料成本翻倍。
已知在车辆系统中使用闭锁继电器，闭锁继电器位于电池和熔断器以及车辆系统的负载之间，用于除了免受反极性连接的损害的目的。图2示出了示出这样的系统的示意性电路图。继电器7由置位(SET)线圈L1(与线圈电阻器Rcoil 1串联)和复位(RESET)线圈L2(与电阻器Rcoil 2串联)来操作。该闭锁继电器由发送到感性负载驱动器的置位脉冲和复位脉冲来控制。这些控制被发送通过线圈的电流，从而依次打开/闭合闭锁继电器。
具体实施方式
图3示出了本发明的基本示例。本质上，中央自治反向保护电路/系统被提供在电池2和组件/负载3/4之间，其避免了对关于低负载的另外二极管和针对高负载的另外FET的需要。一方面，闭锁继电器6被用于提供反极性保护。
在优选实施方式中，当前车辆系统中存在的闭锁继电器被用于提供反极性保护。一方面，附加闭锁继电器电路被用于实现闭锁继电器关于反极性保护的控制。
因此，在简化示例中，闭锁功率继电器因此被用作“保护开关”，其被布置成在电压反转之后的非常短时间内打开，以便将所有敏感电子电路与电源线隔离。闭锁继电器在稳定导通状态和断开状态期间不消耗功率。与在电源线中使用保护二极管或者针对大电流在电解质功率开关中使用第二“反向”FET相比，这提供很大优点。
提供一种合适电子电路，以在电压反转的情况下实现保护开关的快速打开，并且一旦电池电压再次被施加有合适极性则闭合开关。对于监控电路的非常苛刻要求是针对两个极性的低操作电压的最大值为3.4V。
图4a、图4b和图4c示出了在一个示例中使用继电器提供反极性保护的电路的具体示例。
图4a示出了在一个示例中使用的整体电路。图4b和图4c示出了图4a的部分电路，为了清楚的目的，省略可选部分，以便帮助解释电路的各个部分如何操作。
通常，电路包括闭锁继电器10，其可以例如是Gruner 750。该继电器由线圈L1和L2操作。尽管为了清楚起见，在图中继电器和线圈L1和L2单独出现，但是它们被共同布置。该线圈因此可以被认为是继电器的一部分，因此继电器和操作继电器的线圈用虚线示出，以指示它们共定位。该线圈与电阻器Rcoil1和Rcoil2串联。可能被反向连接的电池/电源2被示出。
现在将描述附加电路及其提供反极性保护的操作。为了更好地理解，如上所述，该电路被划分为两个功能部分，分别由图4b和图4c示出。图4b示出了在反极性的情况下提供继电器触点的快速打开的该电路，而图4c示出了在再次建立正确极性之后提供用于闭合继电器触点的该电路。
在反电池极性的情况下继电器触点的打开
图4b中的电路示出了用于如果电源以错误方式被连接反了则打开继电器的电路。假设闭锁继电器触点在正常操作周期期间已经被长久闭合，处于休眠模式或者活动模式。一旦所得到的电池电压(可能是在起动期间)偶尔被反向，通过流过从主电源线的线到车辆组件/系统串联布置的齐纳二极管D6和电阻器R6的电流快速地加载电容器C1。来自电容器的线经由电阻器R7被馈送到晶体管Q1的基极，晶体管Q另外还经由齐纳二极管D10和电阻器R8(后面两个组件串联布置)、以及电阻器R9和二极管D6(这些并联布置)连接到电源线。当Q1的基极-发射极电压达到基极-发射极导通电平时，Q1被快速接通并且通过驱动集电极电流通过R8、D10和R9产生针对功率FET M3的足够栅极电压(经由从电源线的连接提供)。功率FET M3从电池电源线被馈电并且提供大电流通过继电器线圈Rcoil1和Rcoil2。如果反向电池电压非常高，则M3的栅极电压由二极管D9(可选的)安全地限制。
当M3被切换到导通状态时，其驱动其漏极电流通过闭锁继电器的并联连接线圈(Rcoil1和Rcoil2)以及功率FET M2的本征二极管。该非常尖电流脉冲立刻打开继电器触点。典型地，对于Gruner 750继电器，动作时间是10ms。应该注意的是，电流被布置成通过该电路在置位线圈和复位线圈中流动，以使得它们作用以在该操作期间沿相同方向提供闭锁/解锁力。
为了避免继电器触点的重复跳动，通过甚至在闭锁触点打开之后，仍然从电容器C1的电荷库中保持针对Q1的充足基极电流，线圈电流可以延伸至20ms到30ms。该时间可以被认为是延长的时间。抑制二极管D2优选用作续流二极管，以在M3切换到断开状态的时间期间吸收线圈的能量(优选的)。
在施加正确电池极性之后再次闭合继电器触点
假设闭锁继电器触点在反极性事件期间已经被打开。图4c示出了用于控制闭合的附加电路。一旦电池电压呈现出具有正确极性，则基极电流被驱动通过过晶体管Q2(其经由电阻器R4从连接点连接到电源线)经过基极电阻器R3(并且最终经过并联的附加负载电阻)。通过驱动集电极电流通过D1、R10和R5，Q2被切换到饱和，得到针对功率FET M2的充足栅极电压。FET M2被提供并且连接到每个线圈的一侧并且允许大电流经过线圈。为了保护电路，如果电池电压非常高，则M2的栅极电压由二极管D7安全地限制。当M2被切换到其导通状态时，其驱动其漏极电流通过闭锁继电器的并联连接线圈以及功率FETM3的本征二极管。该非常“尖”电流脉冲闭合继电器触点。这可以由Gruner 750继电器在10ms内实现。一旦继电器触点被闭合，Q2的基极和发射极就由闭合触点本身连接并且用于晶体管Q2的基极电流停止。晶体管Q2变为断开状态，M2的栅极电压下降到阈值电压之下，从而将M2也变为断开状态。可选抑制二极管D2用作续流二极管，以在M2被切换至断开状态的时刻吸收线圈的能量。
上述示例仅通过举例并且本领域技术人员很容易想到另选布置以提供必要功能。
如上所述，Gruner 750继电器可以被使用，其被设计用于在周围环境为105℃下具有100A的持续电流。涌浪电流高达550A，短时过载电流被定义为具有3.000A的量，最大传输/制动(make/brake)电流为1.500A。其它类型的闭锁继电器也可以使用相同电路原理和/或设计目标被执行。Gruner750提供两个线圈，一个线圈用于置位，一个线圈用于使触点复位。这些线圈的标准标称操作电压是6V到16V。对于保护开关，3.4V或者更低的触发电压是强制的。在上述示例中，继电器设计(诸如Gruner750)提供置位线圈和复位线圈，并且上面描述的电路的特殊优点在于使用两个线圈用于置位或者复位。从而，这使得电枢(armature)中的磁通翻倍。所示的电路提供置位线圈电压的极性关于针对复位线圈的极性被反转，以使得两个线圈沿相同方向工作。该规定将导致例如3.0伏的触发电压。
由于在一些环境下，触发电路中的电压降(二极管正向电压降、晶体管的饱和电压)不能避免，因此可提供具有4Ω的较低线圈电阻(标准10Ω)的继电器修改以便补偿这些损耗。
在特定示例中，本发明的重要之处是关于触点位置的固有反馈功能，其带来更好的操作可靠性。如果触点在电池电压的正常极性时是打开的，则线圈电流被持续提供，直至触点被完全闭合为止。如果触点随着电池的反极性被闭合，则线圈电流至少被连续地提供(加上延长的时间)，直到触点被完全打开为止。当M2处于导通状态时使用M3的本征二极管来闭合电流路径(反之亦然)，这以简单方式消除了对另外二极管的需求。

Claims (10)

1.一种装置，所述装置被配置成保护一个或多个系统组件免受由于电源的反极性连接而导致的损害，所述装置包括位于所述电源与所述组件之间的继电器，并且所述装置适于检测电源何时通过反极性被连接并且从而将所述继电器切换到打开状态以将所述电源与所述组件隔离，其中，所述继电器包括经由第一开关(M3)连接到所述电源线的一个或多个线圈，所述第一开关被连接到检测反极性的装置，所述第一开关适于在检测到反极性时被接通以驱动电流通过所述线圈以便打开所述继电器，其中，所述继电器包括并联布置并且连接到所述第一开关的置位线圈和复位线圈，使得当检测到所述反极性电流时，电流沿相反方向被驱动通过所述线圈，使得所述线圈二者协同作用以打开所述继电器。
2.根据权利要求1所述的装置，所述装置适于检测所述电源何时通过正确极性和方式被连接，以便从而如果所述继电器打开，则将所述继电器切换到闭合状态。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述继电器包括经由第一开关(M3)连接到所述电源线的一个或多个线圈，所述第一开关被连接到检测反极性的装置，所述第一开关适于在检测到反极性时被接通以驱动电流通过所述线圈以便打开所述继电器。
4.根据权利要求1至3所述的装置，其中，检测反极性的所述装置包括电容器装置，所述电容器装置连接到所述继电器与所述组件之间的所述电源线并且适于因为反极性而被充电以提供电压电平，当所述电压电平被实现时，所述电容器装置适于激活所述第一开关(M3)。
5.根据权利要求1至4所述的装置，其中，所述第一开关是功率FET，并且进一步地，所述装置包括第一中间开关装置(Q1)，所述第一中间开关装置(Q1)位于所述电容器和所述第一开关装置(M3)之间，并且当所述电压电平被实现时，接通所述第一开关装置(M3)。
6.根据权利要求1至5所述的装置，所述装置包括与所述线圈并联布置的二极管，所述二极管适于当所述第一开关装置切换到断开状态时吸收线圈能量。
7.根据权利要求1至6所述的装置，其中，检测所述电源何时通过正确极性和方式被连接从而如果所述继电器打开则将所述继电器切换到闭合状态的装置包括第二开关装置(M2)，所述第二开关装置(M2)适于在检测到正确极性时被接通，以沿着一个方向将电流发送通过所述继电器线圈以便闭合所述继电器。
8.根据权利要求1至7所述的装置，其中，所述置位线圈和复位线圈被连接到第二开关装置，使得当检测到正确极性时，电流沿相反方向被驱动通过所述线圈，使得所述线圈二者协同作用以闭合所述继电器。
9.根据权利要求1至8所述的装置，其中，检测装置包括第二中间开关装置(Q2)，所述第二中间开关装置(Q2)位于所述电源线与第二开关之间并且连接到所述电源线关于所述继电器触点的两侧，并且所述第二中间开关装置适于当检测到所述正确极性时，接通所述第二开关。
10.根据权利要求5至9所述的装置，其中，所述中间开关包括晶体管，和/或所述第一开关和所述第二开关包括功率晶体管/FET。
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