CN106817025B - 一种适用于充油高压环境下使用的电耦合隔离继电器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于充油高压环境下使用的电耦合隔离继电器，包括顺序连接的过压保护电路、耐油压隔离驱动电路、开关电路；所述过压保护电路输入端用于连接上位机，所述开关电路输出端用于连接用电设备。本发明可以在充油高压环境下使用，使得电子设备可以与液压部件封装在一起，有效减少体积和结构件数量，提高可靠性，尤其在深海环境中使用时可以大大化简机械结构设计难度。

Description

一种适用于充油高压环境下使用的电耦合隔离继电器

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，具体地说是一种适用于充油高压环境下使用的电耦合隔离继电器，可以应用于充油高压环境下使用弱电对高电压、大电流的大功率设备的通断进行控制。

背景技术

随着电子技术的发展，用户对于继电器的性能要求进一步提高，低功耗、小体积、可以控制大功率设备的继电器受到越来越多的青睐。随着液压系统、井下设备、海洋工程技术的发展，集成化的需求使得电子设备需要集成到充油的部件内部并承受最高达上百MPa的压强。传统的电磁、光耦合继电器在高压环境下会损坏，无法集成到充油部件内部使用。

现有的继电器采用机械式和光耦式开关，机械式开关在充油会触点间会因油膜阻碍而影响导通，光耦式的光电部分采用柔性材料，在高压下会损坏而使继电器失效。深海环境下的设备常常需要自带能源并运行数个月，因此能源非常紧张，传统的电磁继电器和光耦继电器功耗一般都大于20mw，当继电器个数多的时候会成为主要耗电设备，缩短设备的工作时间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于充油高压环境下使用的大电流隔离继电器。可以承受110MPa的油压压强，具有较低的功耗，可以使用常规的单片机、控制器直接驱动并控制大功率设备，以克服上述技术不足。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种适用于充油高压环境下使用的电耦合隔离继电器，包括顺序连接的过压保护电路、耐油压隔离驱动电路、开关电路；所述过压保护电路输入端用于连接上位机，所述开关电路输出端用于连接用电设备。

所述耐油压隔离驱动电路包括顺序连接的方波发生电路、隔离变压器、整流滤波电路。

所述方波发生电路采用反向电荷泵芯片；所述反向电荷泵芯片的输入端与过压保护电路连接、还通过分压电路与隔离变压器初级线圈的负端连接，反向电荷泵芯片的输入端和输出端分别通过电容接地；反向电荷泵芯片的接地端接地；反向电荷泵芯片的悬浮电容正连接端通过电容与隔离变压器初级线圈的正端连接，悬浮电容正连接端与悬浮电容负连接端之间串联有电容和电阻；隔离变压器的次级线圈两端与整流滤波电路输入端连接，整流滤波电路输出端与开关电路连接。

所述开关电路包括顺序连接的状态显示电路、保护电路和MOS管；所述状态显示电路连接于整流滤波电路两个输出端之间；所述MOS管的漏极作为电耦合隔离继电器的正输出端、源极作为电耦合隔离继电器的负输出端，用于连接用电设备。

所述保护电路为反向二极管与电阻的并联电路；所述并联电路连接于MOS管的栅极和源极之间。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明可以在充油高压环境下使用，使得电子设备可以与液压部件封装在一起，有效减少体积和结构件数量，提高可靠性，尤其在深海环境中使用时可以大大化简机械结构设计难度。

2.本发明拥有极低的功耗，绝大多数的单片机和其他弱电控制设备都可以直接驱动。

3.本发明可以控制大功率设备的通断，采用N沟道MOSFET作为开关器件，具有载流能力强的特点。

4.本发明具有电气隔离的优点，控制端与被控端电气隔离，抗干扰能力强，简化了电路设计。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图。

图2为本发明使用的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明包括过压保护电路、耐油压隔离驱动电路、开关电路。

如图2所示，输入端需要提供一个3.3V～5V的控制信号，也可以像常规继电器一样，使用高于5V的电压串联限流保护电阻使用。

输入端连接过压保护电路，该电路使用一个5.6V的稳压二极管钳位，使得后一级的MOS管驱动电路不会超过限制电压工作，同时还使得该继电器可以兼容超过5.6V的输入电压。

过压保护电路与耐油压隔离驱动电路中的方波发生电路连接，该方波发生电路使用TPS60403反向电荷泵实现，但这里并没有使用其反向电荷泵功能，而是仅使用了其内部的频率发生器和MOSFET推挽电路，使用该芯片的理由是该芯片集成了频率发生器和推挽电路且占用的总PCB面积远小于常规的方波发生电路。

方波发生电路大幅度降低了输出端和输入端的电容配置，提高了响应速度，将自举电路开路使得在一个频率周期的前半个部分使用CFLY+脚向后一级的隔离变压器充电，在一个频率周期的后半个周期使用CFLY-引脚从后一级的隔离变压器放电，从而实现了具有较高电源转换效率的方波发生电路。

方波发生电路的输出与隔离变压器的两个输入端相连，隔离变压器采用可以承受110MPa外部压强、可隔离1000V电压且体积足够小的PA0264NL，该隔离变压器采用1:2的线圈扎数比，从而可以实现倍压功能同时实现了整个继电器输入端和输出端的电器隔离，且该器件可以在250kHz的频率下提供很高的转换效率。

隔离变压器的输出端与整流滤波电路相连，该整流滤波电路为了减少二极管的电压损耗采用半桥整流电路，同时采用肖特基二极管最大程度减小损耗。

开关电路与整流滤波电路相连，该电路主要承担开关功能，包含一个N沟道MOS管、MOS管保护电路和状态显示电路。整流滤波电路两个输出端经状态显示电路，保护电路分别与MOS管的栅极和源极连接。

N沟道MOS管使用经过110MPa打压实验的AOD2610，具有60V耐压和瞬间46A电流的直流载流能力，因而可以控制大功率设备，并且可以更换成其他相同封装的N沟道MOS管以增强性能。

MOS管保护电路防止MOS管的栅极被击穿，该电路使用了一个18V的稳压二极管来实现正向和反向的过压保护，同时串联了一个20K的电阻消耗电流，不仅与保护电路共同作用防止MOS在电源关断电源后继续处于导通状态，还与前一级驱动电路中的整流滤波电路共同构成了一阶RC滤波器配置整个继电器的抗干扰特性和关断时间。

状态显示电路用以观察继电器的通断状态以及MOS管是否已经被击穿，该状态显示电路使用一个经过110MPa耐压测试的微功耗二极管实现，通过串联电阻实现了10uA电流的点亮，可以在指示状态的同时基本不增加功耗。

继电器的两个输出端分别与N沟道MOS管的漏极和源极相连，可以当做常规直流继电器的两个被控引脚来使用，该引脚在PCB设计时使用了开窗的PCB作为引脚，可以直接焊接在使用该继电器的电路板上，也可以通过每个输出端上的两个孔焊接直插封装的引脚从而与常规的立式继电器实现pin-to-pin的兼容。

继电器内部元件全部按照满足万米级耐油压的基础特征进行选型，其选型依据包括全固态、无真空部件、无柔性部件、无中空部分、无易溶解和易腐蚀部件。并进行过110MPa的充油压力测试，以确定其工作中物理状态不会改变并验证电路切实可用。

继电器的输出端与用电设备和连接可以非常灵活，可以使用继电器输出端正连接电源正并且让继电器输出端负连接用电设备正的方法实现对用电设备的高侧控制，也可以使用继电器输出端负连接电源负并且让继电器输出端正连接用电设备负的方法实现对用电设备的低侧控制

整体继电器在5V输入信号的情况下导通时的持续电流为1.8mA，平均功耗9mW。在使用3.3V输入信号时导通后的持续电流仅为1mA，平均功耗3.3mW。

其中承受最高达110MPa的压强指在压力罐中通过了110MPa压强的打压测试。

Claims (3)

1.一种适用于充油高压环境下使用的电耦合隔离继电器，其特征在于包括顺序连接的过压保护电路、耐油压隔离驱动电路、开关电路；所述过压保护电路输入端用于连接上位机，所述开关电路输出端用于连接用电设备；

所述耐油压隔离驱动电路包括顺序连接的方波发生电路、隔离变压器、整流滤波电路；

所述方波发生电路采用反向电荷泵芯片；所述反向电荷泵芯片的输入端与过压保护电路连接、还通过分压电路与隔离变压器初级线圈的负端连接，反向电荷泵芯片的输入端和输出端分别通过电容接地；反向电荷泵芯片的接地端接地；反向电荷泵芯片的悬浮电容正连接端通过电容与隔离变压器初级线圈的正端连接，悬浮电容正连接端与悬浮电容负连接端之间串联有电容和电阻；隔离变压器的次级线圈两端与整流滤波电路输入端连接，整流滤波电路输出端与开关电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于充油高压环境下使用的电耦合隔离继电器，其特征在于所述开关电路包括顺序连接的状态显示电路、保护电路和MOS管；所述状态显示电路连接于整流滤波电路两个输出端之间；所述MOS管的漏极作为电耦合隔离继电器的正输出端、源极作为电耦合隔离继电器的负输出端，用于连接用电设备。

3.根据权利要求2所述的一种适用于充油高压环境下使用的电耦合隔离继电器，其特征在于所述保护电路为反向二极管与电阻的并联电路；所述并联电路连接于MOS管的栅极和源极之间。