发明内容
有鉴于此,本申请所要解决的技术问题是提供一种含电流浪涌抑制的智能化固态功率控制器,具有过压、过温、电流浪涌抑制及开关状态反馈功能,且电路精简、元器件数量少,便于集成或芯片化设计。
为了解决上述技术问题,本申请公开了一种含电流浪涌抑制的智能化固态功率控制器,并采用以下技术方案来实现。
一种含电流浪涌抑制的智能化固态功率控制器,包括电流采样电路、锁存电路、过压过温保护电路、电流浪涌抑制电路和主功率电路;所述电流采样电路分别与所述锁存电路和所述主功率电路电连接;所述锁存电路和所述过压过温保护电路分别与所述电流浪涌抑制电路电连接,所述电流浪涌抑制电路与所述主功率电路电连接。
进一步的,所述电流采样电路包括第一三极管Q1、第二三极管Q2和第三三极管Q3;所述第一三极管Q1的基极与所述第二三极管Q2的基极电连接,且依次串接下拉电阻R4和下拉电阻R1后接电源负极;所述第一三极管Q1的集电极依次串接所述下拉电阻R4和所述下拉电阻R1后接所述电源负极;所述第一三极管Q1的发射极连接上拉电阻R6后接电源正极;所述第二三极管Q2的集电极依次串接下拉电阻R5和所述下拉电阻R1后接电源负极;所述第二三极管Q2的集电极与所述第三三极管Q3的基极电连接;所述第二三极管Q2的发射极连接电阻R7后与第三点位P3连接,所述第三点位P3与所述电源负极之间并联有采样电阻R2和采样电阻R3;所述第三三极管Q3的发射极连接所述上拉电阻R6后与所述电源正极电连接,所述第三三极管Q3的集电极并联电阻R8和电容C1后连接所述电源负极;所述电源正极与所述电源负极之间串联所述下拉电阻R1和稳压管Z1;所述第三三极管Q3的集电极与所述锁存电路电连接。
进一步的,所述锁存电路包括第一比较器U1-A和第二比较器U1-B,所述第一比较器U1-A和所述第二比较器U1-B的电源正极均连接电阻R10后接电源正极,所述的两个比较器的电源负极均接地;所述第三三极管Q3的集电极连接电阻R51后与所述第一比较器U1-A的负极输入端电连接;所述第一比较器U1-A的正极输入端串联电阻R52后分两个支路,一个支路连接电阻R12和电容C3的并联网络后接电源负极,另一个支路依次串联电阻R11和所述电阻R10后接电源负极;电容C2和稳压管Z2组成并联电路,所述并联电路一端连接电源负极,另一端连接电阻R10后接电源正极;所述第一比较器U1-A的输出端与所述第二比较器U1-B的正极输入端电连接;所述第二比较器U1-B的负极输入端分两个支路,一个支路依次串联电阻R13和所述电阻R10后接所述电源正极,另一个支路连接电阻R14后接所述电源负极;所述第二比较器U1-B的正极输入端和输出端之间串联电阻R15和电阻R16,所述电阻R15和所述电阻R16的中间连接点依次串接电阻R17和所述电阻R10后接所述电源正极;所述第二比较器U1-B的输出端与所述电流浪涌抑制电路电连接。
更进一步的,所述第一三极管Q1、第二三极管Q2和第三三极管Q3均为PNP型三极管。
进一步的,所述过压过温保护电路包括第三比较器U1-C和第四比较器U1-D;所述第三比较器U1-C和所述第四比较器U1-D的电源端正极均连接电阻R10后接电源正极,电源端负极均接地;所述第三比较器U1-C的正极输入端与输出端之间连接电阻R21,且所述正极输入端串接电阻R19后分两个支路,一个支路连接电容C3和稳压管Z3的并联网络后接电源负极,另一个支路串接电阻R18后与所述第三比较器U1-C的电源端正极连接;所述第三比较器U1-C的负极输入端串接电阻R23后分成两个支路,一个支路连接电阻R20后接所述电源负极,另一个支路连接电阻R24后接电源正极;所述第三比较器U1-C的输出端与正极电源端之间连接电阻R22,且所述第三比较器U1-C的输出端与所述电流浪涌抑制电路电连接;所述第四比较器U1-D的正极输入端与输出端之间连接电阻R27,且所述正极输入端连接电阻R26后分两个支路,一个支路连接电阻R25后与所述第四比较器U1-D的电源端正极连接,另一个支路连接电容C4和稳压管Z4的并联网络后接所述电源负极;所述第四比较器U1-D的负极输入端串接电阻R28后分两个支路,一个支路连接电阻R31后与所述第四比较器U1-D的电源端正极电连接,另一个支路连接电阻R30和电阻RT的并联网络后接所述电源负极;所述第四比较器U1-D的输出端和电源端正极之间连接电阻R29;所述第三比较器U1-C和所述第四比较器U1-D的输出端均与所述电流浪涌抑制电路电连接。
进一步的,所述电流浪涌抑制电路包括第八三极管Q8,所述第八三极管Q8的集电极接电阻R10后接电源正极,且所述第八三极管Q8的基极与集电极之间连接电阻R41;所述第八三极管Q8的基极分三路,分别连接二极管D3、二极管D2和二极管D1后与所述锁存电路和所述过压过温保护电路中的比较器的输出端连接;所述第八三极管Q8的基极连接二极管D4后作为所述固态功率控制器的输出信号进行输出;所述第八三极管Q8的发射极分两个支路,一个支路连接电阻R40后与光耦的正极输入端连接,另一个支路串联电阻R39和电阻R38后与所述光耦的负极输入端连接,且所述光耦的负极输入端接地;所述电阻R39和所述电阻R38的中间连接点连接二极管D5后作为所述功率控制器的输出信号进行输出;所述光耦的正极输出端分两个支路,一个支路与DC-DC模块连接,另一个支路依次串联电阻R35、电阻R34后与所述主功率电路电连接;所述光耦的负极输出端分成两个支路,一个支路连接第七三极管Q7的基极,另一个支路连接电阻R36后连接所述第七三极管Q7的集电极;所述第七三极管Q7的发射极与第六三极管Q6的基极电连接;所述第六三极管Q6的集电极接地,发射极连接电阻R34后与所述主功率电路连接;所述第六三极管Q6的集电极和发射极之间配设电阻R37;所述第六三极管Q6的集电极分成两个支路,一个直接与所述主功率电路连接,另一个支路连接电阻R33后与所述主功率电路连接连接。
更进一步的,所述第八三极管Q8为NPN型三极管。
进一步的,所述主功率电路包括MOS管,所述MOS管为N沟道MOS管;所述MOS管的S极和D极均用于与外部电路连接,其中所述S极连接负载;所述MOS管的G极和D极之间连接电流浪涌抑制网络;所述MOS管的S极和D极之间连接二极管。
更进一步的,所述电流浪涌抑制网络为电阻R32和电容C5的串联电路。
与现有技术相比,本申请可以获得包括以下技术效果:
1)电流采样精度高、线性度好、功耗低且配电电流高端采样而无需增加二次电源供电,与一次电源共地;
2)利用了MOS管的固有属性米勒效应,只增加一个电阻和一个电容对米勒效应时间上进行了延长,达到电流浪涌抑制功能,可靠性高及设计简单;
3)将MOS管并联设计,以增大固态功率控制器(SSPC)通断电流能力,同时浪涌抑制等功能不受影响;
4)将MOS管、电流采样电阻、热敏电阻集成于功率模块,剩余电路集成于一个控制芯片,实现功率部分和控制部分的分离,依据实际工况电压和功率,更换功率模块,而控制电路无需改变。
当然,实施本申请的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式,藉此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
一种含电流浪涌抑制的智能化固态功率控制器的一个实施例,包括电流采样电路1、锁存电路2、过压过温保护电路3、电流浪涌抑制电路4和主功率电路。主功率电路包括采样电阻R2、R3及MOS管。
如图1和图2所示,电流采样电路1包括三个PNP型三极管,分别为第一三极管Q1、第二三极管Q2和第三三极管Q3,第一三极管Q1的基极与第二三极管Q2的基极电连接且依次串接下拉电阻R4和下拉电阻R1后接电源负极,即图中的P2点位;第一三极管Q1的集电极同样依次串接下拉电阻R4和下拉电阻R1后接电源负极。第一三极管Q1的发射极连接上拉电阻R6后接电源正极,即图1中的P1点位。第二三极管Q2的集电极依次串接下拉电阻R5和下拉电阻R1后接电源负极。第二三极管Q2的集电极与第三三极管Q3的基极电连接。第二三极管Q2的发射极连接电阻R7后与P3点位连接,P3点位与P1点位之间并联采样电阻R2和采样电阻R3。第三三极管Q3的发射极连接电阻R6后与P1点位电连接,Q3的集电极并联电阻R8和电容C1后连接P2点位。P1点位与P2点位之间串联电阻R1和稳压管Z1。在阻值R4与R5,R6与R7相等时,电流大小由R8/R7的比值与采样电阻R2两端电压乘积所得。
第三三极管Q3的集电极作为电流采样电路1的输出信号与锁存电路2电连接。锁存电路2包括两个比较器,如图1和图3所示,分别为第一比较器U1-A和第二比较器U1-B,这两个计较器及周边电路共同构成锁存器。第一比较器U1-A和第二比较器U1-B的电源正极均连接电阻R10后接P1点位,这两个比较器的电源负极均接地。第三三极管Q3的集电极作为电路采样电路1的输出信号连接电阻R51后与第一比较器U1-A的负极输入端电连接,第一比较器U1-A的正极输入端串联电阻R52后分两个支路,一个支路连接电阻R12和电容C3的并联网络后接P2点位,另一个支路依次串联电阻R11和电阻R10后接P1点位。电容C2和稳压管Z2组成并联电路,该并联电路一端连接P2点位,另一端连接电阻R10后接P1点位。
第一比较器U1-A的输出端与第二比较器U1-B的正极输入端电连接。第二比较器U1-B的负极输入端分两个支路,一个支路依次串联电阻R13和电阻R10后接P1点位,另一个支路连接电阻R14后接P2点位。第二比较器U1-B的正极输入端和输出端之间串联电阻R15和电阻R16,电阻R15和电阻R16的中间连接点依次串接电阻R17和电阻R10后接P1点位。第二比较器U1-B的输出端作为锁存电路2的输出信号与电流浪涌抑制电路4电连接。
如图1和图4所示,过压过温保护电路3包括两个比较器,分别为第三比较器U1-C和第四比较器U1-D。第三比较器U1-C和第四比较器U1-D的电源端正极均连接电阻R10后接P1点位,电源端负极均接地。第三比较器U1-C的正极输入端与输出端之间连接电阻R21,且正极输入端串接电阻R19后分两个支路,一个支路连接电容C3和稳压管Z3的并联网络后接P2点位,另一个支路串接电阻R18后与该比较器的电源端正极连接。第三比较器U1-C的负极输入端串接电阻R23后分成两个支路,一个支路连接电阻R20后接P2点位,另一个支路连接电阻R24后接P1点位。第三比较器U1-C的输出端与正极电源端之间连接电阻R22,且第三比较器U1-C的输出端作为输出信号与电流浪涌抑制电路4电连接。
第四比较器U1-D的正极输入端与输出端之间连接电阻R27。另外,第四比较器U1-D的正极输入端连接电阻R26后分两个支路,一个支路连接电阻R25后与第四比较器U1-D的电源端正极连接,另一个支路连接电容C4和稳压管Z4的并联网络后接P2点位。第四比较器U1-D的负极输入端串接电阻R28后分两个支路,一个支路连接电阻R31后与该比较器的电源端正极电连接,另一个支路连接电阻R30和电阻RT的并联网络后接P2点位。第四比较器U1-D的输出端和电源端正极之间连接电阻R29。第三比较器U1-C和第四比较器U1-D的输出端均与电流浪涌抑制电路4电连接。
U1-C是过压保护比较器、U1-D是过温保护比较器。当过流及过温时,比较器高电平转低电平促使D3、D2及D1输出低电平使SSPC关断。
如图1和图5所示,电流浪涌抑制电路4包括NPN型第八三极管Q8,第八三极管Q8的集电极接电阻R10后接P1点位,且基极与集电极之间连接电阻R41。第八三极管Q8的基极分三路,分别连接二极管D3、二极管D2和二极管D1后与第二比较器U1-B、第三比较器U1-C和第四比较器U1-D的输出端电连接。第八三极管Q8的基极连接二极管D4后作为电路的SSPC开/关控制信号进行输出,在电路集成时,此点位以一个单独的pin的形式存在。
第八三极管Q8的发射极分两个支路,一个支路连接电阻R40后与光耦的正极输入端连接,另一个支路串联电阻R39和电阻R38后与光耦的负极输入端连接,且光耦的负极输入端接地。电阻R39和电阻R38的中间连接点连接二极管D5后作为SSPC的开关状态信号进行输出,在芯片集成时作为一个单独的pin存在。光耦的正极输出端分两个支路,一个支路与DC-DC模块连接,DC-DC为隔离性小功率电源,将SSPC输入电压转换成15V低电压输出;另一个支路依次串联电阻R35、电阻R34后与MOS管的G极电连接。MOS管选用N沟道MOS管。MOS管的S极和D极均作为整个电路的输出端与外部电路连接,在集成芯片时分别作为芯片的一个单独pin的形式存在,其中S极主要作为功率输出端,用来连接负载。
光耦的负极输出端分成两个支路,一个支路连接第七三极管Q7的基极,另一个支路连接电阻R36后连接第七三极管Q7的集电极。第七三极管Q7的发射极与第六三极管Q6的基极电连接。第六三极管Q6的集电极接地,发射极连接电阻R34后与MOS管的G极电连接。第六三极管Q6的集电极和发射极之间配设电阻R37。第六三极管Q6的集电极分成两个支路,一个接MOS管的S极,另一个支路连接电阻R33后与MOS管的G极连接。MOS管的G极和D极之间串联电阻R32和电容C5。MOS管的S极和D极之间连接一个二极管。R32与C5是电流浪涌抑制网络,改变RC的乘积,可改变固态功率控制器(SSPC)浪涌电流峰值及完全开通延迟时间。
如图6所示,是将前述电路采用集成芯片化设计,芯片可作为一个元件器级固态功率控制器(SSPC),引脚1~5是功率输入正,引脚8~14是功率输出负,引脚24~28是功率输入与输出地线(功率回线);引脚4与6之间接RC网络,电阻R32外接,电容C5外接,可控制开通电流浪涌值及时间,如果悬空无浪涌抑制功能;引脚7是开关状态反馈信号,引脚8是SSPC开通关断控制信号,低电平关,高电平开;引脚19与20之间串接电阻可改变采样电流倍数;引脚17与18之间串接电阻可改变过压保护阈值;引脚15与16之间串接热敏电阻,监控芯片过温之后可以关断进行保护。
附图7是将控制电路做成一个普通芯片,电流采样电阻、MOS管及热敏电阻集成在一个功率模块上,功率模块可以依据实际工况定制,比如MOS管采取并联增加功率输出等,而控制芯片无需改变,这样的组合可适应各种应用固态功率控制器(SSPC)的工程。
附图8是固态功率控制器(SSPC)在容性负载下开通瞬间电流浪涌抑制波形,其中波形1是栅极波形,波形2电流波形及波形3,MOS管漏源级VDS电压波形,图中可看到电流是恒定值,VDS电压线性下降,电流浪涌抑制效果好。
本发明列举的电路图中电阻、二极管、功率管等元器件,也可以是等效电阻、二极管、功率管组合网络,但以本发明电路图最为简洁。本发明应用于航空、航天、舰船、装甲车辆及工业自动化等供配电所需固态功率控制器(SSPC)领域。附图中以P字编号的点位,均可在将电路集成成芯片时作为芯片的管脚进行信号的输入输出。
本申请的有益效果是:
1)电流采样精度高、线性度好、功耗低,且配电电流高端采样时无需增加二次电源供电,与一次电源共地;
2)利用MOS管的固有属性米勒效应,只增加一个电阻和一个电容对米勒效应时间上进行了延长,达到电流浪涌抑制功能,可靠性高及设计简单;
3)将MOS管并联设计,增大了固态功率控制器(SSPC)通断电流能力,同时浪涌抑制等功能不受影响;
4)将MOS管、电流采样电阻、热敏电阻集成于功率模块,剩余电路集成于一个控制芯片,实现功率部分和控制部分的分离,依据实际工况电压和功率,更换功率模块,而控制电路无需改变,使用和维护都更便利。
以上对本申请实施例所提供的一种含电流浪涌抑制的智能化固态功率控制器,进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本申请的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解,不同厂商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式,而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语,故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式,然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的,并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
还需要说明的是,术语“包含”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例,但如前所述,应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式,不应看作是对其他实施例的排除,而可用于各种其他组合、修改和环境,并能够在本文所述申请构想范围内,通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围,则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。