CN108923774A - 一种开关电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种开关电路，涉及模拟电路领域。解决控制失效以及节点粘连的问题。开关电路包括第一脉冲信号模块、第二脉冲信号模块和开关模块，所述第一脉冲信号模块的电源信号输出端与所述第二脉冲信号模块的电源信号输入端连接，所述第二脉冲信号模块的电源信号输出端与所述开关模块的电源信号输入端连接。该开关电路采用两路脉冲信号控制，且只有两路脉冲都有的情况下才会打开模拟开关，解决了目前模拟开关器件的初次级击穿和节点粘连问题。
Description
技术领域
本发明涉及模拟电路领域，尤其涉及一种开关电路。
背景技术
目前，实现模拟开关功能的芯片和器件较多，包括N选1模拟开关集成芯片、固态继电器、线性光耦等。在安全电路中采用的模拟开关有下面几项要求：
1)不能用高低电平作为模拟开关选通的依据，而应该使用脉冲信号。这是因为，当控制模拟开关的控制器在死机时，输出信号有可能停在高电平，也可能停在低电平，状态不可控，而脉冲信号在控制器死机时不会持续出现。
2)模拟开关应解决好“节点”粘连问题，即当控制器在关闭模拟开关时，模拟开关不应出现断不开的问题，即模拟信号仍然能通过。
3)模拟开关应解决好在自身故障情况下的控制失效问题，如初次级击穿等。
根据以上要求，N选1模拟开关不满足要求1)，线性光耦不满足要求1)和要求3)，固态继电器不满足要求1)和要求2)。由此可见，需要一种新型的开关电路来同时解决控制失效以及节点粘连的问题。
发明内容
为解决上述技术问题之一，本发明提供了一种开关电路。
本发明实施例所述的开关电路包括第一脉冲信号模块、第二脉冲信号模块和开关模块，所述第一脉冲信号模块的电源信号输出端与所述第二脉冲信号模块的电源信号输入端连接，所述第二脉冲信号模块的电源信号输出端与所述开关模块的电源信号输入端连接；
所述第一脉冲信号模块，用于接收第一控制器发送的第一脉冲信号和电源发送的电压信号，并根据所述第一脉冲信号和电压信号生成第一电源信号后发送至第二脉冲信号模块；
所述第二脉冲信号模块，用于接收第二控制器发送的第二脉冲信号，并根据所述第二脉冲信号和第一脉冲信号模块发送的第一电源信号生成第二电源信号后发送至开关模块；
所述开关模块，用于接收第三控制器发送的模拟输入信号，并根据所述模拟输入信号和第二脉冲信号模块发送的第二电源信号生成模拟输出信号。
优选地，所述第一脉冲信号模块包括第一电阻R1、第一电容C1、第一光耦U1、第一二极管D1、第三电阻R3、第三电容C3、第一变压器B1、第一整流桥Z1、第四电容C4、第四电阻R4和第五电阻R5；
第一电阻R1的一端连接第一控制器的脉冲信号输出端，第一电阻R1的另一端同时与第一电容C1的一端和第一光耦U1的第一端连接；
第一电容C1的另一端与第一光耦U1的第二端连接并接地；
第一光耦U1的第三端同时与第三电容C3的负极和第一二极管D1的正极连接并接地；
第三电容C3的正极同时与电源的电源信号输出端和第一变压器B1的一次侧的一端连接；
第一二极管D1的负极同时与第一光耦U1的第四端和第三电阻R3的一端连接；
第三电阻R3的另一端与第一变压器B1的一次侧的另一端连接；
第一变压器B1的二次侧的一端与第一整流桥Z1的第一输入端连接；
第一变压器B1的二次侧的另一端与第一整流桥Z1的第二输入端连接；
第一整流桥Z1的第一输出端与第四电容C4的第一端连接；
第一整流桥Z1的第二输出端与第四电容C4的第二端连接；
第四电容C4的第三端与第四电阻R4的一端连接；
第四电容C4的第四端同时与第四电阻R4的另一端和第五电阻R5的一端连接；
第五电阻R5的另一端作为第一脉冲信号模块的电源信号输出端与第二脉冲信号模块的电源信号输入端连接。
优选地，所述第四电容C4为四头电容。
优选地，所述第二脉冲信号模块包括第二电阻R2、第二电容C2、第二光耦U2、第二二极管D2、第二变压器B2、第二整流桥Z2、第五电容C5和第七电阻R7；
第二电阻R2的一端连接第二控制器的脉冲信号输出端，第二电阻R2的另一端同时与第二电容C2的一端和第二光耦U2的第一端连接；
第二电容C2的另一端与第二光耦U2的第二端连接并接地；
第二光耦U2的第三端同时与第二二极管D2的正极和第四电容C4的第三端连接；
第二光耦U2的第四端同时与第二二极管D2的负极和第二变压器B2的一次侧的一端连接；
第二变压器B2的一次侧的另一端作为第二脉冲信号模块的电源信号输入端与第一脉冲信号模块的电源信号输出端连接；
第二变压器B2的二次侧的一端与第二整流桥Z2的第一输入端连接；
第二变压器B2的二次侧的另一端与第二整流桥Z2的第二输入端连接；
第二整流桥Z2的第二输出端同时与第五电容C5的负极和第七电阻R7的一端连接并接地；
第七电阻R7的另一端作为第二脉冲信号模块的电源信号输出端同时与第五电容C5的正极、第二整流桥Z2的第一输出端和开关模块的电源信号输入端连接。
优选地，所述开关模块包括第六电容C6、第六电阻R6、第八电阻R8、第三二极管D3、三极管N1和第九电阻R9；
第六电容C6的一端与第三控制器的输出端连接，第六电容C6的另一端与第六电容C6的一端连接；
第六电容C6的另一端同时与第三二极管D3的正极和第八电阻R8的一端连接；
第八电阻R8的另一端作为开关模块的电源信号输入端同时与第二脉冲信号模块的电源信号输出端和三极管N1的集电极连接；
三极管N1的基极与第三二极管D3的负极连接；
三极管N1的发射极作为开关模块的电源信号输出端与第九电阻R9的一端连接；
第九电阻R9的另一端接地。
本发明的有益效果如下：本发明所提出的开关电路采用脉冲信号作为选通信号，当控制器在死机时，直接关闭模拟开关，保证模拟开关工作于可控状态。同时，该开关电路采用两路脉冲信号控制，且只有两路脉冲都有的情况下才会打开模拟开关，解决了目前模拟开关器件的初次级击穿和节点粘连问题。并且，在自身故障情况下，模拟开关仍然可控，并导向安全侧，属于安全性电路。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的开关电路的整体电路图；
图2为本发明实施例所述的第一脉冲信号模块的电路图；
图3为本发明实施例所述的第二脉冲信号模块的电路图；
图4为本发明实施例所述的开关模块的电路图。
具体实施方式
为了使本发明实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，本实施例提出了一种开关电路，所述开关电路包括第一脉冲信号模块、第二脉冲信号模块和开关模块，所述第一脉冲信号模块的电源信号输出端与所述第二脉冲信号模块的电源信号输入端连接，所述第二脉冲信号模块的电源信号输出端与所述开关模块的电源信号输入端连接。
具体的，本实施例所述的开关电路包括第一脉冲信号模块、第二脉冲信号模块和开关模块三部分组成，其中：
第一脉冲信号模块，用于接收第一控制器发送的第一脉冲信号和电源发送的电压信号，并根据所述第一脉冲信号和电压信号生成第一电源信号后发送至第二脉冲信号模块；
第二脉冲信号模块，用于接收第二控制器发送的第二脉冲信号，并根据所述第二脉冲信号和第一脉冲信号模块发送的第一电源信号生成第二电源信号后发送至开关模块；
开关模块，用于接收第三控制器发送的模拟输入信号，并根据所述模拟输入信号和第二脉冲信号模块发送的第二电源信号生成模拟输出信号。
进一步的，如图2所示，第一脉冲信号模块包括第一电阻R1、第一电容C1、第一光耦U1、第一二极管D1、第三电阻R3、第三电容C3、第一变压器B1、第一整流桥Z1、第四电容C4、第四电阻R4和第五电阻R5；
第一电阻R1的一端连接第一控制器的脉冲信号输出端，第一电阻R1的另一端同时与第一电容C1的一端和第一光耦U1的第一端连接；
第一电容C1的另一端与第一光耦U1的第二端连接并接地；
第一光耦U1的第三端同时与第三电容C3的负极和第一二极管D1的正极连接并接地；
第三电容C3的正极同时与电源的电源信号输出端和第一变压器B1的一次侧的一端连接；
第一二极管D1的负极同时与第一光耦U1的第四端和第三电阻R3的一端连接；
第三电阻R3的另一端与第一变压器B1的一次侧的另一端连接；
第一变压器B1的二次侧的一端与第一整流桥Z1的第一输入端连接；
第一变压器B1的二次侧的另一端与第一整流桥Z1的第二输入端连接；
第一整流桥Z1的第一输出端与第四电容C4的第一端连接；
第一整流桥Z1的第二输出端与第四电容C4的第二端连接；
第四电容C4的第三端与第四电阻R4的一端连接；
第四电容C4的第四端同时与第四电阻R4的另一端和第五电阻R5的一端连接；
第五电阻R5的另一端作为第一脉冲信号模块的电源信号输出端与第二脉冲信号模块的电源信号输入端连接。
具体的，本实施例采用第一光耦U1完成模拟开关与产生脉冲信号MC1的第一控制器之间的隔离；第三电容C3对电源VCC进行退耦；第一变压器B1对直流电压进行隔离；第一二极管D1用来消除第一变压器B1在工作过程中产生的反电动势，并保护第一光耦U1的集电极和发射极不被击穿；第一整流桥Z1将第一变压器B1的交流输出整流成直流，作为第二脉冲信号模块的电源；第四电容C4并联于第一整流桥Z1输出的两端，起到滤波作用，改善整流效果。
另外，本实施例在具体实施过程中的第四电容C4为四头电容，当第四电容C4电容断线故障时即断开与第二脉冲信号模块之间的联系，整个电路为无法正常工作，模拟开关关闭，而采用普通电容时，第一整流桥Z1输出仍然能输出到第二脉冲信号模块，起不到相应的防护效果。
进一步的，如图3所示，所述第二脉冲信号模块包括第二电阻R2、第二电容C2、第二光耦U2、第二二极管D2、第二变压器B2、第二整流桥Z2、第五电容C5和第七电阻R7；
第二电阻R2的一端连接第二控制器的脉冲信号输出端，第二电阻R2的另一端同时与第二电容C2的一端和第二光耦U2的第一端连接；
第二电容C2的另一端与第二光耦U2的第二端连接并接地；
第二光耦U2的第三端同时与第二二极管D2的正极和第四电容C4的第三端连接；
第二光耦U2的第四端同时与第二二极管D2的负极和第二变压器B2的一次侧的一端连接；
第二变压器B2的一次侧的另一端作为第二脉冲信号模块的电源信号输入端与第一脉冲信号模块的电源信号输出端连接；
第二变压器B2的二次侧的一端与第二整流桥Z2的第一输入端连接；
第二变压器B2的二次侧的另一端与第二整流桥Z2的第二输入端连接；
第二整流桥Z2的第二输出端同时与第五电容C5的负极和第七电阻R7的一端连接并接地；
第七电阻R7的另一端作为第二脉冲信号模块的电源信号输出端同时与第五电容C5的正极、第二整流桥Z2的第一输出端和开关模块的电源信号输入端连接。
具体的，本实施例采用第二光耦U2完成模拟开关与产生脉冲信号MC2的第二控制器之间的隔离；第二变压器B2同第一变压器B1一样，对直流进行隔离；第二二极管D2用来消除第二变压器B2在工作过程中产生的反电动势，并保护第二光耦U2的集电极和发射极不被击穿；第二整流桥Z2将第二变压器B2的交流输出整流成直流，作为开关模块的电源；第五电容C5并联于第二整流桥Z2输出的两端，起滤波作用，改善整流效果。
由此可见，本实施例中的第一脉冲信号模块给第二脉冲信号模块提供电源，第二脉冲信号模块给开关电路提供电源，任何一路脉冲信号没有的情况下，无法给下一级模块提供电源，从而实现只有两路脉冲信号都存在时才打开模拟开关的控制功能。
进一步的，如图4所示，所述开关模块包括第六电容C6、第六电阻R6、第八电阻R8、第三二极管D3、三极管N1和第九电阻R9；
第六电容C6的一端与第三控制器的输出端连接，第六电容C6的另一端与第六电容C6的一端连接；
第六电容C6的另一端同时与第三二极管D3的正极和第八电阻R8的一端连接；
第八电阻R8的另一端作为开关模块的电源信号输入端同时与第二脉冲信号模块的电源信号输出端和三极管N1的集电极连接；
三极管N1的基极与第三二极管D3的负极连接；
三极管N1的发射极作为开关模块的电源信号输出端与第九电阻R9的一端连接；
第九电阻R9的另一端接地。
具体的，本实施例所提出的开关模块部分采用三极管N1的放大性能完成。其中第八电阻R8、第三二极管D3和第九电阻R9给三极管N1提供静态工作点，即，使三极管N1工作于即将导通状态；第六电容C6对模拟输入信号MNR中存在的直流信号进行隔离，当模拟输入信号MNR到来时，其导通三极管N1的基极和发射极，三极管N1处于放大状态，第二整流桥Z2的输出通过三极管N1的集电极和发射极，在第九电阻R9上形成信号电压，作为模拟输出信号MNC，实现模拟开关功能；当三极管N1的集电极和基极之间发生击穿故障或三极管N1的集电极和发射极之间发生击穿故障，则第三二极管D3两端电压相等，不导通，从而切断模拟输入信号MNR的通路；当第三二极管D3击穿故障和三极管N1的基极和发射极之间击穿故障同时发生，则模拟输出信号MNC为模拟输入信号MNR的M倍，其中M＝第六电阻R6阻值/第九电阻R9阻值，通过调整第六电阻R6和第九电阻R9的电阻值关系，可以实现模拟信号的关断功能，从而避免前面提到的节点粘连问题。
另外，本实施例所提出的开关电路非常注意隔离问题，其中，1_GND和2_GND分别为第一控制器和第二控制器的地，因此，本实施例所述的开关电路可以被两个分开的控制器控制；3_GND是开关电路的电源地，4_GND是开关电路的输出地，与输入地1_GND和2_GND对应。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种开关电路，其特征在于，所述开关电路包括第一脉冲信号模块、第二脉冲信号模块和开关模块，所述第一脉冲信号模块的电源信号输出端与所述第二脉冲信号模块的电源信号输入端连接，所述第二脉冲信号模块的电源信号输出端与所述开关模块的电源信号输入端连接；
所述第一脉冲信号模块，用于接收第一控制器发送的第一脉冲信号和电源发送的电压信号，并根据所述第一脉冲信号和电压信号生成第一电源信号后发送至第二脉冲信号模块；
所述第二脉冲信号模块，用于接收第二控制器发送的第二脉冲信号，并根据所述第二脉冲信号和第一脉冲信号模块发送的第一电源信号生成第二电源信号后发送至开关模块；
所述开关模块，用于接收第三控制器发送的模拟输入信号，并根据所述模拟输入信号和第二脉冲信号模块发送的第二电源信号生成模拟输出信号。
2.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，所述第一脉冲信号模块包括第一电阻R1、第一电容C1、第一光耦U1、第一二极管D1、第三电阻R3、第三电容C3、第一变压器B1、第一整流桥Z1、第四电容C4、第四电阻R4和第五电阻R5；
第一电阻R1的一端连接第一控制器的脉冲信号输出端，第一电阻R1的另一端同时与第一电容C1的一端和第一光耦U1的第一端连接；
第一电容C1的另一端与第一光耦U1的第二端连接并接地；
第一光耦U1的第三端同时与第三电容C3的负极和第一二极管D1的正极连接并接地；
第三电容C3的正极同时与电源的电源信号输出端和第一变压器B1的一次侧的一端连接；
第一二极管D1的负极同时与第一光耦U1的第四端和第三电阻R3的一端连接；
第三电阻R3的另一端与第一变压器B1的一次侧的另一端连接；
第一变压器B1的二次侧的一端与第一整流桥Z1的第一输入端连接；
第一变压器B1的二次侧的另一端与第一整流桥Z1的第二输入端连接；
第一整流桥Z1的第一输出端与第四电容C4的第一端连接；
第一整流桥Z1的第二输出端与第四电容C4的第二端连接；
第四电容C4的第三端与第四电阻R4的一端连接；
第四电容C4的第四端同时与第四电阻R4的另一端和第五电阻R5的一端连接；
第五电阻R5的另一端作为第一脉冲信号模块的电源信号输出端与第二脉冲信号模块的电源信号输入端连接。
3.根据权利要求2所述的开关电路，其特征在于，所述第四电容C4为四头电容。
4.根据权利要求2或3所述的开关电路，其特征在于，所述第二脉冲信号模块包括第二电阻R2、第二电容C2、第二光耦U2、第二二极管D2、第二变压器B2、第二整流桥Z2、第五电容C5和第七电阻R7；
第二电阻R2的一端连接第二控制器的脉冲信号输出端，第二电阻R2的另一端同时与第二电容C2的一端和第二光耦U2的第一端连接；
第二电容C2的另一端与第二光耦U2的第二端连接并接地；
第二光耦U2的第三端同时与第二二极管D2的正极和第四电容C4的第三端连接；
第二光耦U2的第四端同时与第二二极管D2的负极和第二变压器B2的一次侧的一端连接；
第二变压器B2的一次侧的另一端作为第二脉冲信号模块的电源信号输入端与第一脉冲信号模块的电源信号输出端连接；
第二变压器B2的二次侧的一端与第二整流桥Z2的第一输入端连接；
第二变压器B2的二次侧的另一端与第二整流桥Z2的第二输入端连接；
第二整流桥Z2的第二输出端同时与第五电容C5的负极和第七电阻R7的一端连接并接地；
第七电阻R7的另一端作为第二脉冲信号模块的电源信号输出端同时与第五电容C5的正极、第二整流桥Z2的第一输出端和开关模块的电源信号输入端连接。
5.根据权利要求4所述的开关电路，其特征在于，所述开关模块包括第六电容C6、第六电阻R6、第八电阻R8、第三二极管D3、三极管N1和第九电阻R9；
第六电容C6的一端与第三控制器的输出端连接，第六电容C6的另一端与第六电容C6的一端连接；
第六电容C6的另一端同时与第三二极管D3的正极和第八电阻R8的一端连接；
第八电阻R8的另一端作为开关模块的电源信号输入端同时与第二脉冲信号模块的电源信号输出端和三极管N1的集电极连接；
三极管N1的基极与第三二极管D3的负极连接；
三极管N1的发射极作为开关模块的电源信号输出端与第九电阻R9的一端连接；
第九电阻R9的另一端接地。
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