CN108963966A - 一种用于供配电的配电控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于供配电的配电控制器，其包括功率板电路和控制板电路，功率板电路包括功率开关管、滤波电容、瞬态二极管及续流二极管，控制板电路包括单片机；功率开关管漏极与电源正极连接、源极与负载正极连接、栅极与单片机连接；滤波电容的两端分别与电源正极和电源负极连接，瞬态二极管的正极与电源负极连接，瞬态二极管的负极与电源正极连接；续流二极管的正极与负载负极连接，续流二极管的负极与负载正极连接；漏极与源极之间串联反向设置的保护二极管。本发明提供的配电控制器具有小型化、模块化、智能化、信息化及通用化等特点，能充分满足供配电系统要求，还具有可靠性好、成本低、过载能力强等突出优点。

Description

一种用于供配电的配电控制器

技术领域

本发明涉及供配电系统技术领域，更为具体来说，本发明为一种用于供配电的配电控制器。

背景技术

配电控制器作为车载供配电系统和地面供配电系统的重要组成部分，其性能的优劣直接对车载供配电系统和地面供配电系统产生重要影响。在传统供配电系统的配电控制器中，往往采用大量的直流接触器实现对负载电流的通断控制，还需要辅以接触器驱动电路、电流传感器、电压传感器、信号采集电路及电缆等等，从而实现对供配电系统的自动控制、信息监测、状态反馈等功能；但是，在现有配电控制器的使用过程中，直流接触器的触点在工作中经常会出现烧蚀、拉弧及氧化问题，容易引发接触不良甚至失效故障，存在机械寿命制约，使现有配电控制器的可靠性较低；而且，额外增加的多种传感器、信号采集电路等多种设备会导致配电控制器体积庞大，制约了配电产品小型化趋势的发展。很明显地，现有的配电控制器存在可靠性差、体积庞大、寿命短等问题。

因此，如何有效地缩小配电控制器的体积、提高配电控制器的可靠性和寿命，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。

发明内容

为解决现有的配电控制器存在可靠性差、体积庞大、寿命短等问题，本发明创新地提供了一种用于供配电的配电控制器，以达到供配电系统的小型化、长寿命、高可靠性的要求，满足多种不同负载的配电要求。

为实现上述技术目的，本发明公开了一种用于供配电的配电控制器，该配电控制器包括功率板电路和控制板电路，所述功率板电路包括功率开关管、滤波电容、瞬态二极管及续流二极管，所述控制板电路包括单片机；所述功率开关管具有栅极、源极及漏极，所述漏极与电源正极连接、所述源极与负载正极连接、所述栅极与所述单片机连接；所述滤波电容两端分别与电源正极和电源负极连接，瞬态二极管的正极与电源负极连接，瞬态二极管的负极与电源正极连接；续流二极管的正极与负载负极连接，续流二极管的负极与负载正极连接；所述瞬态二极管的正极与续流二极管的正极之间还串联有电阻，所述漏极与所述源极之间串联有反向设置的保护二极管，保护二极管的正极与所述源极连接，保护二极管的负极与所述漏极连接。

基于上述的技术方案，本发明能够通过低功耗的新型大功率开关器件实现负载的配电控制，消除配电控制器寿命限制瓶颈，以提高产品的可靠性；通过上述的结构设计，本发明能够有效提高产品集成度，以有效缩小配电控制器体积。更为具体地，通过滤波电容和瞬态二极管能够有效消除输入电压尖峰，通过续流二极管能够有效地为断开后的感性负载提供续流通路，以避免感性负载断开时产生的电压尖峰。

进一步地，该配电控制器还包括分流器和放大器；分流器的输入端用于接入负载电流信号，分流器的输出端用于输出电压信号；放大器的输入端用于接入所述电压信号，放大器的输出端与单片机的模数转换端口连接；且该配电控制器还包括分别与单片机连接的电流测量电路和电压测量电路。

基于上述改进的技术方案，本发明能通过单片机对负载电流信号进行计算和有效处理，并能对电流和电压进行测量。

进一步地，所述放大器的输出端与单片机的模数转换端口之间还设置有用于滤波的滤波保护电路；其中，所述放大器为多级放大器。

进一步地，在所述单片机与功率开关管的栅极之间还设置有光耦隔离电路。

进一步地，该配电控制器还包括与所述单片机连接的比较器电路；该比较器电路用于将检测的实时电流值与预设电流值对比，以及用于将检测的实时电压值与预设电压值对比；所述单片机用于在所述实时电流值大于所述预设电流值时通过状态信息输出端口向所述CAN总线发出过流报警信息，以及用于在所述实时电压值大于所述预设电压值时通过状态信息输出端口向所述CAN总线发出过压报警信息。

进一步地，该配电控制器还包括与所述单片机的状态信息输出端口连接的CAN总线通信电路，所述单片机通过CAN总线通信电路与所述CAN总线通信。

进一步地，该配电控制器还包括与所述单片机连接的存储芯片，且所述存储芯片用于存储CAN总线的ID值、电流/电压采集次数信息、过流报警信息、过压报警信息、配电动作次数信息及单片机信息。

进一步地，该配电控制器还包括与所述单片机连接的供电电路。

进一步地，该配电控制器还包括与所述单片机连接的串口通信电路。

进一步地，所述功率板电路包括多个功率开关管，且多个功率开关管之间相互并联。

本发明的有益效果为：本发明提供的配电控制器具有小型化、模块化、智能化、信息化及通用化等特点，能够充分满足供配电系统要求，还具有体积小、可靠性好、寿命长、功能丰富、成本低、过载能力强等突出优点。

另外，本发明提供的配电控制器采用立体结构设计，具有集成度高、功率密度大等突出优点。

附图说明

图1为配电控制器的功率板电路结构示意图。

图2为放大器的连接方式示意图。

图3为配电控制器整体的结构示意图。

图4为配电控制器的一种工作状态示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明涉及的用于供配电的配电控制器进行详细的解释和说明。

如图1至4所示，本实施例公开了一种用于供配电的配电控制器，是一种大功率、高集成度的智能低压配电控制器，该配电控制器包括功率板电路和控制板电路，功率板电路用于完成负载电流的通断控制、电流采样及电压采样，控制板电路用于完成电流/电压信号处理、数据存储及CAN通信等，功率板电路包括功率开关管、滤波电容、瞬态二极管及续流二极管，控制板电路包括单片机，本实施例中，功率板电路可以包括多个功率开关管，用于回路中负载电流的通断控制，多个功率开关管之间相互并联；功率开关管具有栅极、源极以及漏极，漏极与电源正极连接、源极与负载正极连接、栅极与单片机连接，在本实施例中，在单片机与功率开关管的栅极之间还设置有光耦隔离电路，以实现有效的电气隔离，保护单片机等设备的安全；滤波电容的两端分别与电源正极和电源负极连接，瞬态二极管的正极与电源负极连接，瞬态二极管的负极与电源正极连接；续流二极管的正极与负载负极连接，续流二极管的负极与负载正极连接；瞬态二极管的正极与续流二极管的正极之间还串联有电阻，漏极与源极之间串联有反向设置的保护二极管，保护二极管的正极与源极连接，保护二极管的负极与漏极连接。

通过单片机对功率开关管实现自动模式控制，比如可根据控制指令对负载进行自动配电控制，在本发明公开内容基础上，还可实现对功率开关管的手动模式控制，手动模式下可根据外接开关进行负载配电控制，具体来说，在手动模式下，功率开关管通过功率器件驱动电路驱动，功率器件驱动电路的控制信号与高电平连接，始终处于驱动使能状态。在自动模式下，功率器件驱动电路的控制信号与单片机控制信号连接，单片机可根据接收到的CAN总线控制指令来配置控制信号的状态，当接收到导通控制指令时，单片机输出高电平控制信号，以控制功率开关管导通；当接收到关断控制指令时，单片机输出低电平控制信号，以控制功率开关管关断。

本实施例中，该配电控制器还包括与单片机连接的存储芯片，本实施例的存储芯片采用铁电存储器，用于存储CAN总线的ID值、电流/电压采集次数信息、过流报警信息、过压报警信息、配电动作次数信息及单片机信息等，如果产品故障或损坏后，可通过读取专用存储芯片(铁电存储器)中的信息，获取产品的运行状态信息，以便于对产品进行分析。

本实施例中，该配电控制器还包括分流器和放大器；分流器的输入端用于接入负载电流信号，分流器的输出端用于输出电压信号；放大器的输入端用于接入电压信号，放大器的输出端与单片机的模数转换端口连接；如图2所示，负载电流信号通过分流器转换为电压信号，再经过运算放大电路调理后，送入单片机的模/数转换端口进行计算和处理；负载电压信号经过运算放大电路调理后，同样送入单片机模/数转换端口进行计算和处理。单片机将电压和电流信号处理后，通过CAN总线发送给其他系统，用于负载状态信息的监控。本实施例中，CAN总线通信可包括两路相互隔离的CAN总线电路，采用同收同发策略，相互进行备份冗余。

CAN总线地址通过产品外部预留地址线接口进行配置，单片机检测地址线接口电平状态，并以此为输入查询单片机内部存储的CAN总线ID数据，获得CAN总线ID地址，并对单片机CAN总线进行配置。该配电控制器还包括分别与单片机连接的电流测量电路和电压测量电路，电压测量电路和电流测量电路分别采用差分电路采样方式，对智能低压配电控制器的输入电压、输出电压和负载电流进行采样和调理，以使模拟信号输入范围与单片机模数转换端口相匹配。其中，放大器的输出端与单片机模数转换端口之间还设置有用于滤波的滤波保护电路；本实施例中，放大器为多级放大器。

更为具体来说，该配电控制器还包括与单片机连接的比较器电路；该比较器电路用于将检测的实时电流值与预设电流值对比，以及用于将检测的实时电压值与预设电压值对比；单片机用于在实时电流值大于预设电流值时通过状态信息输出端口向CAN总线发出过流报警信息，及用于在实时电压值大于预设电压值时通过状态信息输出端口向CAN总线发出过压报警信息。而且，在实时电流值大于电流保护值时，单片机控制功率开关管关断、通过状态信息输出端口向CAN总线发出过流动作信息，以及用于在实时电压值大于电压保护值时，单片机控制功率开关管关断、通过状态信息输出端口向CAN总线发出过压动作信息。本实施例中，可通过将电流信号与设定过流保护值进行比较得到过流信号，并可将该信号直接与单片机外部中断引脚相连，使得过流信号得到单片机程序的快速响应。

本实施例中，该配电控制器包括与单片机的状态信息输出端口连接的CAN总线通信电路，单片机通过CAN总线通信电路与CAN总线通信，CAN总线通信电路可通过地址配置电路对控制器ID进行设置，地址设置范围为0-31；CAN总线通信电路根据系统要求，将控制器电压/电流值和控制器状态进行定时上传，将接收的其他单机或系统发送的负载控制指令传给单片机。本实施例可对过流/过压报警点和动作点进行设置，并可实现对故障信息的分级处理和信息存储。控制器可通过外部端口对CAN总线地址进行配置，以提高控制器的通用性；本发明的控制器具有较小的体积和模块化特点，降低供配电系统的体积，便于系统的维修和保障。

另外，本实施例公开的过流保护方法有两种：1、采用两级放大电路后接单片机模数转换引脚，通过程序处理进行实际电流计算，并根据实际电流值进行过流判断，并通过CAN总线将过流故障信号进行上传，这种方法电流测量精度高，但测量范围小；2、将两级放大电路中的前级放大电路输出信号分别引至单片机模数转换引脚和比较器电路，以进行大电流信号检测和过流故障报警，比较器电路输出信号接单片机外部中断引脚，当出现大电流过流故障时，触发单片机中断程序进行保护动作，从而对大电流故障进行快速响应，该方法测量精度较高、测量范围大。

本实施例中，为实现对单片机等器件的供电，该配电控制器还包括与单片机连接的供电电路，供电电路为控制板电路提供多路电源，包括+3.3V、三路+5V及+12V：+3.3V主要为单片机及其外围电路供电，一路+5V主要为运算放大器供电；两路隔离+5V分别为两路隔离CAN通信电路供电；+12V为隔离驱动电路供电。且该配电控制器还包括与单片机连接的串口通信电路，串口通信电路用于调试阶段测试和程序烧写。

综上，本实施例能实现配电控制手动/自动模式选择、负载电压/电流信息检测、过载/过压报警和保护、关键信息存储、CAN总线通信及地址设置等功能。

本发明可按照如下方式进行工作：

供电电路将24V直流转换为+3.3V、+5V和+12V电源，从而实现为控制板电路供电。控制器工作后，检测CAN地址配置电路状态，并根据CAN协议查询CAN通信的ID值；读取铁电存储器存储的模拟信号采样标定参数，对控制器输入、输出和负载电流进行监控；当各项控制器配置参数和监控状态均正常后，向总线发送控制器就绪状态指令，以准备接收总线数据进行负载配电控制；根据系统要求，将控制器关键参数进行定时上传，并将部分数据存入铁电存储器；当系统发生故障时，及时地向总线上传故障码，并将此时的各项参数存入铁电存储器，以提高配电控制器的维护性。另外，本实施例模拟信号采集调理电路有两种，针对电压信号和电流信号；电压信号和电流信号分别经分压和分流器处理，分别送入不同差分采样电路，进行模拟信号的采集和调理，送入不同的滤波保护电路，进行硬件滤波和限幅处理后，由单片机模数转换接口进行采集和软件处理。控制器过流保护机制有两种：第一种，单片机通过对经过第二级放大电路的电流信号进行检测，对负载控制器负载电流实施监控，当负载电流超过控制器额定值时，进行过流保护警告，通过CAN总线上传过流保护警告故障码；第二种，当负载电流远超控制器额定值，并将对控制器产生过流破坏时，第一级放大电路输出信号，触发过流保护比较器电路，并给单片机产生中断信号，触发单片机内部过流保护动作程序，实施过流保护动作，此时控制器通过CAN总线上传过流保护动作状态指令，并且将各种关键参数存入铁电存储器。智能低压配电控制器工作时，分为手动控制和自动控制模式，两种模式下控制器的电流/电压信号检测与上传、过流保护以及状态上传等功能均正常工作；手动控制模式下，控制器可直接由外部开关状态，进行负载控制；自动控制模式下，控制器根据CAN指令，对负载进行配电控制；配电控制器根据外部ID端口配置，对CAN通信地址进行自动设置；模拟信号采集电路标定参数、过流/过压告警和保护点、故障码信息等，均存储于铁电存储器，可通过CAN总线进行直接修改；当出现过压/过流故障时，控制器及时发出故障信息指令，并对故障码和关键信息进行记录。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于供配电的配电控制器，其特征在于：该配电控制器包括功率板电路和控制板电路，所述功率板电路包括功率开关管、滤波电容、瞬态二极管及续流二极管，所述控制板电路包括单片机；所述功率开关管具有栅极、源极及漏极，所述漏极与电源正极连接、所述源极与负载正极连接、所述栅极与所述单片机连接；所述滤波电容两端分别与电源正极和电源负极连接，瞬态二极管的正极与电源负极连接，瞬态二极管的负极与电源正极连接；续流二极管的正极与负载负极连接，续流二极管的负极与负载正极连接；所述瞬态二极管的正极与续流二极管的正极之间还串联有电阻，所述漏极与所述源极之间串联有反向设置的保护二极管，保护二极管的正极与所述源极连接，保护二极管的负极与所述漏极连接。

2.根据权利要求1所述的用于供配电的配电控制器，其特征在于：该配电控制器还包括分流器和放大器；分流器的输入端用于接入负载电流信号，分流器的输出端用于输出电压信号；放大器的输入端用于接入所述电压信号，放大器的输出端与单片机的模数转换端口连接；且该配电控制器还包括分别与单片机连接的电流测量电路和电压测量电路。

3.根据权利要求2所述的用于供配电的配电控制器，其特征在于：所述放大器的输出端与单片机的模数转换端口之间还设置有用于滤波的滤波保护电路；其中，所述放大器为多级放大器。

4.根据权利要求3所述的用于供配电的配电控制器，其特征在于：在所述单片机与功率开关管的栅极之间还设置有光耦隔离电路。

5.根据权利要求4所述的用于供配电的配电控制器，其特征在于：该配电控制器还包括与所述单片机连接的比较器电路；该比较器电路用于将检测的实时电流值与预设电流值对比，以及用于将检测的实时电压值与预设电压值对比；所述单片机用于在所述实时电流值大于所述预设电流值时通过状态信息输出端口向所述CAN总线发出过流报警信息，以及用于在所述实时电压值大于所述预设电压值时通过状态信息输出端口向所述CAN总线发出过压报警信息。

6.根据权利要求5所述的用于供配电的配电控制器，其特征在于：该配电控制器还包括与所述单片机的状态信息输出端口连接的CAN总线通信电路，所述单片机通过CAN总线通信电路与所述CAN总线通信。

7.根据权利要求6所述的用于供配电的配电控制器，其特征在于：该配电控制器还包括与所述单片机连接的存储芯片，且所述存储芯片用于存储CAN总线的ID值、电流/电压采集次数信息、过流报警信息、过压报警信息、配电动作次数信息及单片机信息。

8.根据权利要求7所述的用于供配电的配电控制器，其特征在于：该配电控制器还包括与所述单片机连接的供电电路。

9.根据权利要求1或8所述的用于供配电的配电控制器，其特征在于：该配电控制器还包括与所述单片机连接的串口通信电路。

10.根据权利要求9所述的用于供配电的配电控制器，其特征在于：所述功率板电路包括多个功率开关管，且多个功率开关管之间相互并联。