CN110336456B - 一种电动汽车低压电源的唤醒驱动电路 - Google Patents

一种电动汽车低压电源的唤醒驱动电路 Download PDF

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Abstract

一种电动汽车低压电源的唤醒驱动电路，包括：输入端口，信号隔离电路，供电电路，比较电路，电平选择电路和继电器驱动电路。用于实现负载的切换可控，同时达到低压电源电压状态检测，避免输入过电压和欠电压对负载装置器件的影响，使电源及其负载工作在正常电压范围区间内。唤醒驱动电路采用外部引入唤醒信号的模式触发工作，可实现内部信号与外部端口电气隔离。高阻抗输入，避免因唤醒信号回路功率不足而导致控制信号异常的问题发生。响应时间迅速。较低的输入静态电流和较低的输入工作电流。

Description

一种电动汽车低压电源的唤醒驱动电路
技术领域
本发明属于电动汽车电源技术领域，具体涉及一种电动汽车低压电源的唤醒驱动电路。
背景技术
随着能源危机和环境污染与日俱增，发展高效，节能，零排放的清洁型电动汽车成为国内外汽车工业发展的必然趋势。随着国家标准GB/T 18384.3-2015中对于人员触电防护的要求，诸多电动汽车生产商已将电动汽车内部低压供电系统稳定性与可靠性作为影响电动汽车质量的重要因素之一。
电动汽车由于其内部工作环境的复杂性，如电磁兼容问题的产生，导致其内部低压供电系统安全性与可靠性成为比较棘手的问题。如不能对其妥善解决，轻则导致车体工作不稳定，故障率飙升，重则会因电源极端故障导致的，如车体自燃等问题酿成威胁人员安全的严重后果。
发明内容
本发明的目的是解决电动汽车内部低压供电系统稳定性与可靠性的问题，提出一种低功耗的电动汽车低压直流电源唤醒驱动电路，意在实时监控低压电源工作情况，为电源极端情况，如工作在极端高压或极端低压提供保障，同时也能够实现低压电源的按需求控制，即提供负载切入和退出控制，达到有效节能的目的。以实现直流电源低功率，宽电压，隔离唤醒驱动控制，同时具备高输入阻抗的特点。
本发明的技术方案是：
一种电动汽车低压电源的唤醒驱动电路，所述的唤醒驱动电路包括：输入端口，信号隔离电路，供电电路，比较电路，电平选择电路和继电器驱动电路。由输入端口输入的唤醒信号经过信号隔离电路，触发激励信号，激励信号一方面输入供电电路，使供电电路生成基准电压和供电电压并输入到比较电路，激励信号另一方面作为比较信号输入比较电路，比较电路根据输入的比较信号并结合基准电压和供电电压，输出电平信号到电平选择电路，经过电平选择电路进行逻辑判断，生成驱动信号进入继电器驱动电路，最终控制直流功率主电路中的继电器。
唤醒信号：由输入端口接入的外部直流电压信号，优势在于：唤醒有效电压范围为宽范围7-40V，响应时间≤1ms，信号频率≤10Hz。
信号隔离电路：输入电气隔离单元，用于保证由输入端口输入的唤醒信号与电气隔离，包括顺次连接的滤波单元、隔离驱动单元和功率放大单元；滤波单元采用一阶滤波电路，用于滤除输入唤醒信号的交流分量，有效改善输入唤醒信号的纹波；隔离驱动单元由光电耦合器(U1)组成，隔离耐压达到3000VDC，输出次级端为达林顿驱动模式，提高输出信号电流。功率放大单元由功率开关器件(Q2)组成，保证满足输出功率，同时滤波单元中采用齐纳稳压管(D6)限制输入电压。信号隔离电路阻抗变换，输入高阻抗，输出低阻抗，降低输入唤醒信号的驱动负载功率，唤醒驱动电路功率由直流功率主电路承担。有效降低唤醒信号的能耗，提高稳定性。提高信号端口的输入阻抗，降低静态电流和工作电流。
供电电路：作为唤醒驱动电路的供电电源，为其中的比较电路和继电器驱动电路提供电路工作所需+5V电源电压，同时为比较电路提供+2.5V基准电压。
比较电路：为比较输出逻辑单元。由过压检测比较单元与欠压检测比较单元组成。过压检测比较单元与欠压检测比较单元均输出一组比较信号，作为表征当前唤醒信号输入电压状态的标志值，供电平选择电路进行逻辑处理。欠压检测比较单元主要由第一比较器(U1B)组成，其中第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3并联，并与第四电阻R4组成分压电路，输入欠压阈值由第四电阻R4的阻值决定；分压电路的输出信号接入第一比较器(U1B)正输入端，同时第一比较器正输入端并联第三去耦滤波电容(C3)以及第二稳压二极管(D2)，第一比较器的负输入端即VREF_L端连接由供电电路提供的比较基准电压，当输入电压大于欠压阈值时，第一比较器输出高逻辑电平；当输入电压小于欠压阈值时，第一比较器输出低逻辑电平；过压检测比较单元主要由第二比较器(U2B)组成，其中第六电阻R6，第七电阻R7，第八电阻R8并联，并与第九电阻R9组成分压电路，输入过压阈值由第九电阻R9的阻值决定；分压电路的输出信号接入第二比较器(U2B)负输入端，同时第二比较器负输入端并联第四去耦滤波电容(C4)，以及第三稳压二极管(D3)，第二比较器的正输入端即VREF_H端连接由供电电路提供的比较基准电压；当输入电压大于过压阈值时，第二比较器输出低逻辑电平；当输入电压小于过压阈值时，第二比较器输出高逻辑电平。
所述第一比较器和第二比较器(U1B和U2B)均采用迟滞比较设计，在第一比较器和第二比较器的正输入端分别由第五电阻(R5)和第十一电阻(R11)组成正反馈电路，在输出电平的影响下，可调节各比较器阈值，有效避免临界值状态往返切换跳变问题。
比较电路自身配备有输入电压限值保护设计。其优势在于高阻输入，低阻输出，降低输入功耗，输出标准TTL电平。在保证响应时间迅速的同时，采用迟滞比较模式，有效避免临界值状态往返切换跳变问题。
电平选择电路：为电平逻辑判断单元，由第四双向二极管(D4)组成。对比较电路中的过压比较检测单元和欠压比较检测单元输出的电平信号进行逻辑”与”处理，以决定针对继电器驱动电路的操作。比较电路的任何低电平输出，均代表对直流功率主电路的封锁操作。
继电器驱动电路：为继电器控制单元，由第一功率开关器件(Q1)和第十二至第十四驱动电阻(R12，R13，R14)组成，其中第十二和第十四驱动电阻(R12，R14)组成分压电路并分别连接供电电压的正负极，分压电路的中间节点连接电平选择电路中的输出，同时经第十三驱动电阻(R13)与第一功率开关器件的基极连接，第一功率开关器件的发射极连接供电电压的负极；第一功率开关器件的集电极作为输出端串联被控继电器线圈构成控制回路。选用功率开关器件，以满足驱动继电器线圈的驱动功率要求。
本发明的优点和有益效果：
本发明提供的一种电动汽车低压电源的唤醒驱动电路，用于实现负载的切换可控，同时达到低压电源电压状态检测，避免输入过电压和欠电压对负载装置器件的影响，使电源及其负载工作在正常电压范围区间内。
附图说明
图1为本发明唤醒驱动电路原理图。
图2为本发明信号隔离电路图。
图3为本发明比较、电平选择和驱动电路。
具体实施方式
本发明被控直流功率主回路：根据图1，电源输入端并联瞬态电压抑制保护二极管D1，串联保险管F1，串联防反接肖特基二极管D2，并联去耦电容C1，串联共模扼流圈L1，串联去耦电容C2，串联功率电感L2，串联双刀单掷继电器开关K1，最后串接DC/DC直流变换器，输出电源功率。
本发明提供的电动汽车低压电源的唤醒驱动电路如图1所示，包括：输入端口、信号隔离电路，供电电路，比较电路，电平选择电路和继电器驱动电路。由外接端口接入唤醒驱动电路的控制信号——唤醒信号，经过信号隔离电路触发激励信号，激励信号一路作为总电源输入信号供给供电电路进行电压和功率变换，激励信号另一路供给比较电路作为比较输入信号。供电电路输出继电器驱动电路所需电源电压，同时为比较电路输出基准电压和供电电压。比较电路根据输入的比较信号和基准电压，分别输出过压检测比较电平和欠压检测比较电平。输出电平进入电平比较电路，执行逻辑判断，输出比较后的驱动电平进入继电器驱动电路，控制直流功率主电路中继电器状态。下面分别就唤醒驱动电路的各组成部分进行详细说明。
唤醒信号：满足7～40V宽范围直流电压信号输入，大于10KΩ的高输入阻抗，低功耗。唤醒信号由外部端口接入，因此进行输入保护措施设计。
信号隔离电路：如图2所示，包括采用瞬态电压抑制保护器件一直浪涌与雷击。去耦电容设计尽可能抑制输入信号至直流纹波，防止电压波动影响唤醒驱动电路动态效应，防止误触发。采用光电耦合隔离方式，同时隔离次级配备大功率开关器件，保证直流功率主电路大功率输入。包括三个单元：滤波单元，隔离驱动单元和功率放大单元。滤波单元采用一阶滤波电路用于滤除输入唤醒信号的交流分量，有效改善输入唤醒信号的纹波。隔离驱动单元主要由光电耦合器U1组成，其隔离耐压可达3000VDC，输出次级端采用达林顿输出方式，提高功率开关器件的驱动电流。功率放大单元主要由功率开关器件Q2组成，保证满足输出功率，同时滤波单元中采用齐纳稳压管D5限制输入电压。
比较电路：如图3比较电路部分所示，由过压检测比较单元与欠压检测比较单元组成。其中由第一比较器U1B组成欠压检测比较单元，其中第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3并联，并与第四电阻R4组成分压电路，输入欠压阈值由第四电阻R4阻值决定。分压电路的输出信号接入第一比较器U1B正输入端。同时第一比较器正输入端并联第三去耦滤波电容C3以及第二稳压二极管D2。第一比较器的负输入端即VREF_L端连接由供电电路提供的比较基准电压。当输入电压大于欠压阈值时，第一比较器输出高逻辑电平；当输入电压小于欠压阈值时，第一比较器输出低逻辑电平。
由第二比较器U2B组成过压检测比较单元，其中第六电阻R6，第七电阻R7，第八电阻R8并联，并与第九电阻R9组成分压电路，输入过压阈值由第九电阻R9阻值决定。分压电路的输出信号接入第二比较器U2B负输入端。同时第二比较器负输入端并联第四去耦滤波电容C4，以及第三稳压二极管D3。第二比较器的正输入端即VREF_H端连接由供电电路提供的比较基准电压。当输入电压大于过压阈值时，第二比较器输出低逻辑电平；当输入电压小于过压阈值时，第二比较器输出高逻辑电平。
第一和第二比较器U1B和U2B均采用迟滞比较设计，在第一和第二比较器U1B和U2B的正输入端分别由第五电阻R5和第十一电阻R11组成正反馈电路，在输出电平的影响下，可调节各比较器阈值，有效避免临界值状态往返切换跳变问题。各比较器输出标准TTL电平。高阻输入，低阻输出。
电平选择电路：由第四双向二极管D4组成，对比较电路中的过压比较检测单元和欠压比较检测单元输出的逻辑电平进行逻辑“与”，真值表如表1所示：
表1电平选择电路真值表
输入状态 欠压检测输出 过压检测输出 电平比较输出
欠压 L H L
正常 H H Z
过压 H L L
电平比较输出逻辑低电平(L)则代表封锁直流功率电路继电器，其余输出代表使能直流功率电路继电器。
继电器驱动电路：驱动控制直流功率电路继电器。第一功率开关器件Q1为核心器件，第一功率开关器件的集电极作为输出端串联被控继电器线圈构成控制回路，并由第十二至第十四驱动电阻(R12，R13，R14)组成驱动电路，其中第十二和第十四驱动电阻(R12，R14)组成分压电路并分别连接供电电压的正负极，分压电路的中间节点连接电平选择电路中的输出，同时经第十三驱动电阻R13与第一功率开关器件Q1的基极连接，第一功率开关器件的发射极连接供电电压的负极，满足功率开关器件驱动功率的要求选取参数。逻辑低电平关断Q1，封锁继电器，高电平或悬空高阻输出导通Q1，使能继电器。

Claims (4)

1.一种电动汽车低压电源的唤醒驱动电路，其特征在于，所述的唤醒驱动电路包括：输入端口、信号隔离电路，供电电路，比较电路，电平选择电路和继电器驱动电路；由输入端口输入的唤醒信号经过信号隔离电路，触发激励信号，激励信号一方面输入供电电路，使供电电路生成基准电压和供电电压并输入到比较电路，激励信号另一方面作为比较信号输入比较电路，比较电路根据输入的比较信号并结合基准电压和供电电压，输出电平信号到电平选择电路，经过电平选择电路进行逻辑判断，生成驱动信号进入继电器驱动电路，最终控制直流功率主电路中的继电器；
所述的信号隔离电路为输入电气隔离单元，用于保证由输入端口输入的唤醒信号与电气隔离，包括顺次连接的滤波单元、隔离驱动单元和功率放大单元；滤波单元采用一阶滤波电路，用于滤除输入唤醒信号的交流分量，有效改善输入唤醒信号的纹波；隔离驱动单元由光电耦合器(U1)组成，隔离耐压达到3000VDC，输出次级端为达林顿驱动模式，提高输出信号电流；功率放大单元由功率开关器件(Q2)组成，保证满足输出功率；同时滤波单元中采用齐纳稳压管(D5)限制输入电压；
所述的比较电路为比较输出逻辑单元，由过压检测比较单元与欠压检测比较单元组成；过压检测比较单元与欠压检测比较单元均输出一组比较信号，作为表征当前唤醒信号输入电压状态的标志值，供电平选择电路进行逻辑处理；由第一比较器(U1B)组成欠压检测比较单元，其中第一电阻(R1)，第二电阻(R2)，第三电阻(R3)并联，并与第四电阻(R4)组成分压电路，输入欠压阈值由第四电阻(R4)阻值决定；分压电路的输出信号接入第一比较器(U1B)正输入端，同时第一比较器正输入端并联第三去耦滤波电容(C3)以及第二稳压二极管(D2)，第一比较器的负输入端即VREF_L端连接由供电电路提供的比较基准电压，当输入电压大于欠压阈值时，第一比较器输出高逻辑电平；当输入电压小于欠压阈值时，第一比较器输出低逻辑电平；由第二比较器(U2B)组成过压检测比较单元，其中第六电阻(R6)，第七电阻(R7)，第八电阻(R8)并联，并与第九电阻(R9)组成分压电路，输入过压阈值由第九电阻(R9)阻值决定；分压电路的输出信号接入第二比较器(U2B)负输入端，同时第二比较器负输入端并联第四去耦滤波电容(C4)，以及第三稳压二极管(D3)，第二比较器的正输入端即VREF_H端连接由供电电路提供的比较基准电压；当输入电压大于过压阈值时，第二比较器输出低逻辑电平；当输入电压小于过压阈值时，第二比较器输出高逻辑电平；
所述的电平选择电路由第四双向二极管(D4)组成，为电平逻辑判断单元；对比较电路中的过压比较检测单元和欠压比较检测单元输出的电平信号进行逻辑”与”处理，以决定针对继电器驱动电路的操作，比较电路的任何低电平输出，均代表对直流功率主电路的封锁操作；
所述的继电器驱动电路为继电器控制单元，由第一功率开关器件(Q1)和第十二至第十四驱动电阻(R12，R13，R14)组成，其中第十二和第十四驱动电阻(R12，R14)组成分压电路并分别连接供电电压的正负极，分压电路的中间节点连接电平选择电路中的输出，同时经第十三驱动电阻(R13)与第一功率开关器件的基极连接，第一功率开关器件的发射极连接供电电压的负极；第一功率开关器件的集电极作为输出端串联被控继电器线圈构成控制回路。
2.如权利要求1所述的电动汽车低压电源的唤醒驱动电路，其特征在于，所述的唤醒信号是由输入端口接入的外部直流电压信号，唤醒有效电压范围为7-40V，响应时间≤1ms，信号频率≤10Hz。
3.如权利要求1所述的电动汽车低压电源的唤醒驱动电路，其特征在于，所述的供电电路作为唤醒驱动电路的供电电源，为其中的比较电路和继电器驱动电路提供电路工作所需+5V电源电压，同时为比较电路提供+2.5V基准电压。
4.如权利要求1-3任一项所述的电动汽车低压电源的唤醒驱动电路，其特征在于，所述第一比较器和第二比较器(U1B、U2B)均采用迟滞比较设计，在第一比较器和第二比较器的正输入端分别由第五电阻(R5)和第十一电阻(R11)组成正反馈电路，在输出电平的影响下，能够调节各比较器阈值，有效避免临界值状态往返切换跳变问题。
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