CN112600542A - 一种基于分立器件的动态安全开关方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于分立器件的动态安全开关方法及装置，其中，装置包括直流隔离电路、负压生成电路、前级驱动电路和执行器件；所述直流隔离电路的一端作为控制输入端，所述直流隔离电路的另一端连接所述负压生成电路，所述负压生成电路连接所述前级驱动电路，所述前级驱动电路连接所述执行器件的控制端；正常工作时，控制输入端的PWM信号经过直流隔离电路，过滤掉直流信号后，作用于负压生成电路生成负压信号，负压信号驱动前级驱动电路开启，使前级驱动电路驱动执行器件工作；当控制输入端的PWM信号异常或者电路内部自身异常时，负压电路将无法生成负压，前级驱动电路关闭，使执行器件关闭导向失效安全状态。
Description
技术领域
本发明属于故障安全保障领域，具体的说，涉及了一种基于分立器件的动态安全开关方法及装置。
背景技术
自上世纪七八十年代，在世界范围内，尤其是在化工领域多次发生爆炸或污染泄露事故，事故主要原因是因为控制系统相关安全功能失效导致的，而造成失效的很重要的原因是其电子电气可编程控制产品的自身功能的不完善。因此IEC（国际电工委员会）组织在多方专家参与下在1998年颁布了IEC61508相关标准，随后国内也根据该标准制定了GB/T20438系列标准。
然而，如何使用动态原理，使在外部输入端发生器件开路、短路到低电平、短路到高电平等各种情况时，能够实现执行器正常导向故障安全状态，从而实现设备异常后的安全关断作用，保证设备的安全可靠，是本领域技术人员一直在寻求的。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于分立器件的动态安全开关方法及装置。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
本发明第一方面提供一种基于分立器件的动态安全开关方法，包括：
正常工作时，控制输入端的PWM信号经过直流隔离电路，过滤掉直流信号后，作用于负压生成电路生成负压信号，负压信号驱动前级驱动电路开启，使前级驱动电路驱动执行器件工作；
当控制输入端的PWM信号异常或者电路内部自身异常时，负压电路将无法生成负压，前级驱动电路关闭，使执行器件关闭导向失效安全状态。
本发明第二方面提供一种基于分立器件的动态安全开关装置，包括直流隔离电路、负压生成电路、前级驱动电路和执行器件；
所述直流隔离电路的一端作为控制输入端，用于在正常工作时输入PWM信号；
所述直流隔离电路的另一端连接所述负压生成电路，以在直流隔离电路过滤掉直流信号后，作用于负压生成电路生成负压信号；所述负压生成电路还用于在控制输入端的PWM信号异常或者电路内部自身异常时不生成负压信号；
所述负压生成电路连接所述前级驱动电路，以根据负压信号的有无驱动前级驱动电路的启闭；
所述前级驱动电路连接所述执行器件的控制端，以根据所述前级驱动电路的启闭，驱动执行器件的通断；
所述执行器件的通断连接端作为本动态安全开关装置的开关连接端。
基于上述，所述负压信号为小于-1V的负压信号。
基于上述，所述直流隔离电路包括电容C1；所述负压生成电路包括二极管D1、二极管D2和电容C2；所述前级驱动电路包括三极管Q1；所述执行器件包括电阻R1、电阻R2和PMOS管Q2；所述电容C1的一端作为控制输入端；所述电容C1的另一端连接所述二极管D2的阴极，所述二极管D1的阳极连接所述二极管D2的阴极，所述二极管D1的阴极接地，所述电容C2的一端连接所述二极管D2的阳极，所述电容C2的另一端接地；所述二极管D2的阳极连接所述三极管Q1的发射极，所述三极管Q1的基极接地，所述三极管Q1的集电极连接所述电阻R2的一端；所述电阻R2的另一端连接所述PMOS管Q2的栅极，所述电阻R1并接在所述PMOS管Q2的漏极和栅极之间；所述PMOS管Q2的漏极和源极作为本动态安全开关装置的开关连接端。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著进步，具体的说，本发明使用动态原则，提供了一种可靠的关断方案，能够使设备故障时有效的进入到故障安全（安全功能失效或故障后进入或保持安全状态）关断状态，该方案可以降低产品设计过程中出现的危险失效分数，从而极大地提高相关产品的安全失效分数，尤其是在功能安全相关产品的设计中，安全失效分数的高低决定了产品功能安全等级水平的高低，提高产品安全失效分数便可以极大地提高产品的可靠性。本发明装置可以使用在航空航天、高铁汽车、仪器仪表、医疗电子等各种对安全等级水平要求较高的技术领域。
附图说明
图1为本发明装置的原理框图。
图2为本发明装置的电路原理图。
图3为本发明装置的典型应用示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，本实施例提供一种基于分立器件的动态安全开关装置，包括直流隔离电路、负压生成电路、前级驱动电路和执行器件；
所述直流隔离电路的一端作为控制输入端，用于在正常工作时输入PWM信号；所述直流隔离电路的另一端连接所述负压生成电路，以在直流隔离电路过滤掉直流信号后，作用于负压生成电路生成负压信号；所述负压生成电路还用于在控制输入端的PWM信号异常或者电路内部自身异常时不生成负压信号；所述负压生成电路连接所述前级驱动电路，以根据负压信号的有无驱动前级驱动电路的启闭；所述前级驱动电路连接所述执行器件的控制端，以根据所述前级驱动电路的启闭，驱动执行器件的通断；所述执行器件的通断连接端作为本动态安全开关装置的开关连接端。
具体的，所述直流隔离电路包括电容C1；所述负压生成电路包括二极管D1、二极管D2和电容C2；所述前级驱动电路包括三极管Q1；所述执行器件包括电阻R1、电阻R2和PMOS管Q2；所述电容C1的一端作为控制输入端；所述电容C1的另一端连接所述二极管D2的阴极，所述二极管D1的阳极连接所述二极管D2的阴极，所述二极管D1的阴极接地，所述电容C2的一端连接所述二极管D2的阳极，所述电容C2的另一端接地；所述二极管D2的阳极连接所述三极管Q1的发射极，所述三极管Q1的基极接地，所述三极管Q1的集电极连接所述电阻R2的一端；所述电阻R2的另一端连接所述PMOS管Q2的栅极，所述电阻R1并接在所述PMOS管Q2的漏极和栅极之间；所述PMOS管Q2的漏极和源极作为本动态安全开关装置的开关连接端。
本发明的动态安全开关装置所要解决的问题是使用分立器件实现了一种动态开关电路，实现了在输入端发生异常时，能够自动进入关断状态，解决了在控制系统中，当输入单元失效时，设备可以有效地导入故障安全状态，使设备运行在一种更高的安全级别。
为了方便理解本发明动态安全开关装置，下面将首先从图1的设计框图来对整个设计思想以及如何避免危险失效产生进行原理性描述。
为解决失效后设备能够正常关闭输出，导向失效安全状态，本方案采用了以下的设计思路和方法：
如图1所示，该发明从功能上使用了四部分电路进行设计，分别是：直流隔离电路、负压生成电路、前级驱动电路和执行器件；电路正常工作时，PWM信号经过直流隔离电路，过滤掉可能出现的直流信号，使通过的交流信号作用于负压生成电路，交流信号可以使负压生成电路产生小于-1V的负压信号，从而驱动依靠负压才能开启的前级驱动电路，使前级驱动开启驱动执行器件工作。当外部PWM信号异常或者电路内部自身异常时，负压电路将无法正常生成负压，失去负压后驱动电路将停止工作，从而不能够正常开启执行器件，使执行器件关闭导向失效安全状态。
直流隔离电路的作用是隔离外部的直流信号，该电路可以通过有高低电平变化的交流信号阻隔因前级失效或者正常关闭输出的直流信号，对于外部信号来说，一般外部的PWM控制信号的失效模型包括开路、短路到低电平、短路到高电平或者短路到某个固定电平等形式，在上述任何失效的情况下，电容C1的后端都会出现一个固定的电平值，依靠动态生成负压的负压生成电路，遇到固定电平时将停止负压生成工作。
负压生成电路的作用是通过输入的交流信号产生出一个小于-1V的电压信号，当经过电容C1高电平时，二极管D1瞬间放电，此时电容C1上充电达到VCC-VD1，VD1为二极管D1上的正向压降，一般为0.2~0.3V，如果VCC为5V时，电容C1一般充电后能有4.7~4.8V左右的电压，当经过电容C1的高电平瞬间变成低电平时，此时，电容C1给通过二极管D1给电容C2充电，充电后电容C2上便可以聚集上一个负向的电压，通过该负向电压便可以启动前级驱动电路。
前级驱动电路的作用是通过产生的负压信号进行开启，从而驱动后级的执行器件，使执行器件启动；三极管Q1的基极固定于0电平处，正常情况下三极管Q1是处于关闭状态的，即基极和发射极电位相等，当三极管Q1的发射极有一个负压信号产生时，三极管Q1的基极和发射极将形成一个电压差，当压差大于三极管Q1的启动电压时，三极管Q1将正常驱动后级执行器件进行导通工作。
执行器件是本发明装置的最终执行元件，PMOS管Q2为最终关断器件，电阻R1用于上拉分压电阻，电阻R2用于分压限流，当前级驱动电路启动后将PMOS管Q2的G极拉低，使其S极和G极之间形成压差，从而使其正常导通开启。
本发明装置运行过程中PWM的外部输入异常已经通过上面进行了分析，现在对该装置内部各个器件失效时所造成的影响进行分析：
当电容C1失效时，电容C1短路，此时不影响该装置的正常运行和安全关断，电容C1开路时，负压生成电路无法工作，执行器件进入故障安全模式。负压生成电路中的任何一个元件发生开路、短路故障时，该负压生成电路都将无法正常生成负压电压信号，从而无法驱动执行器件关断，使其进入故障安全状态。
本发明装置可以有效的应用到多种场合及设备当中，如图3所示，便是一种典型的使用场景，其中，该装置可以由MCU或者其它的逻辑电路控制，Vin和Vout可以串接接入到相关安全电路的供电回路中，如图3所示，当MCU输出的PWM波异常时，Vin和Vout之间便可以快速的切断，切断后，将使安全回路导向故障安全状态，从而保护后级设备安全。例如，可以将图3所述的场景使用到工业仪表当中，在工业仪表中，对于大多数场合来说，4-20mA电流输出和继电器节点输出便是常见的安全输出量，同样的如图3所述的场景用于将Vin和Vout串接接入到4-20mA电流输出回路的供电，或者切断继电器输出回路的供电当中，在设备运行过程中，对于MCU而言容易受到工业现场的各种辐射、磁场以及宇宙射线等影响造成MCU的工作异常，一旦MCU输出的PWM波形出现异常或失效，对应的安全仪表中的4-20mA或者继电器将快速的断开供电，从而使正常的4-20mA的输出变为0mA输出，使仪表导向故障安全状态，保证次级设备识别故障并进入安全状态。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (4)
1.一种基于分立器件的动态安全开关方法，其特征在于，包括：
正常工作时，控制输入端的PWM信号经过直流隔离电路，过滤掉直流信号后，作用于负压生成电路生成负压信号，负压信号驱动前级驱动电路开启，使前级驱动电路驱动执行器件工作；
当控制输入端的PWM信号异常或者电路内部自身异常时，负压电路将无法生成负压，前级驱动电路关闭，使执行器件关闭导向失效安全状态。
2.一种基于分立器件的动态安全开关装置，其特征在于：包括直流隔离电路、负压生成电路、前级驱动电路和执行器件；
所述直流隔离电路的一端作为控制输入端，用于在正常工作时输入PWM信号；
所述直流隔离电路的另一端连接所述负压生成电路，以在直流隔离电路过滤掉直流信号后，作用于负压生成电路生成负压信号；所述负压生成电路还用于在控制输入端的PWM信号异常或者电路内部自身异常时不生成负压信号；
所述负压生成电路连接所述前级驱动电路，以根据负压信号的有无驱动前级驱动电路的启闭；
所述前级驱动电路连接所述执行器件的控制端，以根据所述前级驱动电路的启闭，驱动执行器件的通断；
所述执行器件的通断连接端作为本动态安全开关装置的开关连接端。
3.根据权利要求2所述的基于分立器件的动态安全开关装置，其特征在于：所述负压信号为小于-1V的负压信号。
4.根据权利要求2或3所述的基于分立器件的动态安全开关装置，其特征在于：所述直流隔离电路包括电容C1；
所述负压生成电路包括二极管D1、二极管D2和电容C2；
所述前级驱动电路包括三极管Q1；
所述执行器件包括电阻R1、电阻R2和PMOS管Q2；
所述电容C1的一端作为控制输入端；所述电容C1的另一端连接所述二极管D2的阴极，所述二极管D1的阳极连接所述二极管D2的阴极，所述二极管D1的阴极接地，所述电容C2的一端连接所述二极管D2的阳极，所述电容C2的另一端接地；所述二极管D2的阳极连接所述三极管Q1的发射极，所述三极管Q1的基极接地，所述三极管Q1的集电极连接所述电阻R2的一端；所述电阻R2的另一端连接所述PMOS管Q2的栅极，所述电阻R1并接在所述PMOS管Q2的漏极和栅极之间；所述PMOS管Q2的漏极和源极作为本动态安全开关装置的开关连接端。
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|---|---|
| CN (1) | CN112600542B (zh) |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106452024A (zh) * | 2016-11-30 | 2017-02-22 | 深圳市能隙科技有限公司 | 开关电源及单电源供电的负压驱动电路 |
| US9966837B1 (en) * | 2016-07-08 | 2018-05-08 | Vpt, Inc. | Power converter with circuits for providing gate driving |
| CN108900081A (zh) * | 2018-07-26 | 2018-11-27 | 东莞市动力之星电子有限公司 | 一种控制负压输出的电路 |
| CN209001913U (zh) * | 2018-10-16 | 2019-06-18 | 国网浙江省电力有限公司台州供电公司 | 一种SiC MOS管负压关断电路 |
| CN110597049A (zh) * | 2019-09-27 | 2019-12-20 | 北京和利时系统工程有限公司 | 一种安全输出电路及控制、检测方法 |
| CN110750066A (zh) * | 2019-11-03 | 2020-02-04 | 苏州时智电子科技有限公司 | 一种光栅新型交流驱动输出电路 |
| US10566898B1 (en) * | 2018-11-13 | 2020-02-18 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | Negative voltage circuit |
| CN211046892U (zh) * | 2019-12-31 | 2020-07-17 | 深圳市思创捷电子科技有限公司 | 定位器及其外部负载开关电路 |
| CN111464158A (zh) * | 2020-03-30 | 2020-07-28 | 中煤科工集团重庆研究院有限公司 | Mos管脉冲驱动电路 |
-
2020
- 2020-12-22 CN CN202011527339.9A patent/CN112600542B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9966837B1 (en) * | 2016-07-08 | 2018-05-08 | Vpt, Inc. | Power converter with circuits for providing gate driving |
| CN106452024A (zh) * | 2016-11-30 | 2017-02-22 | 深圳市能隙科技有限公司 | 开关电源及单电源供电的负压驱动电路 |
| CN108900081A (zh) * | 2018-07-26 | 2018-11-27 | 东莞市动力之星电子有限公司 | 一种控制负压输出的电路 |
| CN209001913U (zh) * | 2018-10-16 | 2019-06-18 | 国网浙江省电力有限公司台州供电公司 | 一种SiC MOS管负压关断电路 |
| US10566898B1 (en) * | 2018-11-13 | 2020-02-18 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | Negative voltage circuit |
| CN110597049A (zh) * | 2019-09-27 | 2019-12-20 | 北京和利时系统工程有限公司 | 一种安全输出电路及控制、检测方法 |
| CN110750066A (zh) * | 2019-11-03 | 2020-02-04 | 苏州时智电子科技有限公司 | 一种光栅新型交流驱动输出电路 |
| CN211046892U (zh) * | 2019-12-31 | 2020-07-17 | 深圳市思创捷电子科技有限公司 | 定位器及其外部负载开关电路 |
| CN111464158A (zh) * | 2020-03-30 | 2020-07-28 | 中煤科工集团重庆研究院有限公司 | Mos管脉冲驱动电路 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 陈;程良伦;管梁;: "基于负压关断和栅极箝位的IR2110驱动电路的设计与研究", 微电机, no. 11, 28 November 2012 (2012-11-28) * |
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| Publication number | Publication date |
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