CN112952759B - 上电保护电路及电动工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种上电保护电路及电动工具，所述电动工具包括电池包、与电池包的正极相连的启动开关以及由电池包供电的负载。所述上电保护电路包括：充电电路，用于对储能电容充电；启动电路，用于在启动开关启动后进行供电；控制电路，包括分别与启动电路相连的主控芯片模块和检测模块，检测模块的一端还与充电电路相连，以接收储能电容输出的电压，检测模块的另一端与主控芯片模块相连，以将检测模块的输出传送至主控芯片模块；驱动电路模块，其一端与主控芯片模块相连、另一端与负载相连，用于在主控芯片模块输出开通信号时驱动负载启动，而在主控芯片模块输出关断信号时驱动负载停止。

Description

上电保护电路及电动工具

技术领域

本发明涉及电动工具技术领域，尤其涉及一种上电保护电路及电动工具。

背景技术

电动工具包括启动开关和负载，其启动过程包括两种：一、先接入电源，然后按下启动开关，启动负载；二、一直按住启动开关，然后接入电源，启动负载。但是，在第二种情况下，在接入电源后，负载瞬间启动并快速运转，可能造成一些突发事件，存在安全隐患。

有鉴于此，确有必要提出一种上电保护电路来对电动工具的启动过程进行保护，避免突发事件的发生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种上电保护电路及电动工具，以解决先按住启动开关、后接入电源时导致负载瞬间启动并快速运转而发生的安全隐患问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种上电保护电路，应用于电动工具，所述电动工具包括电池包、与电池包的正极相连的启动开关以及由所述电池包供电的负载，所述上电保护电路包括：

充电电路，与所述电池包相连，用于对充电电路上的储能电容充电；

启动电路，与所述电池包相连，用于在所述启动开关启动后进行供电；

控制电路，包括分别与所述启动电路相连的主控芯片模块和检测模块，所述检测模块的一端还与所述充电电路相连，以接收所述储能电容输出的电压，所述检测模块的另一端与所述主控芯片模块相连，以将所述检测模块的输出传送至所述主控芯片模块；

驱动电路模块，其一端与所述主控芯片模块相连、另一端与所述负载相连，用于在所述主控芯片模块输出开通信号时驱动所述负载启动，而在所述主控芯片模块输出关断信号时驱动所述负载停止。

作为本发明的进一步改进，所述检测模块的输出包括电压波形，所述电压波形包括第一电压波形和第二电压波形，所述第一电压波形与所述主控芯片模块输出的开通信号相对应，所述第二电压波形与所述主控芯片模块输出的关断信号相对应。

作为本发明的进一步改进，当所述充电电路的启动顺序优先于所述启动电路时，所述检测模块输出的电压波形为第一电压波形，所述主控芯片模块输出的信号为开通信号，所述负载启动；当所述启动电路与所述充电电路同时启动时，所述检测模块输出的电压波形为第二电压波形，所述主控芯片模块输出的信号为关断信号，所述负载停止。

作为本发明的进一步改进，当所述充电电路的启动顺序优先于所述启动电路时，所述充电电路为所述储能电容提前充电，使所述储能电容上形成“先高后平”的电压波形，此时所述检测模块输出的第一电压波形也为“先高后平”的电压波形。

作为本发明的进一步改进，当所述启动电路与所述充电电路同时启动时，所述启动电路为所述主控芯片模块和检测模块供电，同时所述充电电路为所述储能电容充电，所述储能电容上形成“先低后高”的电压波形，此时所述检测模块输出的第二电压波形也为“先低后高”的电压波形。

作为本发明的进一步改进，所述充电电路包括与所述电池包的正极相连的第一二极管、第一电阻及储能电容，所述第一电阻的两端分别与所述第一二极管和所述储能电容相连，所述储能电容的另一端接地。

作为本发明的进一步改进，所述启动电路包括所述启动开关、与所述启动开关相连的第一分压电路和电源输出电路以及位于第一分压电路和电源输出电路之间的第一开关，当所述启动开关闭合时，所述电池包为所述第一分压电路供电，所述第一开关闭合，所述电源输出电路能够输出电源。

作为本发明的进一步改进，所述主控芯片模块和所述检测模块分别与所述电源输出电路相连，所述检测模块包括与所述电源输出电路相连的第二开关、与所述储能电容相连的第三开关以及连接在第三开关和主控芯片模块之间的第二分压电路，所述第二分压电路用于对所述储能电容输出的电压进行分压并将分压结果传送到所述主控芯片模块。

作为本发明的进一步改进，所述第一分压电路包括相互串联的第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一开关连接在第一分压电阻和第二分压电阻的连接处；所述第二分压电路包括与第三开关相连的第三分压电阻和与第三分压电阻相连的第四分压电阻，所述主控芯片模块连接在所述第三分压电阻和第四分压电阻的连接处。

为实现上述目的，本发明还提供了一种电动工具，包括电池包、与电池包的正极相连的启动开关以及由所述电池包供电的负载，所述电动工具应用前述的上电保护电路。

本发明的有益效果是：本发明的上电保护电路在先按住启动开关、后接入电源时能够起到保护的作用，不仅能保证电动工具的可靠运行，而且能保证操作人员的安全，提高了电动工具的安全性能，使用户更加满意。

附图说明

图1是本发明上电保护电路的原理图。

图2是正常操作模式下主控芯片模块接收到的电压波形。

图3是异常操作模式下主控芯片模块接收到的电压波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

在高端园林机械系列产品中，链锯是绿化园林中经常可以见到的一种机械设备，在伐木行业是一件必不可少的工具，一款好的链锯可以让整个的工作过程变得更加的顺畅，效率也会大大的提高。链锯作为众多园林机械产品中使用范围最广、使用频率最高的电动工具之一，特别是锂电无刷链锯，它主要由提供动力的电机、提供能源的电池包、驱动控制的电路板、切割部分的锯链等四部分构成。

锯链部分由以下多个部件组成：链条制动器又称为刹车，是用于快速停止链条转动的装置；锯链齿轮又称为链轮，是用于传动锯链的带齿零件；前把手为安装在链锯前方的把手，前把手挡板又称为安全挡板；导板又称为链板，其牢固的轨道结构可用于支撑和传导锯链；后把手为安装在链锯后方的把手，属于主手把。

以上这些都属于锯链部分的安全功能部件，虽然有了这么多的安全功能部件，但是在现有的链锯产品中仍然存在启动危险：如果操作者没有按正常操作手法进行作业，那么链锯会因突然旋转或意外情况的发生而造成人身伤害及财产损失，是比较危险的，对于操作者和周边的环境都无法预料，因此，需要不断优化和提高电动工具自身的保护功能。

出于此目的，本发明就提供了一种电动工具的上电保护电路，来解决先按住启动开关、后接入电源时导致电机意外运行的问题；当然，此处的电动工具并不仅限于链锯，也可以是其它类型的工具。以下说明书部分将对上电保护电路的结构和工作过程进行详细描述。

如图1所示，本发明揭示了一种应用于电动工具的上电保护电路。所述电动工具包括电池包10、与电池包10的正极相连的启动开关S1以及由所述电池包10供电的负载20，所述电动工具上还设有插片座11，该插片座11由正极端子、负极端子及控制端子组成，用于与电池包10电性连接。也就是说，电池包10插到电动工具上后与插片座11电性导通，以便通过插片座11为电动工具供电。本实施例中，所述负载20为电机，但不应以此为限。所述上电保护电路包括：充电电路30、启动电路40、控制电路50及驱动电路模块60。

所述充电电路30与所述电池包10相连，用于对充电电路30上的储能电容C1充电。具体来讲，所述充电电路30包括与电池包10的正极(或插片座11的正极端子)相连的第一二极管D1、第一电阻R1、第二二极管D2及储能电容C1，其中，第一电阻R1的两端分别与第一二极管D1和储能电容C1相连，所述储能电容C1的另一端接地，第二二极管D2与第一电阻R1并联。

所述启动电路40与所述电池包10相连，用于在启动开关S1启动后进行供电。具体来讲，所述启动电路40包括启动开关S1、与启动开关S1相连的稳压管ZD1、与稳压管ZD1相连的第一分压电路和电源输出电路41以及位于第一分压电路和电源输出电路41之间的第一开关42，当启动开关S1闭合时，电池包10为第一分压电路供电，第一开关42闭合，电源输出电路41能够输出电源。

较佳的，启动开关S1的一端与第一二极管D1相连，用于接收从电池包10正极流出的电压，启动开关S1的另一端与稳压管ZD1相连，用于将从电池包10正极流出的电压稳定的传输至第一分压电路。所述第一分压电路包括相互串联的第一分压电阻R5和第二分压电阻R6，第一分压电阻R5的另一端与稳压管ZD1相连，第二分压电阻R6的另一端接地，第一开关42连接在第一分压电阻R5和第二分压电阻R6的连接处。电源输出电路41为DC-DC电路，可以输出24V电压、15V电压或者5V电压，可根据具体情况设定。

所述控制电路50包括与所述启动电路40相连的主控芯片模块51和检测模块，所述检测模块的一端还与充电电路30相连，以接收储能电容C1输出的电压，检测模块的另一端与主控芯片模块51相连，以将检测模块的输出传送至主控芯片模块51。具体来讲，所述主控芯片模块51和检测模块分别与电源输出电路41相连，用于接收电源输出电路41输出的电压，本实施例中，电源输出电路41输出5V电压至主控芯片模块51和检测模块，使主控芯片模块51和检测模块能够正常启动。

所述检测模块包括与电源输出电路41相连的第二开关52、与储能电容C1(即图1中的B点处)相连的第三开关53、连接在第二开关52和第三开关53之间的第二电阻R2以及连接在第三开关53和主控芯片模块51之间的第二分压电路，所述第三开关53由第二开关52驱动导通，所述第二分压电路用于对储能电容C1输出的电压进行分压并将分压结果传送到主控芯片模块51。本实施例中，所述第一开关42、第二开关52及第三开关53均可以是三极管，也可以是MOS管，此处不作限制；所述第二分压电路包括与第三开关53相连的第三分压电阻R3和与第三分压电阻R3相连的第四分压电阻R4，第四分压电阻R4的另一端接地，主控芯片模块51的I/O口连接在第三分压电阻R3和第四分压电阻R4的连接处(即图1中的C点处)。

第二开关52驱动第三开关53导通的过程为：将第二开关52选用NPN型三极管，第三开关53选用PNP型三极管，当对第二开关52进行5V供电时，第二开关52由于发射极正偏、集电极反偏，此时Uc＞Ub＞Ue，满足Ube大于0.7V(即Ub-Ue＞0.7V)，第二开关52导通；当第二开关52导通后，会将第三开关53的基极通过第二电阻R2接地，此时第三开关53的发射极正偏、集电极反偏，Uc＜Ub＜Ue，满足Ueb大于0.7V(即Ue-Ub＞0.7V)，第三开关53导通。简单来说就是：第二开关52(NPN型三极管)高电平导通，低电平截止；第三开关53(PNP型三极管)低电平导通，高电平截止。

所述检测模块的输出包括电压波形，该电压波形包括第一电压波形和第二电压波形，所述第一电压波形与主控芯片模块51输出的“开通信号”相对应，所述第二电压波形与主控芯片模块51输出的“关断信号”相对应。具体来讲，当充电电路30的启动顺序优先于启动电路40时，检测模块输出的电压波形为第一电压波形，主控芯片模块51输出的信号为开通信号，所述电机20启动；当启动电路40与充电电路30同时启动时，检测模块输出的电压波形为第二电压波形，主控芯片模块51输出的信号为关断信号，所述电机20停止。

所述驱动电路模块60的一端与主控芯片模块51相连、另一端与电机20相连，用于在主控芯片模块51输出开通信号时驱动电机20启动，而在主控芯片模块51输出关断信号时驱动电机20停止。所述驱动电路模块60还与电源输出电路41相连，以接收电源输出电路41输出的15V电压。

通常情况下，电动工具具有两种操作方式，第一种操作方式为：先插入电池包10、后按压启动开关S1，这种操作方式可称之为“正常操作模式”，在正常操作模式下，驱动电路模块60能够驱动电机20正常运行；第二种操作方式为：先按住启动开关S1、后插入电池包10，这种操作方式可称之为“异常操作模式”，在异常操作模式下，驱动电路模块60控制电机20关断。

以下将分别对“正常操作模式”和“异常操作模式”下，上电保护电路的具体工作过程进行详细说明。

如图1与图2所示，正常操作模式下：先插入电池包10、后按压启动开关S1，此时充电电路30的启动顺序优先于启动电路40。当充电电路30启动后(即启动开关S1按压之前)，电池包10内的正电压先通过第一二极管D1和第一电阻R1为储能电容C1进行提前充电，待储能电容C1上的电充满后，储能电容C1上形成“先高后平”的电压波形；按压启动开关S1后，启动电路40启动，电池包10内的正电压通过第一二极管D1、启动开关S1、稳压管ZD1、以及第一分压电阻R5和第二分压电阻R6构成的第一分压电路分压后，驱动第一开关42导通，使电源输出电路41工作，产生5V电压给主控芯片模块51和第二开关52供电，使得第二开关52导通，继而直接驱动第三开关53导通工作，将储能电容C1上形成的“先高后平”的电压波形由第三分压电阻R3和第四分压电阻R4组成的第二分压电路进行分压，分压后的电压同样形成“先高后平”的电压波形(即第一电压波形)给主控芯片模块51的I/O口，主控芯片模块51收到这样的电压波形后，由于贮存在主控芯片模块51内部的程序已事先规定这样的“先高后平”电压波形为开通信号，此时即可控制驱动电路模块60的输出为开通信号，驱动电机20正常运行。

如图1与图3所示，异常操作模式下：先按住启动开关S1、后插入电池包10，此时启动电路40与充电电路30同时启动。启动电路40启动后，电池包10内的正电压通过第一二极管D1、启动开关S1、稳压管ZD1、以及第一分压电阻R5和第二分压电阻R6构成的第一分压电路分压后，驱动第一开关42导通，使电源输出电路41工作，产生5V电压给主控芯片模块51和检测模块供电；与此同时，充电电路30启动后，电池包10内的正电压通过第一二极管D1和第一电阻R1为储能电容C1进行充电，由于储能电容C1为首次充电，故此时储能电容C1上形成“先低后高”的电压波形。由于先按住启动开关S1，故电源输出电路41会产生5V电压输出给第二开关52同步供电，使得第二开关52导通，继而直接驱动第三开关53导通工作，使得储能电容C1正在充电的电压还未充满就已经流到由第三分压电阻R3和第四分压电阻R4组成的第二分压电路进行分压，分压后的电压同样形成“先低后高”的电压波形(即第二电压波形)给主控芯片模块51的I/O口，主控芯片模块51收到这样的电压波形后，由于贮存在主控芯片模块51内部的程序已事先规定这样的“先低后高”电压波形为关断信号，此时即可控制驱动电路模块60的输出为关断信号，关停电机20。

需要说明的是：1、“先高后平”的电压波形和“先低后高”的电压波形均是在电动工具开机时的一具体时间段内进行检测的，具体的检测方法为：主控芯片模块51检测图1中C点处第1ms时的电压值和第5ms时的电压值，然后根据这两个电压值来判断当前的电压波形是“先高”还是“先低”。2、C点处的电压波形与储能电容C1上形成的电压波形一致，是因为：储能电容C1处的电压(即图1中B点处的电压)直接在第三分压电阻R3的前端，第三分压电阻R3的后端为C点，当把第三开关53看作是一根导线时，第三分压电阻R3和第四分压电阻R4实质是把储能电容C1上的电压进行分压，即把高电压转化为低电压而已，电压波形不变。

由此可见，本发明解决了先按住启动开关S1、后插入电池包10时导致电机20意外运行的问题。本发明的优点在于：在异常操作模式下，能够起到保护的作用，不仅保证了电动工具的可靠运行，而且能够保证操作人员的安全，降低了安全风险，提高了安全性能，使用户更加满意，综合提高了电动工具的可靠性和产品竞争力。

如图1所示，本发明的上电保护电路还包括与插片座11的正极端子和电源输出电路41的24V电压输出端相连的继电器K1、与继电器K1相连的电容C2，该电容C2不仅具有储能功能，还具有滤波功能，所述电容C2还与驱动电路模块60相连，用于提供足够平稳且无杂波的电能驱动电机20运行。所述继电器K1能够起到隔离作用，这是因为：当电机20停机后，电容C2是带电的，如果此时操作者不小心触碰到了插片座11，则会发生触电危险，因此继电器K1的设置能够在电机20停机后，切断插片座11与电容C2之间的电流，保证操作者不会因为触碰到插片座11而导致触电事件的发生，提高了电动工具的使用安全性。

综上所述，本发明的上电保护电路在先按住启动开关S1、后插入电池包10时能够起到保护的作用，此时电机20不能正常运行，这样就起到了避免危险发生的作用，不仅保证了电动工具的可靠运行，而且能够保证操作人员的安全，降低了电动工具的安全风险，提高了电动工具的安全性能，使用户更加满意，综合提高了产品竞争力。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种上电保护电路，应用于电动工具，所述电动工具包括电池包、与电池包的正极相连的启动开关以及由所述电池包供电的负载，其特征在于，所述上电保护电路包括：

充电电路，与所述电池包相连，用于对充电电路上的储能电容充电；

启动电路，与所述电池包相连，用于在所述启动开关启动后进行供电；

控制电路，包括分别与所述启动电路相连的主控芯片模块和检测模块，所述检测模块的一端还与所述充电电路相连，以接收所述储能电容输出的电压，所述检测模块的另一端与所述主控芯片模块相连，以将所述检测模块的输出传送至所述主控芯片模块；

驱动电路模块，其一端与所述主控芯片模块相连、另一端与所述负载相连，用于在所述主控芯片模块输出开通信号时驱动所述负载启动，而在所述主控芯片模块输出关断信号时驱动所述负载停止；

所述检测模块的输出包括电压波形，所述电压波形包括第一电压波形和第二电压波形，所述第一电压波形与所述主控芯片模块输出的开通信号相对应，所述第二电压波形与所述主控芯片模块输出的关断信号相对应，当所述充电电路的启动顺序优先于所述启动电路时，所述检测模块输出的电压波形为第一电压波形，所述主控芯片模块输出的信号为开通信号，所述负载启动；当所述启动电路与所述充电电路同时启动时，所述检测模块输出的电压波形为第二电压波形，所述主控芯片模块输出的信号为关断信号，所述负载停止。

2.根据权利要求1所述的上电保护电路，其特征在于：当所述充电电路的启动顺序优先于所述启动电路时，所述充电电路为所述储能电容提前充电，使所述储能电容上形成“先高后平”的电压波形，此时所述检测模块输出的第一电压波形也为“先高后平”的电压波形。

3.根据权利要求1所述的上电保护电路，其特征在于：当所述启动电路与所述充电电路同时启动时，所述启动电路为所述主控芯片模块和检测模块供电，同时所述充电电路为所述储能电容充电，所述储能电容上形成“先低后高”的电压波形，此时所述检测模块输出的第二电压波形也为“先低后高”的电压波形。

4.根据权利要求1所述的上电保护电路，其特征在于：所述充电电路包括与所述电池包的正极相连的第一二极管、第一电阻及储能电容，所述第一电阻的两端分别与所述第一二极管和所述储能电容相连，所述储能电容的另一端接地。

5.根据权利要求1所述的上电保护电路，其特征在于：所述启动电路包括所述启动开关、与所述启动开关相连的第一分压电路和电源输出电路以及位于第一分压电路和电源输出电路之间的第一开关，当所述启动开关闭合时，所述电池包为所述第一分压电路供电，所述第一开关闭合，所述电源输出电路能够输出电源。

6.根据权利要求5所述的上电保护电路，其特征在于：所述主控芯片模块和所述检测模块分别与所述电源输出电路相连，所述检测模块包括与所述电源输出电路相连的第二开关、与所述储能电容相连的第三开关以及连接在第三开关和主控芯片模块之间的第二分压电路，所述第二分压电路用于对所述储能电容输出的电压进行分压并将分压结果传送到所述主控芯片模块。

7.根据权利要求6所述的上电保护电路，其特征在于：所述第一分压电路包括相互串联的第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一开关连接在第一分压电阻和第二分压电阻的连接处；所述第二分压电路包括与第三开关相连的第三分压电阻和与第三分压电阻相连的第四分压电阻，所述主控芯片模块连接在所述第三分压电阻和第四分压电阻的连接处。

8.一种电动工具，包括电池包、与电池包的正极相连的启动开关以及由所述电池包供电的负载，其特征在于：所述电动工具应用权利要求1-7中任一项所述的上电保护电路。

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