CN113224740A - 一种大电流电源防反接抗浪涌电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大电流电源防反接抗浪涌电路，包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、电容C1、电容C2、电容C3和运算放大器U1；能够为工程机械直流电源电路提供防反接和抗浪涌保护功能，提高工程机械直流电源电路的可靠性。

Description

一种大电流电源防反接抗浪涌电路

技术领域

本发明涉及工程机械电源系统技术领域，特别是一种大电流电源防反接抗浪涌电路。

背景技术

随着工程机械的日益发展，可靠性问题成为了科研人员对工程机械研发过程中的研究重点，现有技术中，工程机械中通常配备有直流电源系统，但是现有技术中的直流电源系统存在可靠性不足的问题，因此，提出一种能够防反接、具备抗浪涌保护的工程机械直流电源系统，以提高工程机械的整体可靠性成为了亟待解决的技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种大电流电源防反接抗浪涌电路。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

本发明示出一种大电流电源防反接抗浪涌电路，包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6,、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、电容C1、电容C2、电容C3和运算放大器U1；

其中电源正极输入端分别与二极管D1的负极和MOS管Q4的S极连接，MOS管Q4的D极分别与MOS管Q2的S极、MOS管Q1的S极、二极管D4的正极和电阻R2的一端连接；电源正极输出端分别与MOS管Q1的D极、电容C2的一端和电阻R3的一端连接；

电阻R2的另一端与运算放大器U1的反相输入端连接，电阻R3的另一端与运算放大器U1的正相输入端连接，运算放大器U1的电源正极分别与电源正极输入端和电阻R5的一端连接，运算放大器U1的输出端分别与电阻R5的另一端、电阻R4的一端以及MOS管Q4的G极连接；

二极管D1的正极与二极管D3的正极连接；MOS管Q2的G极和MOS管Q3的G极分别与MCU控制单元(Microcontroller Unit；微控制单元)的PWM信号(Pulse width modulation：脉冲宽度调制)输出端连接；MOS管Q2的D极分别与MOS管Q3的D极和电容C1的一端连接；MOS管Q3的S极与二极管D6的正极连接；二极管D4的负极分别与电容C1的另一端和二极管D2的正极连接；二极管D2的负极与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端分别与MOS管Q1的G极、电容C3的一端和二极管D5的负极连接；接地端分别与二极管D3的负极、二极管D6的负极、电容C3的另一端、二极管D5的正极、电容C2的另一端和电阻R4的另一端连接。

一种实施方式中，二极管D1和二极管D3采用瞬态抑制二极管；二极管D5采用稳压二极管；二极管D2、二极管D4和二极管D6采用肖特基二极管；

MOS管Q1采用功率NMOS管；MOS管Q4采用功率PMOS管；MOS管Q2采用PMOS管，MOS管Q3采用NMOS管。

一种实施方式中，该电路中还包括MCU控制单元，其中MCU控制单元上设置有PWM信号输出端。

一种实施方式中，MCU控制单元包括电流采集单元、电压采集单元和分析单元

电流采集单元用于采集电源正极输出端的电流信号；

电压采集单元用于采集电源正极输出端的电压信号；

分析单元用于根据采集的电流信号和/或电压信号进行状态分析，并根据分析结果控制PWM信号输出端输出的PWM信号。

本发明的有益效果为：

本发明提出一种大电流电源防反接抗浪涌电路，能够为工程机械直流电源电路提供防反接和抗浪涌保护功能；同时本发明提出的电路能够通过不同的MOS管设计以匹配不同工程机械电源系统所需的电流，设计灵活性强。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1为本发明一种大电流电源防反接抗浪涌电路示例性实施例的结构示意图。

具体实施方式

结合以下应用场景对本发明作进一步描述。

参见图1实施例所示一种大电流电源防反接抗浪涌电路，包括电源正极输入端VIN、电源正极输出端VOUT、接地端GND、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6,、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、电容C2、电容C3、电容C1和运算放大器U1；

其中电源正极输入端VIN分别与二极管D1的负极和MOS管Q4的S极(源极)连接，MOS管Q4的D极(漏极)分别与MOS管Q2的S极、MOS管Q1的S极、二极管D4的正极和电阻R2的一端连接；电源正极输出端VOUT分别与MOS管Q1的D极、电容C2的一端和电阻R3的一端连接；

电阻R2的另一端与运算放大器U1的反相输入端连接，电阻R3的另一端与运算放大器U1的正相输入端连接，运算放大器U1的电源正极分别与电源正极输入端VIN和电阻R5的一端连接，运算放大器U1的输出端分别与电阻R5的另一端、电阻R4的一端以及MOS管Q4的G极(栅极)连接；

二极管D1的正极与二极管D3的正极连接；MOS管Q2的G极和MOS管Q3的G极分别与MCU控制单元的PWM信号输出端连接；MOS管Q2的D极分别与MOS管Q3的D极和电容C1的一端连接；MOS管Q3的S极与二极管D6的正极连接；二极管D4的负极分别与电容C1的另一端和二极管D2的正极连接；二极管D2的负极与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端分别与MOS管Q1的G极、电容C3的一端和二极管D5的负极连接；接地端GND分别与二极管D3的负极、二极管D6的负极、电容C3的另一端、二极管D5的正极、电容C2的另一端和电阻R4的另一端连接。

一种实施方式中，二极管D1和二极管D3采用瞬态抑制二极管；二极管D5采用稳压二极管；二极管D2、二极管D4和二极管D6采用肖特基二极管；

MOS管Q1采用功率NMOS管；MOS管Q4采用功率PMOS管；MOS管Q2采用PMOS管，MOS管Q3采用NMOS管。

当正常接线时，电源正极(24VCC)与电源正极输入端VIN连接，电源负极与接地端GND连接，此时MOS管Q4导通，同时PWM信号通过MOS管Q2、MOS管Q3、电容C1和二极管D4组成的升压电路升压以打开(导通状态)MOS管Q1，包括：当PWM信号输出端输出为高电平时，电源给电容C1充电，电容C1两端电压为24V和0V，此时MOS管Q3导通，MOS管Q2关断(截止状态)；当PWM信号输出端输出为低电平时，MOS管Q2导通，MOS管Q3关断，根据电容两端电压不会发生突变的原理，此时电容C1两端电压为48V和24V，通过二极管D2给电容C3充电，且通过二极管D5稳压，此时电容C3两端电压为35V和0V，即为MOS管Q1的栅极提供了高电平，MOS管Q1导通，同时通过二极管D5对MOS管Q1进行稳压，此时MOS管Q1的内阻小，导通电流大，以使得电源电流正常从电源输出端流出；另外，当电容C1上的电压小于电容C3上电压时，通过二极管D2阻止电容C3给电容C1充电，以保证电容C3上的电压能够打开MOS管Q1；

当电源正负极反接(电源正极输入端VIN和接地端GND反接)时，此时MOS管Q1的栅极端为低电平，MOS管Q1关断(截止状态)，以实现电路的反接保护；

当电源正极输入端VIN和电源正极输出端VOUT反接时，此时由运算放大器U1组成的比较电路，检测出电源正极输出端VOUT的电压高于电源正极输入端VIN的电压，从而控制MOS管Q4关断(截止状态)以实现电路的反接保护；具体原理为：当用户正常接线时(即电源正极输入端VIN和电源正极输出端VOUT接线正确)，电源正极输出端VOUT的电压略低于电源正极输入端VIN，此时运算放大器U1的正相输入端(3号引脚)电压低于反相输入端(4号引脚)电压，运算放大器U1的输出端(1号引脚)输出低电平，MOS管Q4全导通，整个电路正常运作；当将电源正极输入端VIN和电源正极输出端VOUT接反时，此时运算放大器U1的正相输入端(3号引脚)电压高于反相输入端(4号引脚)电压，运算放大器U1的输出端(1号引脚)输出高电平，MOS管Q4关断(截止)，实现输入输出反接保护。

其中通过二极管D1和二极管D3分别连接电源正极输入端和接地端，以形成电路的抗浪涌保护。

其中二极管D5为稳压管，为MOS管Q1的栅极稳压，以放置MOS管Q1的栅极电压过高导致MOS管Q1(击穿)损坏，进一步提高电路的可靠性。

一种实施方式中，该电路中还包括MCU控制单元，其中MCU控制单元上设置有PWM信号输出端。

MCU控制单元根据设定的参量通过PWM信号输出端输出PWM信号，通过PWM信号升压后打开MOS管Q1，从而使得电路能够正常工作。

一种实施方式中，MCU控制单元包括电流采集单元、电压采集单元和分析单元；

电流采集单元用于采集电源正极输出端的电流信号；

电压采集单元用于采集电源正极输出端的电压信号；

分析单元用于根据采集的电流信号和/或电压信号进行状态分析，并根据分析结果控制PWM信号输出端输出的PWM信号。

上述实施方式中，通过在电路中设置MCU控制单元，一方面能够通过控制PWM信号输出端输出PWM信号，以控制MOS管Q2导通，从而控制MOS管Q1打开，使得电路能够正常工作，同时电路带有防反接(输入端正负反接，和输入输出反接)的功能，提高了电路的可靠性；另一方面，通过MCU控制单元对电源整机输出端的电流信号和电压信号进行检测，并且通过电流信号和电压信号进行分析，能够根据分析结果进一步控制输出的PWM信号，从而以使得通过PWM信号控制电路的运作，实现电源电路工作状态的检测和控制的自反馈，进一步提高了电路的可靠性。

一种实施方式中，电流采集单元还包括电流AD转换电路，用于将采集到的电流信号转换为数字电流信号；

电压采集单元还包括电压AD转换电路，用于将采集到的电压信号转换为数字电压信号。

其中，通过将采集的电流信号和电压信号转换成数字信号，有助于MCU控制单元根据获取的数字电流信号和数字电压信号进行进一步的信号分析处理。

一种实施方式中，分析单元包括：根据采集的数字电流信号进行故障电弧检测，当检测到故障电弧发生时，输出相应的截断PWM控制信号，以控制MOS管Q1处于截止状态，以使得MOS管Q1关断从而切断电源正极输出端电压。

针对直流电源系统中，容易出现的电弧故障，导致电源电路输出的直流电源不稳定、性能降低，甚至影响负载工程机械设备的正常运行等问题。上述实施方式中，通过在MCU控制单元的分析单元中设置专门基于电流信号进行故障电弧检测的功能单元，能够以采集的电源正极输出端的电流信号作为基础进行故障电弧分析，并在分析到存在电弧故障时通过控制PWM信号输出控制电源电路切断，从而提高电源电路的可靠性。

一种实施方式中，分析单元根据采集的数字电流信号进行故障电弧检测，具体包括：

根据设定的数据窗对采集到的数字电流信号进行分帧加窗处理，获取电流信号帧I(x)，其中I(x)表示第x帧数字电流信号，其中x＝1，2，...，X，X表示总帧数；

根据获取的电流信号帧I(x)进行经验模态分解，获取电流信号帧的各IMF分量，针对获取的前N个IMF分量，将其标记为高频分量，其余的IMF分量标记为低频分量；

根据高频分量进行重构，获取高频信号G(x)，并根据获取的高频信号G(x)进行故障电弧检测，包括：

根据获取的高频信号G(x)计算故障电弧检测因子，其中采用的故障电弧检测因子计算函数为：

式中，D(x)表示第x帧高频信号的故障电弧检测因子，G(x，k)表示第x帧高频信号中第k个采样点的幅值，K表示电流信号帧中采样点的总数，μ表示设定的电弧特征因子，μ根据正常数字电流信号的高频信号的幅值方差设定所得；

当故障电弧检测因子D(x)大于设定的阈值T时，则进一步计算该高频信号G(x)的故障电弧确认因子，其中故障电弧确认因子的计算函数为：

式中，Q(x)表示第x帧高频信号的故障电弧确认因子，F₁(D(x)-D(x-1)，0)表示判断函数，其中当D(x)-D(x-1)＞0时，F₁(D(x)-D(x-1)，0)＝1，否则F₁(D(x)-D(x-1)，0)＝0；D(x)表示第x帧高频信号的故障电弧检测因子，α表示敏感度控制因子；

当故障电弧确认因子Q(x)大于设定的阈值W时，则判断电流信号存在故障电弧发生；由MCU控制单元进一步根据该故障电弧检测结果输出相应的截断PWM控制信号，以控制MOS管Q1处于截止状态，以使得MOS管Q1关断从而切断电源正极输出端电压。

上述实施方式中，提出了一种基于分析单元设置的电弧故障检测技术方案，基于直流电流信号在实际发生电弧故障时，会使得电流信号产生大量离散的截断采样信号，从而使得直流电流信号的高频部分表现出异常波动的特性；因此上述实施方式中，特别针对采集的电流信号进行经验模态分解，从而根据分解得到的IMF分量筛选重构出电流信号中的高频信号，并进一步根据高频信号的特性来对故障电弧进行检测；其中，在检测的过程中，提出了一种基于故障电弧检测因子和故障电弧确认因子组合检测的方法，能够根据高频信号的特性进行横向和纵向的自适应比对，通过提出的故障电弧检测因子计算函数和故障电弧确认因子计算函数分别对高频信号进行计算，从而准确检测出高频信号中存在的异常波动情况，最终判断故障电弧的产生，能够对故障电弧做出准确判断，避免了传统故障电弧检测方法容易出现误判的情况，可靠性强。

需要说明的是，在本发明各个实施例中的各功能单元/模块可以集成在一个处理单元/模块中，也可以是各个单元/模块单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元/模块集成在一个单元/模块中。上述集成的单元/模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元/模块的形式实现。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解应当理解，可以以硬件、软件、固件、中间件、代码或其任何恰当组合来实现这里描述的实施例。对于硬件实现，处理器可以在一个或多个下列单元中实现：专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计用于实现这里所描述功能的其他电子单元或其组合。对于软件实现，实施例的部分或全部流程可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。实现时，可以将上述程序存储在计算机可读介质中或作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质。计算机可读介质可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质。

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，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当分析，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实质和范围。

Claims (4)

1.一种大电流电源防反接抗浪涌电路，其特征在于，包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6,、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、电容C1、电容C2、电容C3和运算放大器U1；

其中电源正极输入端分别与二极管D1的负极和MOS管Q4的S极连接，MOS管Q4的D极分别与MOS管Q2的S极、MOS管Q1的S极、二极管D4的正极和电阻R2的一端连接；电源正极输出端分别与MOS管Q1的D极、电容C2的一端和电阻R3的一端连接；

电阻R2的另一端与运算放大器U1的反相输入端连接，电阻R3的另一端与运算放大器U1的正相输入端连接，运算放大器U1的电源正极分别与电源正极输入端和电阻R5的一端连接，运算放大器U1的输出端分别与电阻R5的另一端、电阻R4的一端以及MOS管Q4的G极连接；

二极管D1的正极与二极管D3的正极连接；MOS管Q2的G极和MOS管Q3的G极分别与MCU控制单元的PWM信号输出端连接；MOS管Q2的D极分别与MOS管Q3的D极和电容C1的一端连接；MOS管Q3的S极与二极管D6的正极连接；二极管D4的负极分别与电容C1的另一端和二极管D2的正极连接；二极管D2的负极与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端分别与MOS管Q1的G极、电容C3的一端和二极管D5的负极连接；接地端分别与二极管D3的负极、二极管D6的负极、电容C3的另一端、二极管D5的正极、电容C2的另一端和电阻R4的另一端连接。

2.根据权利要求1所述的一种大电流电源防反接抗浪涌电路，其特征在于，二极管D1和二极管D3采用瞬态抑制二极管；二极管D5采用稳压二极管；二极管D2、二极管D4和二极管D6采用肖特基二极管；

MOS管Q1采用功率NMOS管；MOS管Q4采用功率PMOS管；MOS管Q2采用PMOS管，MOS管Q3采用NMOS管。

3.根据权利要求1所述的一种大电流电源防反接抗浪涌电路，其特征在于，还包括MCU控制单元，其中MCU控制单元上设置有PWM信号输出端。

4.根据权利要求1所述的一种大电流电源防反接抗浪涌电路，其特征在于，MCU控制单元包括电流采集单元、电压采集单元和分析单元；其中，

电流采集单元用于采集电源正极输出端的电流信号；

电压采集单元用于采集电源正极输出端的电压信号；

分析单元用于根据采集的电流信号和/或电压信号进行状态分析，并根据分析结果控制PWM信号输出端输出的PWM信号。

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