CN113300321A - 基于mosfet的智能配电电路、卫星配电设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于MOSFET的智能配电电路、卫星配电设备，包括：指令锁存电路、功率驱动电路、输出电流检测电路、输出过流反时限保护电路和输入欠压保护电路；所述指令锁存电路与功率驱动电路、输入欠压保护电路及输出过流反时限保护电路连接，所述功率驱动电路与输出过流反时限保护电路、输出电流检测电路连接，所述输出过流反时限保护电路与输出电流检测电路连接。本发明采用MOSFET智能配电代替继电器配电，电路具备过流保护、欠压保护及恢复功能，是卫星供配电安全管理的关键产品，适用于各卫星平台母线、载荷母线对高压、大功率、高可靠、长寿命、高集成度的配电控制与保护。

Description

基于MOSFET的智能配电电路、卫星配电设备

技术领域

本发明涉及电路领域，具体地，涉及一种基于MOSFET的智能配电电路、卫星配电设备。

背景技术

随着卫星功率需求的增加，卫星供电母线由传统的28V提升到100V、160V甚至更高的高压大功率母线，对承担负载的开关控制器件也提出了更高的要求。随着卫星技术的发展，显现出构型复杂、高可靠、长寿命等特点，使得配电系统相对于传统卫星呈现出更多动态变化的特性，对星载配电产品的智能自保护和管控提出更高要求。卫星配电产品主要基于继电器的机械触点“开关”实现卫星电子设备的配电控制，在故障情况下不能全面反映故障情况，难以实现故障诊断和隔离的功能。继电器由于其机械触点的高压拉弧效应以及开关寿命限制，已无法适应高压、大功率、高可靠、长寿命、高集成度配电场合的应用需求。根据此缺陷，设计一种基于MOSFET的智能配电电路，采用MOSFET代替继电器实现配电控制，引入过流保护与欠压保护功能，具备故障恢复能力，适应卫星对高压、大功率、高可靠、长寿命、高集成度的配电需求。

专利文献《一种航天用NMOS高边自举驱动限流保护电路》CN106532631A中包括欠压保护电路、辅助供电电路、恒流限流电路、自举供电电路、开关机及延时关断电路，是一种基于NMOS管的限流延时关断保护设计。与其相比，本发明采用PMOS管实现指令锁存、功率驱动、输出电流检测、输出过流反时限延时保护及输入欠压保护等功能，电路简单、可靠、集成度高。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于MOSFET的智能配电电路、卫星配电设备。

根据本发明提供的一种基于MOSFET的智能配电电路，包括：指令锁存电路、功率驱动电路、输出电流检测电路、输出过流反时限保护电路和输入欠压保护电路；

所述指令锁存电路与功率驱动电路、输入欠压保护电路及输出过流反时限保护电路连接，所述功率驱动电路与输出过流反时限保护电路、输出电流检测电路连接，所述输出过流反时限保护电路与输出电流检测电路连接。

优选地，所述指令锁存电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2、二极管V1、二极管V2、二极管V3、二极管V4、二极管V5和锁存器U1；

电阻R1与电容C1串联，电阻R1、电容C1与二极管V4连接，电阻R1、电容C1与二极管V5连接，二极管V1、二极管V2、二极管V3、二极管V4、电阻R2与锁存器U1的第一置零引脚连接，二极管V5、电阻R3与锁存器U1的第二置零引脚连接，电阻R4与锁存器U1的EN引脚连接，电阻R5、电容C2与锁存器U1的VCC引脚连接。

优选地，所述功率驱动电路包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、MOS管Q1和三极管Q2；

电阻6与电阻7、三极管Q2基极串联，电阻8与电阻9、三极管Q2集电极串联，MOS管Q1栅极连接在电阻8和电阻9之间，电阻8外端与MOS管Q1源极连接。

优选地，所述输出电流检测电路包括电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电容C3、二极管V6、二极管V7、三极管Q3A、三极管Q3B和三极管Q4；

电阻R10、电阻R12、电阻R17与二极管V6正极连接，电阻R11、电阻R15、电阻R16串联，电阻R13、电阻R14串联，电阻R14、电容C3、二极管V7并联，二极管V6负极连接在电阻R11、电阻R15之间，电阻R11、三极管Q3A发射极、三极管Q4发射极连接，三极管Q3A基极、三极管Q3A集电极、三极管Q3B基极、电阻R12相连接，三极管Q3B集电极、三极管Q4基极、电阻R17相连接，三极管Q4集电极与电阻R13连接，三极管Q3B集电极与电阻R17连接。

优选地，所述输出过流反时限保护电路包括电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、电阻R30、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、三极管Q5、运放U2、比较器U3和或非门U4；

电阻Rl8与运放U2的同向输入端连接，电阻R19、电阻R20与运放U2的反向输入端连接，电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24与运放U2的输出端连接，电阻R21、电容C4与比较器U3A反向输入端连接，电阻R22、电容C5与比较器U3B反向输入端连接，电阻R23、电容C6与比较器U3C反向输入端连接，电阻R24与比较器U3D反向输入端连接，电阻R26、比较器U3A输出端、比较器U3B输出端、比较器U3C输出端、比较器U3D输出端相连接，电阻R26、电阻R28、电阻R29、电容C7相连接，电容C7、电容C8串联，电阻R29与或非门U4第一输入端连接，电阻R27、电容C9并联，电阻R25、电阻R27、电容C9与或非门U4第二输入端连接，电阻R30与或非门U4输出端连接，电阻R30与三极管Q5基极连接。

优选地，所述输入欠压保护电路包括电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R36、电阻R37、电阻R38、电容C10、二极管Vl0、三极管Q6、三极管Q7和三极管Q8；

电阻R31、电阻R32与二极管V8负极连接，二极管V8正极、二极管V9正极、电阻R33连接，二极管V9的负极、电容C10、电阻R34与三极管Q6基极连接，电阻R35、二极管V10负极与三极管Q6集电极连接，二极管V10正极、电阻R36与三极管Q7基极连接，电阻R37、三极管Q7集电极与三极管Q8基极连接，电阻R38与三极管Q8集电极连接，电阻R35、电阻R31与功率母线连接，电阻R37、三极管Q8发射极与二次电源正连接，电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R36、电阻R38、电容Cl0、三极管Q6发射极、三极管Q7发射极接地。

根据本发明提供的一种卫星配电设备，包括上述的基于MOSFET的智能配电电路。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明采用MOSFET智能配电代替继电器配电，电路具备过流保护、欠压保护及恢复功能，是卫星供配电安全管理的关键产品，适用于各卫星平台母线、载荷母线对高压、大功率、高可靠、长寿命、高集成度的配电控制与保护。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的基于恒流驱动的火工品点火电路示意图。

图2为本发明的指令锁存电路示意图。

图3为本发明的功率驱动电路示意图。

图4为本发明的输出电流检测电路示意图。

图5为本发明的输出过流反时限保护电路示意图。

图6为本发明的输入欠压保护电路示意图。

图7为本发明的反时限过流保护拟合曲线示意图。

图8为本发明的开机短路保护时序示意图。

图9为本发明的工作过程中短路保护时序示意图。

图10为本发明的工作过程中过流保护时序示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明一种基于MOSFET的智能配电电路，包括指令锁存电路、功率驱动电路、输出电流检测电路、输出过流反时限保护电路、输入欠压保护电路。所述指令锁存电路与功率驱动电路、输入欠压保护电路、及输出过流反时限保护电路连接，所述功率驱动电路与输出过流反时限保护电路、输出电流检测电路连接，所述输出过流反时限保护电路与输出电流检测电路连接。本发明电路图按照功能拆分为图2～图6所示的五部分，通过网络节点表示连接，例如：图2中的接点PIN7与图3中的接点PIN7连接。

如图2所示，所述指令锁存电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2、二极管V1、二极管V2、二极管V3、二极管V4、二极管V5、锁存器U1，电阻R1与电容C1串联，电阻R1、电容C1与二极管V4连接，电阻R1、电容C1与二极管V5连接，二极管V1、二极管V2、二极管V3、二极管V4、电阻R2与锁存器U1的置零引脚3连接，二极管V5、电阻R3与锁存器U1的置零引脚7连接，电阻R4与锁存器U1的EN引脚5连接，电阻R5、电容C2与锁存器U1的VCC引脚16连接。

所述指令锁存电路采用RS锁存器U1实现，电路上电时，通过电容C1、电阻R1构成的上电复位电路将锁存器输出清零准备接收控制控制指令，控制指令包括：加电指令、断电指令、保护使能指令及保护禁止指令，其中断电指令、过流保护信号、欠压保护信号通过二极管线或控制锁存器输出清零关断配电输出。此外，可通过保护禁止指令关闭输出过流反时限保护电路输出，屏蔽过流、短路保护功能。

如图3所示，所述功率驱动电路包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、三极管V5、MOS管Q1、三极管Q2，电阻6与电阻7串联，电阻8与电阻9串联，电阻7与三极管Q2基极连接，电阻9与三极管Q2集电极连接，电阻8、电阻9与MOS管栅极连接，电阻8与MOS管源极连接。

所述功率驱动电路，MOS管Q1采用P型MOSFET，MOS管Q1通过三极管控制电阻分压驱动，加电时驱动电压绝对值约12V。三极管Q2接收指令锁存电路的控制指令实现配电开关机控制，同时接收输出过流反时限保护电路的过流保护信号实现配电输出关断。

如图4所示，所述输出电流检测电路包括电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电容C3、二极管V6、二极管V7、三极管Q3A、三极管Q3B、三极管Q4，电阻R10、电阻R12、电阻R17与二极管V6连接，电阻R11、电阻R15、电阻R16串联，电阻R13、电阻R14串联，电阻R14、电容C3、二极管V7并联，电阻R11、电阻R15与二极管V6连接，电阻R11、三极管Q3A发射极、三极管Q4发射极连接，三极管Q3A基极、三极管Q3A集电极、三极管Q3B基极、电阻R12连接，三极管Q3B集电极、三极管Q4基极、电阻R17连接，三极管Q4集电极、电阻R13连接，三极管Q3B集电极、电阻R16连接。

所述输出电流检测电路，基于电流镜像原理在配电输出正线串接采样电阻采集负载电流，其输出作为输出过流反时限保护电路输入。其中：R11＝R16，R12＝R17，三极管Q3A、Q3B为放大倍数接近的对管。负载电流流经采样电阻R1时在两个三极管桥臂产生电压差与电流差，按照电流镜像原理三极管3QA、3QB的集电极电流相同，电流差通过三极管Q4旁路输出。对于100V等高压一次母线配电，电阻R13起到减小三极管Q4管压降的作用，减小三极管Q4的热耗。R14用于采集三极管Q4上的电流，输出电压为：U＝I*R15/R11*R14，其中I为负载电流。

如图5所示，所述输出过流反时限保护电路包括电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、电阻R30、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、三极管Q5、运放U2、比较器U3、或非门U4，电阻R18与运放U2的同向输入端连接，电阻R19、电阻R20与运放U2的反向输入端连接，电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24与运放U2的输出端连接，电阻R21、电容C4与比较器U3A反向输入端连接，电阻R22、电容C5与比较器U3B反向输入端连接，电阻R23、电容C6与比较器U3C反向输入端连接，电阻R24与比较器U3D反向输入端连接，电阻R26、比较器U3A输出端、比较器U3B输出端、比较器U3C输出端、比较器U3D输出端连接，电阻R26、电阻R28、电阻R29、电容C7连接，电容C7、电容C8串联，电阻R29与或非门U4输入端引脚1连接，电阻R27、电容C9并联，电阻R25、电阻R27、电容C9与或非门U4输入端引脚2连接，电阻R30与或非门U4输出端引脚3连接，电阻R30与三极管Q5基极连接。

所述输出过流反时限保护电路，采用运算放大器积分实现方式曲线拟合，保护功率MOS管与卫星母线安全。

电路参数按照一般反时限方程

设计。

例如：负载电流小于额定电流的120％时不跳闸，负载电流大于额定电流的400％立即跳闸。负载电流在额定电流的120％与400％之间的采用I²t曲线，负载电流为额定电流的120％时，跳闸时间为1s。可解得T_P。T_p＝((I/I_P)^0.02-1)*t/0.14。当负载电流大于额定电流的400％时，不经过反时限计算，直接跳闸，短路保护时间不大于100us。

输出电流检测电路输出电压U经过运放U2按照适当的比例调理后得到Ui。Ui经过不同的积分延时输入比较器的四个反向输入端，时间常数R23*C6＜R22*C5＜R24*C4。当负载电流较小Ui小于参考电压时，过流信号输出为低电平。

额定负载状态时Ui＝Ue。设t1为由第一路比较延迟输出低电平产生的跳闸延迟时间，t2为由第一路与第二路比较器都延迟输出低电平产生的跳闸延迟时间，积分参数按照如下公式计算。

例如：I/I_P＝1.2；t＝1s，Vref1＝1.5V，Vref2＝1.8V，Vref3＝2.5V，Vref3＝5V时，可求得T_P＝0.0261。t＝0.00365/((I/I_P)^0.02-1)，理论曲线与拟合曲线如图7所示，负载过流、短路保护时序如图8、图9、图10所示。

反时限过流保护电路输出与保护使能信号经过或非门反馈到指令锁存电路，使MOS管控制信号由高电平变为无效的低电平，同时通过三极管直接关断MOS管配电输出。

如图6所示，所述输入欠压保护电路包括电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R36、电阻R37、电阻R38、电容C10、二极管V10、三极管Q6、三极管Q7、三极管Q8，电阻R31、电阻R32、二极管V8连接，二极管V8、二极管V9、电阻R33连接，二极管V9、电容C10、电阻R34与三极管Q6基极连接，电阻R35、二极管V10与三极管Q6集电极连接，二极管V10、电阻R36与三极管Q7基极连接，电阻R37、三极管Q7集电极与三极管Q8基极连接，电阻R38与三极管Q8集电极连接，电阻R35，电阻R31与功率母线连接，电阻R37、三极管Q8发射极与二次电源正连接，电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R36、电阻R38、电容C10、三极管Q6发射极、三极管Q7发射极接地。

以卫星母线100V为例，欠压保护设置60V。

设置母线电压Ubus＝100V时，MOS管驱动电压为12V。

当母线电压下降到Ubus＝60V时，MOS管驱动电压为7.2V，MOS管退出饱和工作区，MOS热耗迅速增加，负载电流较大时可能造成MOS管过热损伤。

通过电阻R31、R32调节实际的欠压保护值，

图6中A点电压为：

时，进入欠压保护状态，

其中，Uz为稳压管的稳压值，取6V，U_BE为二极管和三极管的PN结压降，假设均为0.6V。

设Ubus＝60V计算得，

取R32＝10kΩ，R31＝75kΩ，此时欠压保护电压为Ubus＝61.2V。母线欠压时，输入欠压保护电路输出高电平关断配电输出。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种基于MOSFET的智能配电电路，其特征在于，包括：指令锁存电路、功率驱动电路、输出电流检测电路、输出过流反时限保护电路和输入欠压保护电路；

所述指令锁存电路与功率驱动电路、输入欠压保护电路及输出过流反时限保护电路连接，所述功率驱动电路与输出过流反时限保护电路、输出电流检测电路连接，所述输出过流反时限保护电路与输出电流检测电路连接。

2.根据权利要求1所述的基于MOSFET的智能配电电路，其特征在于，所述指令锁存电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2、二极管V1、二极管V2、二极管V3、二极管V4、二极管V5和锁存器U1；

电阻R1与电容C1串联，电阻R1、电容C1与二极管V4连接，电阻R1、电容C1与二极管V5连接，二极管V1、二极管V2、二极管V3、二极管V4、电阻R2与锁存器U1的第一置零引脚连接，二极管V5、电阻R3与锁存器U1的第二置零引脚连接，电阻R4与锁存器U1的EN引脚连接，电阻R5、电容C2与锁存器U1的VCC引脚连接。

3.根据权利要求1所述的基于MOSFET的智能配电电路，其特征在于，所述功率驱动电路包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、MOS管Q1和三极管Q2；

电阻6与电阻7、三极管Q2基极串联，电阻8与电阻9、三极管Q2集电极串联，MOS管Q1栅极连接在电阻8和电阻9之间，电阻8外端与MOS管Q1源极连接。

4.根据权利要求1所述的基于MOSFET的智能配电电路，其特征在于，所述输出电流检测电路包括电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电容C3、二极管V6、二极管V7、三极管Q3A、三极管Q3B和三极管Q4；

电阻R10、电阻R12、电阻R17与二极管V6正极连接，电阻R11、电阻R15、电阻R16串联，电阻R13、电阻R14串联，电阻R14、电容C3、二极管V7并联，二极管V6负极连接在电阻R11、电阻R15之间，电阻R11、三极管Q3A发射极、三极管Q4发射极连接，三极管Q3A基极、三极管Q3A集电极、三极管Q3B基极、电阻R12相连接，三极管Q3B集电极、三极管Q4基极、电阻R17相连接，三极管Q4集电极与电阻R13连接，三极管Q3B集电极与电阻R17连接。

5.根据权利要求1所述的基于MOSFET的智能配电电路，其特征在于，所述输出过流反时限保护电路包括电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、电阻R30、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、三极管Q5、运放U2、比较器U3和或非门U4；

电阻R18与运放U2的同向输入端连接，电阻R19、电阻R20与运放U2的反向输入端连接，电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24与运放U2的输出端连接，电阻R21、电容C4与比较器U3A反向输入端连接，电阻R22、电容C5与比较器U3B反向输入端连接，电阻R23、电容C6与比较器U3C反向输入端连接，电阻R24与比较器U3D反向输入端连接，电阻R26、比较器U3A输出端、比较器U3B输出端、比较器U3C输出端、比较器U3D输出端相连接，电阻R26、电阻R28、电阻R29、电容C7相连接，电容C7、电容C8串联，电阻R29与或非门U4第一输入端连接，电阻R27、电容C9并联，电阻R25、电阻R27、电容C9与或非门U4第二输入端连接，电阻R30与或非门U4输出端连接，电阻R30与三极管Q5基极连接。

6.根据权利要求1所述的基于MOSFET的智能配电电路，其特征在于，所述输入欠压保护电路包括电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R36、电阻R37、电阻R38、电容C10、二极管V10、三极管Q6、三极管Q7和三极管Q8；

电阻R31、电阻R32与二极管V8负极连接，二极管V8正极、二极管V9正极、电阻R33连接，二极管V9的负极、电容C10、电阻R34与三极管Q6基极连接，电阻R35、二极管V10负极与三极管Q6集电极连接，二极管V10正极、电阻R36与三极管Q7基极连接，电阻R37、三极管Q7集电极与三极管Q8基极连接，电阻R38与三极管Q8集电极连接，电阻R35、电阻R31与功率母线连接，电阻R37、三极管Q8发射极与二次电源正连接，电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R36、电阻R38、电容C10、三极管Q6发射极、三极管Q7发射极接地。

7.一种卫星配电设备，其特征在于，包括权利要求1至6任一项所述的基于MOSFET的智能配电电路。

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