CN113765055A

CN113765055A - 一种直流负载驱动保护电路

Info

Publication number: CN113765055A
Application number: CN202111100797.9A
Authority: CN
Inventors: 杨春强; 耿新宇; 刘强
Original assignee: Tianjin Jinhang Computing Technology Research Institute
Current assignee: Tianjin Jinhang Computing Technology Research Institute
Priority date: 2021-09-18
Filing date: 2021-09-18
Publication date: 2021-12-07

Abstract

本发明公开了一种直流负载驱动保护电路，包括功率控制电路、电流信号采集与调理电路、比较电路和逻辑判断电路；功率控制电路通过光电耦合器和分压电阻控制MOSFET功率管开通和关断，功率回路采用MOSFET功率管和功率继电器串联结构；电流信号采集与调理电路通过隔离型电流传感器将电流信号转换为电压信号，该电压信号经差分放大电路处理后进入比较电路；比较电路将过流信号电压值与过流阈值进行比较输出过流保护信号；逻辑判断电路接收过流保护信号，并与CPU电路输出控制信号作或运算后，输出MOSFET功率管控制信号给功率控制电路，控制MOSFET功率管关断保护。本发明实时性强，电路设计简单，可靠性高。

Description

一种直流负载驱动保护电路

技术领域

本发明属于电气技术领域，涉及一种直流负载驱动保护电路。

背景技术

随着机载产品的更新换代，传统的机械机构传动已被电传动所代替，功率传输通过电导线以电能量的传输方式完成，电传动不仅降低机载产品重量，并减少地面维护设备，加上其容错能力强，使得飞机的可靠性、维修性、经济性得到较大提高，目前，电传动的执行机构主要有作动器、电动活门、智能活门等，为确保执行机构的可靠性和寿命，对驱动保护电路提出了更高的要求，目前，执行机构正向智能化、集成驱动组件发展，即执行机构不仅集成功率电路，还包括控制电路和处理电路，受执行机构结构空间局限，无法采用大量的采集电路、处理电路，因此，为满足新型执行机构的设计需求，需要设计简单、可靠且能实现快速保护的驱动保护电路。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种直流负载驱动保护电路，实现设计简单、可靠且能进行快速保护。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种直流负载驱动保护电路，包括功率控制电路、电流信号采集与调理电路、比较电路和逻辑判断电路；功率控制电路通过光电耦合器和分压电阻控制MOSFET功率管开通和关断，功率回路采用MOSFET功率管和功率继电器串联结构；电流信号采集与调理电路通过隔离型电流传感器将电流信号转换为电压信号，电压信号经差分放大电路处理后进入比较电路；比较电路将过流信号电压值与过流阈值进行比较输出过流保护信号；逻辑判断电路接收过流保护信号，并与CPU电路逻辑控制信号作或运算后，输出MOSFET功率管控制信号给功率控制电路，控制MOSFET功率管关断保护。

其中，功率控制电路包括光电耦合器U1、功率继电器K1、MOSFET功率管V1，光电耦合器U1接收逻辑控制信号CON_B，光电耦合器U1输出接MOSFET功率管V1，实现隔离、驱动功能；功率继电器K1接收逻辑控制信号CON_C，并与MOSFET功率管V1串联，避免单一功率管故障导致功率回路无法及时断开保护，实现功率输出端POUT可靠控制。

其中，功率控制电路还包括限流电阻R1、分压电阻R2、分压电阻R3、稳压管V2、续流二极管V3、电阻R4和电容C1，限流电阻R1一端接光电耦合器U1的输入端1脚，限流电阻R1的另一端接+5V电源，逻辑控制信号CON_B接光电耦合器U1的输入端2脚，分压电阻R2一端接光电耦合器U1的输出端3脚，分压电阻R2另一端接Q15V电源，分压电阻R3一端接光电耦合器U1的输出端4脚、稳压管V2阴极和MOSFET功率管V1的栅极1脚，分压电阻R3另一端接稳压管V2阳极、MOSFET功率管V1的源极3脚、电阻R4的一端和功率端QGND，MOSFET功率管V1的漏极2脚接功率继电器K1的触点端1脚和电容C1的一端，电容C1的另一端接电阻R4，功率继电器K1的触点端2脚接DC28V电源，功率继电器K1的线圈端4脚接逻辑控制信号CON_C、续流二极管V3阴极，功率继电器K1的线圈端3脚接续流二极管V3阳极和功率地AGND。

其中，MOSFET功率管V1的栅极1脚和源极3脚接稳压管V2，防止MOSFET功率管栅极和源极之间出现过电压击穿。

其中，电流信号采集与调理电路包括隔离型电流传感器U2和运算放大器U3，隔离型电流传感器U1将功率回路电流转换为电压信号AOUT，电压信号AOUT和隔离型电流传感器U2输出参考电压REF2.5V经运算放大器U3组成的差分放大电路后，将电压信号AOUT中基准电压由2.5V变为0V并进行放大，输出电压信号BOUT。

其中，电流信号采集与调理电路还包括去耦电容C2、电阻R5和电阻R6，电阻R5的一端接隔离型电流传感器U2的参考电压端9脚(REF2.5V)，电阻R5的另一端接运算放大器U3的输入端1脚和电阻R6的一端，电阻R6的另一端接运算放大器U3的输出端3脚和电压信号BOUT，去耦电容C2的一端接隔离型电流传感器U2的供电端11脚和信号地SGND，电容C2的另一端接隔离型电流传感器U2的供电端12脚和+5V电源，隔离型电流传感器U2的输出端10接运算放大器U3的输入端2脚和电压信号AOUT，隔离型电流传感器U2的功率输入端1脚、3脚、5脚和7脚接功率端QGND，隔离型电流传感器U2的功率输出端2脚、4脚、6脚、8脚接功率输出端POUT，运算放大器U3采用+5V电源供电。

其中，比较电路包括比较器U4、电阻R7、电阻R8和上拉电阻R9，电阻R7的一端接电压信号BOUT，电阻R7的另一端接比较器U4的输入端2脚和电阻R8的一端，电阻R8的另一端接比较器U4的输出端3脚、过流保护信号CON_OVER和电阻R9的一端，电阻R9的另一端接+5V电源，比较器U4的输入端1脚接过流阈值信号REF_B,比较器U4采用+5V电源供电。

其中，比较电路对电压信号BOUT与过流阈值信号REF_B进行比较，当电压信号BOUT高于过流阈值信号REF_B时，过流保护信号CON_OVER输出为高电平，且存在过流现象，反之，则为低电平，无过流现象。

其中，逻辑判断电路包括或门U5，或门U5对CPU电路逻辑控制信号CON_A和过流保护信号CON_OVER进行或运算后，输出逻辑控制信号CON_B给功率控制电路，或门U5的输入端1脚接CPU电路输出控制信号，或门U5的输入端2脚接过流保护信号CON_OVER，或门U5的输出端3脚接光电耦合器U1的输入端2脚。

其中，电流传感器采用隔离型传感器，将电流传感器待采集功率信号与电流传感器输出电压小信号进行隔离。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的直流负载驱动保护电路，采用MOSFET功率管与功率继电器串联的结构，通过电流信号采集与调理电路、比较电路和逻辑判断电路实现功率回路过流保护功能，通过硬件电路实现过流判断并输出控制信号，CPU处理电路参与判断，减少CPU处理电路的负担，并减少过流保护信号输出延迟，提高电路的实时性，同时，电路设计简单、紧凑，可靠性高，适用于执行机构等电路板结构空间小的场合。

附图说明

图1为本发明驱动保护电路的应用示意图。

图2为本发明驱动保护电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

参见图1所示，本实施例直流负载驱动保护电路应用于执行机构控制电路，CPU处理电路输出逻辑控制信号CON_A给逻辑判断电路；功率控制电路接收逻辑判断电路输出逻辑控制信号CON_B和CPU处理电路输出逻辑控制信号CON_A，控制功率回路的导通和关断；功率控制电路输出功率电经电流信号采集与调理电路至功率输出端POUT，电流信号采集与调理电路将电流信号隔离转换为电压信号BOUT，功率输出端POUT接直流负载；比较电路将电压信号BOUT与过流阈值进行比较，输出过流保护信号CON_OVER给逻辑判断电路，经逻辑判断后输出逻辑控制信号CON_B给功率控制电路，控制功率回路关断，实现过流保护功能。

参见图2所示，本发明具体包括一种直流负载驱动保护电路的一实施例，包括功率控制电路、电流信号采集与调理电路、比较电路和逻辑判断电路；功率控制电路通过光电耦合器和分压电阻控制MOSFET功率管开通和关断，功率回路采用MOSFET功率管和功率继电器串联结构；电流信号采集与调理电路通过隔离型电流传感器将电流信号转换为电压信号，电压信号经差分放大电路处理后进入比较电路；比较电路将过流信号电压值与过流阈值进行比较输出过流保护信号；逻辑判断电路接收过流保护信号，并与CPU电路逻辑控制信号作或运算后，输出MOSFET功率管控制信号给功率控制电路，控制MOSFET功率管关断保护。

功率控制电路包括光电耦合器U1、功率继电器K1、MOSFET功率管V1，光电耦合器U1接收逻辑控制信号CON_B，光电耦合器U1输出接MOSFET功率管V1，实现隔离、驱动功能；功率继电器K1接收逻辑控制信号CON_C，并与MOSFET功率管V1串联，避免单一功率管故障导致功率回路无法及时断开保护，实现功率输出端POUT可靠控制。

功率控制电路还包括限流电阻R1、分压电阻R2、分压电阻R3、稳压管V2、续流二极管V3、电阻R4和电容C1，限流电阻R1一端接光电耦合器U1的输入端1脚，限流电阻R1的另一端接+5V电源，逻辑控制信号CON_B接光电耦合器U1的输入端2脚，分压电阻R2一端接光电耦合器U1的输出端3脚，分压电阻R2另一端接Q15V电源，分压电阻R3一端接光电耦合器U1的输出端4脚、稳压管V2阴极和MOSFET功率管V1的栅极1脚，分压电阻R3另一端接稳压管V2阳极、MOSFET功率管V1的源极3脚、电阻R4的一端和功率端QGND，MOSFET功率管V1的漏极2脚接功率继电器K1的触点端1脚和电容C1的一端，电容C1的另一端接电阻R4，功率继电器K1的触点端2脚接DC28V电源，功率继电器K1的线圈端4脚接逻辑控制信号CON_C、续流二极管V3阴极，功率继电器K1的线圈端3脚接续流二极管V3阳极和功率地AGND。

功率控制电路通过在MOSFET功率管V1的栅极1脚和源极3脚之间接稳压管V2，防止MOSFET功率管栅极和源极之间出现过电压击穿。

电流信号采集与调理电路包括隔离型电流传感器U2和运算放大器U3，隔离型电流传感器U1将功率回路电流转换为电压信号AOUT，电压信号AOUT和隔离型电流传感器U2输出参考电压REF2.5V经运算放大器U3组成的差分放大电路后，将电压信号AOUT中基准电压由2.5V变为0V并进行放大，输出电压信号BOUT。

电流信号采集与调理电路还包括去耦电容C2、电阻R5和电阻R6，电阻R5的一端接隔离型电流传感器U2的参考电压端9脚(REF2.5V)，电阻R5的另一端接运算放大器U3的输入端1脚和电阻R6的一端，电阻R6的另一端接运算放大器U3的输出端3脚和电压信号BOUT，去耦电容C2的一端接隔离型电流传感器U2的供电端11脚和信号地SGND，电容C2的另一端接隔离型电流传感器U2的供电端12脚和+5V电源，隔离型电流传感器U2的输出端10接运算放大器U3的输入端2脚和电压信号AOUT，隔离型电流传感器U2的功率输入端1脚、3脚、5脚和7脚接功率端QGND，隔离型电流传感器U2的功率输出端2脚、4脚、6脚、8脚接功率输出端POUT，运算放大器U3采用+5V电源供电。

比较电路包括比较器U4、电阻R7、电阻R8和上拉电阻R9，电阻R7的一端接电压信号BOUT，电阻R7的另一端接比较器U4的输入端2脚和电阻R8的一端，电阻R8的另一端接比较器U4的输出端3脚、过流保护信号CON_OVER和电阻R9的一端，电阻R9的另一端接+5V电源，比较器U4的输入端1脚接过流阈值信号REF_B,比较器U4采用+5V电源供电。

比较电路对电压信号BOUT与过流阈值信号REF_B进行比较，当电压信号BOUT高于过流阈值信号REF_B时，过流保护信号CON_OVER输出为高电平，且存在过流现象，反之，则为低电平，无过流现象。

逻辑判断电路包括或门U5，或门U5对CPU电路逻辑控制信号CON_A和过流保护信号CON_OVER进行或运算后，输出逻辑控制信号CON_B给功率控制电路，或门U5的输入端1脚接CPU电路输出控制信号，或门U5的输入端2脚接过流保护信号CON_OVER，或门U5的输出端3脚接光电耦合器U1的输入端2脚。

电流传感器采用隔离型传感器，将电流传感器待采集功率信号与电流传感器输出电压小信号进行隔离。

本发明在驱动电路的基础上增加硬件过流保护控制电路，减少CPU处理电路的延迟，采用元器件少，有效提高电路的实时性、可靠性和经济性。

本发明技术方案采用MOSFET功率管与功率继电器串联的结构，通过电流信号采集与调理电路、比较电路和逻辑判断电路实现功率回路过流保护功能，与以往的驱动保护电路相比，通过硬件电路实现过流判断并输出控制信号，无需CPU电路逻辑判断，实现功率回路过流快速保护。整个电路通用性强，电路设计简单，具有典型推广价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种直流负载驱动保护电路，其特征在于，包括功率控制电路、电流信号采集与调理电路、比较电路和逻辑判断电路；功率控制电路和逻辑判断电路外接CPU处理电路，功率控制电路包括采用MOSFET功率管和功率继电器串联结构形成的功率回路；CPU处理电路输出逻辑控制信号CON_A给逻辑判断电路；功率控制电路接收逻辑判断电路输出的逻辑控制信号CON_B和CPU处理电路输出的逻辑控制信号CON_C，控制功率回路的导通和关断；功率控制电路输出功率电经电流信号采集与调理电路至功率输出端POUT，电流信号采集与调理电路将电流信号隔离转换为电压信号BOUT，功率输出端POUT接直流负载；比较电路将电压信号BOUT与过流阈值进行比较，输出过流保护信号CON_OVER给逻辑判断电路，经逻辑判断后输出逻辑控制信号CON_B给功率控制电路，控制功率回路关断，实现过流保护功能。

2.根据权利要求1所述的直流负载驱动保护电路，其特征在于，所述功率控制电路包括光电耦合器U1、功率继电器K1、MOSFET功率管V1，光电耦合器U1接收逻辑控制信号CON_B，光电耦合器U1输出接MOSFET功率管V1，实现隔离、驱动功能；功率继电器K1接收逻辑控制信号CON_C，并与MOSFET功率管V1串联，避免单一功率管故障导致功率回路无法及时断开保护，实现功率输出端POUT可靠控制。

3.根据权利要求2所述的直流负载驱动保护电路，其特征在于，所述功率控制电路还包括限流电阻R1、分压电阻R2、分压电阻R3、稳压管V2、续流二极管V3、电阻R4和电容C1，限流电阻R1一端接光电耦合器U1的输入端1脚，限流电阻R1的另一端接+5V电源，逻辑控制信号CON_B接光电耦合器U1的输入端2脚，分压电阻R2一端接光电耦合器U1的输出端3脚，分压电阻R2另一端接Q15V电源，分压电阻R3一端接光电耦合器U1的输出端4脚、稳压管V2阴极和MOSFET功率管V1的栅极1脚，分压电阻R3另一端接稳压管V2阳极、MOSFET功率管V1的源极3脚、电阻R4的一端和功率端QGND，MOSFET功率管V1的漏极2脚接功率继电器K1的触点端1脚和电容C1的一端，电容C1的另一端接电阻R4，功率继电器K1的触点端2脚接DC28V电源，功率继电器K1的线圈端4脚接逻辑控制信号CON_C、续流二极管V3阴极，功率继电器K1的线圈端3脚接续流二极管V3阳极和功率地AGND。

4.根据权利要求3所述的直流负载驱动保护电路，其特征在于，所述MOSFET功率管V1的栅极1脚和源极3脚接稳压管V2，防止MOSFET功率管栅极和源极之间出现过电压击穿。

5.根据权利要求1所述的直流负载驱动保护电路，其特征在于，所述电流信号采集与调理电路包括隔离型电流传感器U2和运算放大器U3，隔离型电流传感器U1将功率回路电流转换为电压信号AOUT，电压信号AOUT和隔离型电流传感器U2输出参考电压REF2.5V经运算放大器U3组成的差分放大电路后，将电压信号AOUT中基准电压由2.5V变为0V并进行放大，输出电压信号BOUT。

6.根据权利要求5所述的直流负载驱动保护电路，其特征在于，所述电流信号采集与调理电路还包括去耦电容C2、电阻R5和电阻R6，电阻R5的一端接隔离型电流传感器U2的参考电压端9脚(REF2.5V)，电阻R5的另一端接运算放大器U3的输入端1脚和电阻R6的一端，电阻R6的另一端接运算放大器U3的输出端3脚和电压信号BOUT，去耦电容C2的一端接隔离型电流传感器U2的供电端11脚和信号地SGND，电容C2的另一端接隔离型电流传感器U2的供电端12脚和+5V电源，隔离型电流传感器U2的输出端10接运算放大器U3的输入端2脚和电压信号AOUT，隔离型电流传感器U2的功率输入端1脚、3脚、5脚和7脚接功率端QGND，隔离型电流传感器U2的功率输出端2脚、4脚、6脚、8脚接功率输出端POUT，运算放大器U3采用+5V电源供电。

7.根据权利要求1所述的直流负载驱动保护电路，其特征在于，所述比较电路包括比较器U4、电阻R7、电阻R8和上拉电阻R9，电阻R7的一端接电压信号BOUT，电阻R7的另一端接比较器U4的输入端2脚和电阻R8的一端，电阻R8的另一端接比较器U4的输出端3脚、过流保护信号CON_OVER和电阻R9的一端，电阻R9的另一端接+5V电源，比较器U4的输入端1脚接过流阈值信号REF_B,比较器U4采用+5V电源供电。

8.根据权利要求7所述的直流负载驱动保护电路，其特征在于，所述比较电路对电压信号BOUT与过流阈值信号REF_B进行比较，当电压信号BOUT高于过流阈值信号REF_B时，过流保护信号CON_OVER输出为高电平，且存在过流现象，反之，则为低电平，无过流现象。

9.根据权利要求1所述的直流负载驱动保护电路，其特征在于，所述逻辑判断电路包括或门U5，或门U5对CPU电路逻辑控制信号CON_A和过流保护信号CON_OVER进行或运算后，输出逻辑控制信号CON_B给功率控制电路，或门U5的输入端1脚接CPU电路输出控制信号，或门U5的输入端2脚接过流保护信号CON_OVER，或门U5的输出端3脚接光电耦合器U1的输入端2脚。

10.根据权利要求1所述的直流负载驱动保护电路，其特征在于，所述电流传感器采用隔离型传感器，将电流传感器待采集功率信号与电流传感器输出电压小信号进行隔离。