CN114325066B - 一种过压检测与能量吸收装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电源技术领域，特别涉及一种过压检测与能量吸收装置，包括两级电压检测电路、能量吸收控制模块和能量吸收功率模块，所述两级电压检测电路包括第一级低功耗电压检测电路和第二级温度与电压检测电路，所述第一级低功耗电压检测电路和第二级温度与电压检测电路之间通过第二级供电开关连接，所述第二级温度与电压检测电路与能量吸收功率模块之间通过能量吸收控制模块连接；本发明能够提升电池或用电设备的安全，有效吸收外部异常的过电压或异常能量。

Description

一种过压检测与能量吸收装置

技术领域

本发明涉及电源技术领域，特别涉及一种过压检测与能量吸收装置。

背景技术

随着科技发展，各种供电设备、备电以及储能电池(铅酸、锂电池等)被广泛地应用于各行各业中。由于种种不可控因素，诸如内部功率电路故障，备电及储能电池保护电路失效，设备内部或电池充放电会出现异常的过高电压或过充的能量，如果电池或用电设备的温度过高或长时间处于过电压状态，不仅会造成安全隐患，而且输出功率也会受到影响。如果不能及时吸收这部分异常的能量，可能导致设备或电池过热、损伤甚至起火爆炸，造成严重的安全事故。从安全及早预防和设备安全稳定使用的角度出发，针对设备及电池充放电过程设计专门的过压和过温能量检测和吸收装置是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷和不足，提供一种能够提升电池或用电设备的安全，有效吸收外部异常的过电压或异常能量的过压检测与能量吸收装置。

实现本发明目的的技术方案是：一种过压检测与能量吸收装置，包括两级电压检测电路、能量吸收控制模块和能量吸收功率模块，所述两级电压检测电路包括第一级低功耗电压检测电路和第二级温度与电压检测电路，所述第一级低功耗电压检测电路和第二级温度与电压检测电路之间通过第二级供电开关连接，所述第二级温度与电压检测电路与能量吸收功率模块之间通过能量吸收控制模块连接。

进一步地，所述第一级低功耗电压检测电路由集成电路U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电容C1组成，所述电阻R1的一端与电阻R2的一端连接，所述电阻R1的另一端分别与电容C1和集成电路U1连接，所述电阻R2的另一端分别与电阻R3和集成电路U1连接。

进一步地，所述第二级温度与电压检测电路由集成电路U2、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、稳压管ZD1、二极管D1、二极管D2和热敏电阻RT1组成，所述电阻R9的一端分别与电阻R10、电阻R14、电阻R16和电阻R17的一端连接，所述电阻R9的另一端分别与稳压管ZD1和集成电路U2的一端连接，所述电阻R10的另一端通过电阻R11分别与集成电路U2、电阻R12和电阻R13的一端连接，所述电阻R13的另一端通过二极管D1与电阻R14的另一端连接，所述集成电路U2的另一端与电阻R14的另一端连接，所述电阻R16的另一端通过电阻R15与热敏电阻RT1连接，所述电阻R17的另一端分别与电阻R18和热敏电阻RT1的一端连接，所述电阻R18的另一端与二极管D2连接。

进一步地，所述能量吸收控制模块由两个串联开关组成。

进一步地，所述能量吸收控制模块由电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、功率开关管Q3、开关管Q4和功率开关管Q5组成，所述电阻R20的一端与电阻R19连接，所述电阻R20的另一端分别与功率开关管Q5和电阻R24连接，所述电阻R23的两端分别与功率开关管Q3和开关管Q4连接，所述功率开关管Q3与电阻R22并联，所述开关管Q4与电阻R21并联。

进一步地，所述能量吸收功率模块包括功率电阻、瞬态电压吸收器和散热装置，所述功率电阻和瞬态电压吸收器并联，所述功率电阻和瞬态电压吸收器均固定在散热装置上。

进一步地，所述瞬态电压吸收器为瞬态电压抑制二极管TVS1或压敏电阻。

进一步地，所述散热装置为散热器HT1。

采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：

(1)本发明具备电压检测、温度检测和吸收能量的特点，既可以作为电池的防过压充电电路，也可以作为用电设备的保护装置使其免受电感性负载切换时产生的瞬变电压，以及感应雷所产生的过电压的伤害，大大提升了电池或用电设备的安全，有效吸收外部异常的过电压或异常能量的注入；

(2)本发明的电压检测电路分为两级，防止其中一级电路出现单一故障而致使电路失控，并且其中一级还用于低功耗控制；

(3)本发明的能量吸收控制模块采用两级串联结构，防止其中一级出现单一故障而致使电路失控；

(4)本发明的能量吸收功率模块采用稳态能量与瞬态能量两种吸收器件，实现对不同电压下能量的吸收；

(5)本发明所有的检测均采用迟滞比较，防止装置出现振荡。

附图说明

为了使本发明的内容更容易和清楚地被理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的电路图。

具体实施方式

如图1所示，一种过压检测与能量吸收装置，包括两级电压检测电路1、能量吸收控制模块2和能量吸收功率模块3，两级电压检测电路1包括第一级低功耗电压检测电路11和第二级温度与电压检测电路12，能量吸收控制模块2由两个串联开关组成，两个串联开关的设计避免了单个开关失效后出现能量吸收功率模块3失控的情况。第一级低功耗电压检测电路11和第二级温度与电压检测电路12之间通过第二级供电开关4连接，第二级温度与电压检测电路12与能量吸收功率模块3之间通过能量吸收控制模块2连接，能量吸收功率模块3包括功率电阻、瞬态电压吸收器和散热装置，瞬态电压吸收器为瞬态电压抑制二极管TVS1或压敏电阻，散热装置为散热器HT1。第一级低功耗电压检测电路11由输入电压Vin供电，第一级低功耗电压检测电路11检测输入电压Vin，本发明设置迟滞量ΔV：当输入电压Vin达到设定阈值V1时，则开启第二级供电开关4；当输入电压Vin低于(V1-ΔV)时，则关闭第二级供电开关4。第二级供电开关4由第一级低功耗电压检测电路11控制，并为后面的第二级温度与电压检测电路12与能量吸收控制模块2供电。第二级温度与电压检测电路12被供电后，开始检测装置的温度与输入电压Vin：当装置的温度满足安全即低于设定阈值T1时，开启能量吸收控制模块2的一个串联开关；当输入电压Vin达到设定阈值V2后，则开启能量吸收控制模块2的另一个串联开关；当装置的温度满足安全且输入电压Vin达到阈值V2时，能量吸收控制模块2的两个串联开关均打开，此时能量吸收功率模块3开始吸收输入电压Vin的能量；当装置的温度高于阈值T1或输入电压Vin低于(V2-ΔV)时，则能量吸收控制模块2中相应的串联开关关闭，能量吸收功率模块3停止吸收能量。在装置的温度满足安全的情况下，如果输入电压Vin达到阈值V2(V2<V3)时，此时能量吸收功率模块3中的功率电阻吸收稳态的能量；如果输入电压Vin达到设定阈值V3时，此时能量吸收功率模块3中的瞬态电压抑制二极管TVS1吸收瞬态的能量。在能量的吸收过程中，当输入电压Vin低于阈值(V2-ΔV)时，则关断能量吸收控制模块2中相应的串联开关，能量吸收功率模块3停止能量吸收；当输入电压Vin低于阈值(V1-ΔV)时，整个装置进入低功耗的待机模式。能量吸收功率模块3将吸收的能量转换为热量导到散热器HT1，再通过散热器HT1散热到环境中去。如果散热器在一定时间内传导的热量过多，进而导致装置的温度超过阈值T1，则关闭能量吸收控制模块2中相应的串联开关，从而让装置进入过温度保护状态，能量吸收功率模块3停止吸收热量，直到装置的温度低于阈值T1时，再重新恢复能量吸收的功能。

如图2所示，第一级低功耗电压检测电路11由集成电路U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电容C1组成，电阻R1的一端与电阻R2的一端连接，电阻R1的另一端分别与电容C1和集成电路U1连接，电阻R2的另一端分别与电阻R3和集成电路U1连接；由电阻R1、电阻R2和电阻R3对输入电压Vin进行分压取样，由集成电路U1进行电压检测，当输入电压Vin超过阈值V1后，将集成电路U1的PIN3设置为高阻抗或高电平。第二级供电开关4由电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、开关管Q1和开关管Q2组成，开关管Q2的一端分别与电阻R5和电阻R7连接，开关管Q2的另一端依次通过电阻R8、开关管Q1与电阻R4连接，电阻R8、开关管Q1与电阻R6并联；当集成电路U1的PIN3为高阻抗时，开关管Q2被驱动导通，进而开关管Q1被驱动导通，从而将输入电压Vin导通至VCC形成第二级供电。第二级温度与电压检测电路12由集成电路U2、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、稳压管ZD1、二极管D1、二极管D2和热敏电阻RT1组成，集成电路U2分为单元U2A和单元U2B，电阻R9的一端分别与电阻R10、电阻R14、电阻R16和电阻R17的一端连接，所述电阻R9的另一端分别与稳压管ZD1和单元U2B的一端连接，所述电阻R10的另一端通过电阻R11分别与单元U2B、电阻R12和电阻R13的一端连接，所述电阻R13的另一端通过二极管D1与电阻R14的另一端连接，所述单元U2B的另一端与电阻R14的另一端连接，所述电阻R16的另一端通过电阻R15与热敏电阻RT1连接，所述电阻R17的另一端分别与电阻R18和热敏电阻RT1的一端连接，所述电阻R18的另一端与二极管D2连接；第二级温度与电压检测电路12被供电后，VCC经过电阻R9与稳压管ZD1形成的稳压电路，得到参考基准电压Vref，同时由电阻R10、电阻R11与电阻R12对VCC进行分压取样：当VCC低于阈值V2时，集成电路U2的PIN7为低电平，驱动开关管Q4关断，开关管Q4再驱动功率开关管Q3关断；当VCC超过阈值V2时，集成电路U2的PIN7为高电平，驱动开关管Q4开通，开关管Q4再驱动功率开关管Q3开通；将输入电压Vin输入到能量吸收功率模块3，由电阻R13与二极管D1形成电压迟滞电路，以防止在功率开关管Q3反复导通判断或在临界点振荡，同时热敏电阻RT1对整个装置的温度进行检测，电阻R17与热敏电阻RT1分压，电压R16与电压R15分压，当装置的温度没有出现超温现象即低于阈值T1时，集成电路U2的PIN1为高电平，从而驱动功率开关管Q5导通；由电阻R18与D2二极管形成温度迟滞电路，防止过温度临界点时电路反复开关或振荡，当装置的温度超过阈值T1时，集成电路U2的PIN1为低电平，功率开关管Q5关断。能量吸收控制模块2由电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、功率开关管Q3、开关管Q4和功率开关管Q5组成，电阻R20的一端与电阻R19连接，电阻R20的另一端分别与功率开关管Q5和电阻R24连接，电阻R23的两端分别与功率开关管Q3和开关管Q4连接，功率开关管Q3与电阻R22并联，开关管Q4与电阻R21并联；功率开关管Q3和功率开关管Q5为功率开关且受集成电路U2的控制，电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24和开关管Q4为功率开关管Q3、功率开关管Q5的驱动电路，集成电路U2根据检测的电压与装置的温度来决定功率开关管Q3、功率开关管Q5的开通和关断，只有功率开关管Q3与功率开关管Q5均导通时，能量吸收功率模块3才吸收输入电压Vin注入的能量，功率开关管Q3、功率开关管Q5中任何一个关断，能量吸收功率模块3均与输入电压Vin断开。能量吸收功率模块3由电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、电阻R30、瞬态电压抑制二极管TVS1和散热器HT1组成，电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29和电阻R30为功率电阻，功率电阻与瞬态电压抑制二极管TVS1并联；在功率开关管Q3、功率开关管Q5被驱动导通后，瞬态电压抑制二极管TVS1将吸收由输入电压Vin注入的瞬态的能量，而功率电阻将吸收稳态的能量，吸收的电能量均转化为热能，功率电阻和瞬态电压抑制二极管TVS1均固定在散热器HT1上，由散热器将功率电阻和瞬态电压抑制二极管TVS1吸收的能量通过热传导方式将热能散热。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种过压检测与能量吸收装置，其特征在于：包括两级电压检测电路(1)、能量吸收控制模块(2)和能量吸收功率模块(3)，所述两级电压检测电路(1)包括第一级低功耗电压检测电路(11)和第二级温度与电压检测电路(12)，所述第一级低功耗电压检测电路(11)和第二级温度与电压检测电路(12)之间通过第二级供电开关(4)连接，所述第二级温度与电压检测电路(12)与能量吸收功率模块(3)之间通过能量吸收控制模块(2)连接；

所述第二级温度与电压检测电路(12)由集成电路U2、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、稳压管ZD1、二极管D1、二极管D2和热敏电阻RT1组成，所述电阻R9的一端分别与电阻R10、电阻R14、电阻R16和电阻R17的一端连接，所述电阻R9的另一端分别与稳压管ZD1和集成电路U2的一端连接，所述电阻R10的另一端通过电阻R11分别与集成电路U2、电阻R12和电阻R13的一端连接，所述电阻R13的另一端通过二极管D1与电阻R14的另一端连接，所述集成电路U2的另一端与电阻R14的另一端连接，所述电阻R16的另一端通过电阻R15与热敏电阻RT1连接，所述电阻R17的另一端分别与电阻R18和热敏电阻RT1的一端连接，所述电阻R18的另一端与二极管D2连接。

2.根据权利要求1所述的一种过压检测与能量吸收装置，其特征在于：所述第一级低功耗电压检测电路(11)由集成电路U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电容C1组成，所述电阻R1的一端与电阻R2的一端连接，所述电阻R1的另一端分别与电容C1和集成电路U1连接，所述电阻R2的另一端分别与电阻R3和集成电路U1连接。

3.根据权利要求1所述的一种过压检测与能量吸收装置，其特征在于：所述能量吸收控制模块(2)由两个串联开关组成。

4.根据权利要求3所述的一种过压检测与能量吸收装置，其特征在于：所述能量吸收控制模块(2)由电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、功率开关管Q3、开关管Q4和功率开关管Q5组成，所述电阻R20的一端与电阻R19连接，所述电阻R20的另一端分别与功率开关管Q5和电阻R24连接，所述电阻R23的两端分别与功率开关管Q3和开关管Q4连接，所述功率开关管Q3与电阻R22并联，所述开关管Q4与电阻R21并联。

5.根据权利要求1所述的一种过压检测与能量吸收装置，其特征在于：所述能量吸收功率模块(3)包括功率电阻、瞬态电压吸收器和散热装置，所述功率电阻和瞬态电压吸收器并联，所述功率电阻和瞬态电压吸收器均固定在散热装置上。

6.根据权利要求5所述的一种过压检测与能量吸收装置，其特征在于：所述瞬态电压吸收器为瞬态电压抑制二极管TVS1或压敏电阻。

7.根据权利要求5所述的一种过压检测与能量吸收装置，其特征在于：所述散热装置为散热器HT1。

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