CN114609989A - 一种断短路检测及保护的大功率数字量输出装置和方法 - Google Patents

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CN114609989A CN202111414571.6A CN202111414571A CN114609989A CN 114609989 A CN114609989 A CN 114609989A CN 202111414571 A CN202111414571 A CN 202111414571A CN 114609989 A CN114609989 A CN 114609989A
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郭磊
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Abstract

本发明公开了一种断短路检测及保护的大功率数字量输出装置和方法，克服现有技术的无法实现对数字输出装置的有效保护以及无法在出现短路时及时断开电路进行保护的问题，包括硬件电路部分和用于控制电路的软件控制部分，硬件电路部分包括MCU、报警器件、开关器件、电压比较器U2、电压比较器U3、若干电阻、误差放大电路及电流镜电路；软件控制部分包括MCU模块，MCU模块连接若干通道，每个通道包括短路检测模块、控制信号开关模块、断线检测模块和数字量输出模块。本发明对负载电流进行采样，可根据不同负载需求，配置不同的负载电流阈值，配置不同数字量输出类型。具有安全、低成本、高精度及高稳定度输出特点。

Description

一种断短路检测及保护的大功率数字量输出装置和方法
技术领域
本发明涉及自动化及仪器仪表技术领域，尤其是涉及一种支持断短路检测及保护的大功率数字量输出装置和方法。
背景技术
在工业控制领域，数字量输出装置作为现场控制的站的输出控制的关键模块，主要用于输出对工业现场的各类执行机构的控制信号，其性能以及控制特性影响着工业现场各类设备的正常运行。作为支持大功率数字量输出装置的负载，安全可靠性尤为重要，电磁阀、功率继电器等执行机构由于工业现场环境的复杂性，可能会出现断路和短路故障，从而烧毁数字输出装置。
数字量电压输出系统常用于对生产现场及公用工程的执行机构进行驱动控制，目前被广泛使用的数字输出装置一部分缺乏对负载断路和短路的检测，无法实现对数字输出装置的有效保护，另一部分往往通过采用精密电阻或者霍尔器件进行电流采样并反馈至微处理器进行短路检测与保护，由于微处理器处理速度较慢，无法在出现短路时及时断开电路进行保护，且精密电阻温漂严重，采样精度低，功耗高；霍尔器件能检测大电流，功耗低，但是成本高，对小量程的电流测量误差大，易受外部磁场影响，对静电敏感，外围电路冗杂。
由于传统PLC、DCS等的数字输出装置一部分缺乏对负载断路和短路的检测，无法实现对数字输出装置的有效保护，另一部分往往通过电阻分压方式采集数字量输出电压，反馈至微处理器，与微处理器内部设定的电压阈值进行比较，从而达到短路检测与保护的目的，由于微处理器处理速度较慢，无法在出现短路时及时断开电路进行保护。
例如，一种在中国专利文献上公开的“MOSFET数字量输出电路”，其公告号CN107863957B，包括MOSFET和监测电路；MOSFET分别与主控制器和负载连接，MOSFET用于根据主控制器输出的数字量输出信号控制负载的通断；监测电路分别与MOSFET和主控制器连接，监测电路用于监测MOSFET的通断信号，并根据MOSFET的通断信号向主控制器反馈数字量输出状态反馈信号。该方案采用的数字量输出方案，集成芯片与MCU相结合对数字量输出负载线路进行断/短路检测及保护，检测与保护速度慢，且数字量输出脉宽与频率固定，不可配置。
发明内容
本发明是为了克服现有技术的无法实现对数字输出装置的有效保护的问题，提供一种断短路检测及保护的大功率数字量输出装置和方法，实现数字量输出装置负载断/短路检测及保护。
本发明的另一个发明目的是为了克服现有技术无法在出现短路时及时断开电路进行保护的问题，实现数字量的大功率输出，对负载电流进行采样，被测量数字量输出负载线路不需要串联电阻进行采样，降低了采样电路对负载工作状态的影响，可根据不同负载需求，配置不同的负载电流阈值，配置不同数字量输出类型。具有安全、低成本、高精度及高稳定度输出特点。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种断短路检测及保护的大功率数字量输出装置，包括硬件电路部分和用于控制电路的软件控制部分；
硬件电路部分包括MCU、报警器件、开关器件、电压比较器U2、电压比较器U3、若干电阻、误差放大电路及电流镜电路；MCU分别与报警器件、开关器件和比较器U2输出端连接，电压比较器U2正向输入端通过电阻连接第一参考电压，电压比较器U2负向输入端通过电阻与误差放大电路连接，开关器件还与电流镜电路和电压比较器U3输出端连接，电压比较器U3正向输入端通过电阻连接第二参考电压，电流镜电路采用MOSFET，包括功率MOSFET和采样MOSFET，误差采样电路与电流镜电路连接；
软件控制部分包括MCU模块，MCU模块连接若干通道，每个通道包括短路检测模块、控制信号开关模块、断线检测模块和数字量输出模块；所述数字量输出模块用于通过软件对输出的多个通道的数字量信号进行故障安全模式、输出类型等设置项进行配置；
故障安全模式包括输出保持和按照预设值输出模式；输出类型包括脉宽输出和状态输出两种模式。
作为优选，所述误差放大电路包括电压比较器U1、电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8；
电压比较器U1输出端分别与电压比较器U2负向输入端的电阻和电阻R5一端连接，电阻R5另一端分别与电压比较器U1负向输入端和电阻R6一端连接，电阻R6另一端与采样MOSFET漏极连接，电压比较器U1正向输入端分别与电阻R7一端和电阻R8一端连接，电阻R7另一端与功率MOSFET源极连接，电阻R8另一端接地。
作为优选，所述电流镜电路包括功率MOSFET Q1、采样MOSFET Q2、负载电阻RL和精密采样电阻RS；功率MOSFET Q1栅极和采样MOSFET Q2栅极与开关器件连接用于传输控制信号，功率MOSFET Q1源极与负载电阻RL一端连接，功率MOSFET Q1漏极与电源+24V连接，采样MOSFET Q2源极分别与电压比较器U3负向输入端的电阻和精密采样电阻RS一端连接，负载电阻RL另一端和精密采样电阻RS另一端接地。
一种断短路检测及保护的大功率数字量输出方法，采用一种断短路检测及保护的大功率数字量输出装置，包括以下内容：通道数字量输出的控制信号由MCU产生的控制信号经过控制信号输出开关模块对MOSFET进行控制，短路检测模块对数字量输出模块的负载线路进行短路检测与保护，当出现短路时控制信号输出开关模块关闭MOSFET控制信号的输出，关断数字量的输出；断路检测模块对数字量输出模块的负载线路进行断线检测，当出现断路故障时候反馈至MCU，MCU控制报警器件发送断线报警信号。
作为优选，所述断线检测包括以下内容：功率MOSFET Q1控制信号分为低电平和高电平；
功率MOSFET Q1控制信号默认为低电平时，输出窄脉冲，由窄脉冲信号控制功率MOSFET Q1短暂导通，窄脉冲信号控制功率MOSFET Q1导通期间功率MOSFET Q1漏极和源极的电位进行采样，功率MOSFET Q1导通后存在内阻Rds(on)；当负载线路未出现断线故障时，电流流过功率MOSFET Q1导通内阻会产生压降，导致功率MOSFET Q1漏极和源极的电位不一致，通过误差放大电路放大两者之间的电压差VDS，并通过比较器U2设定的第一参考电压进行比较,输出低电平信号反馈至MCU，表明无断线故障；当负载线路出现断线故障时，无电流流过功率MOSFET Q1导通内阻，功率MOSFET Q1漏极和源极的电位相同，两者之间的电压差VDS为0，后级的误差放大电路输出低电平，通过电压比较器U2与设定的第一参考电压进行比较,小于设定的第一参考电压，比较器U2输出高电平信号反馈至MCU，表明出现断线故障，MCU控制发出断线报警信号；
功率MOSFET Q1控制信号默认为高电平时，MCU对功率MOSFET Q1漏极和源极的电位进行周期采样，由于功率MOSFET Q1导通内阻Rds(on)的存在，当负载线路未出现断线故障时，电流流过功率MOSFET Q1导通内阻产生压降，导致功率MOSFET Q1漏极和源极的电位不一致，通过误差放大电路放大两者之间的电压差VDS，并通过电压比较器U2与设定的第一参考电压进行比较,输出低电平信号反馈至MCU，表明无断线故障；当负载线路出现断线故障时，无电流流过功率MOSFET Q1导通内阻，导致功率MOSFET Q1漏极D和源极S的电位相同，两者之间的电压差VDS为0，后级的误差放大电路输出低电平，通过电压比较器U2与设定的第一参考电压进行比较,小于设定的第一参考电压，比较器输出高电平信号反馈至MCU，表明出现断线故障，MCU控制发出断线报警信号。
作为优选，所述短路检测与保护包括以下内容：
假设功率MOSFET Q1的导电沟道宽长比为(W/L)1，采样MOSFET Q2的导电沟道宽长比为(W/L)2，根据电流镜电路工作原理，负载电流IL与流过精密采样电阻RS的采样电流IS满足如下关系：
Figure BDA0003375421100000041
精密采样电阻RS两端的采样电压VS与流过精密采样电阻RS的采样电流IS满足如下关系：
VS＝ISRS
功率MOSFET Q1导通内阻为RDS(on)，当数字量输出模块正常工作时，即功率MOSFETQ1与采样MOSFET Q2导通时，负载电流IL满足如下关系：
Figure BDA0003375421100000042
此时，流过精密采样电阻RS的采样电流IS满足如下关系：
Figure BDA0003375421100000043
此时，精密采样电阻RS两端的采样电压为
Figure BDA0003375421100000044
将第二参考电压设置为
Figure BDA0003375421100000045
当负载线路无短路故障，功率MOSFET Q1与采样MOSFET Q2正常导通时，即功率MOSFET Q1与采样MOSFET Q2源极S的电压为24V，精密采样电阻RS两端的采样电压为VN，作为电压比较器U3电路的输入信号，等于设定的第二参考电压，电压比较器U3输出低电平，Q1导通，MCU正常输出控制信号控制功率MOSFET Q1与采样MOSFET Q2正常工作；
当负载线路出现短路故障，功率MOSFET Q1与采样MOSFET Q2正常导通时，即功率MOSFET Q1与采样MOSFET Q2源极S的电压为24V，负载电阻RL趋向于无穷小，负载电流IL短路电流趋向于无穷大，精密采样电阻RS两端的采样电压VS趋向于无穷大，远大于设定的第二参考电压，电压比较器U3输出高电平，Q1关断，功率MOSFET Q1与采样MOSFET Q2无控制信号进入关断状态，数字量停止输出，进入短路保护状态。
因此，本发明具有如下有益效果：
本发明采用分立半导体器件实现数字量输出装置负载断/短路检测及保护，特别采用功率MOSFET实现数字量的大功率输出，此外还采用电流镜电路对负载电流进行采样，被测量数字量输出负载线路不需要串联电阻进行采样，降低了采样电路对负载工作状态的影响，可根据不同负载需求，配置不同的负载电流阈值，配置不同数字量输出类型。具有安全、低成本、高精度及高稳定度输出特点。
附图说明
图1是本发明数字量输出配置菜单框架图。
图2是本发明组态软件数字量输出配置界面图。
图3是本发明软件控制部分框图。
图4是本发明硬件电路部分结构图。
图中：1、MCU模块 2、短路检测模块 3、控制信号开关模块 4、断线检测模块 5、数字量输出模块 6、报警器件 7、开关器件 8、误差放大电路 9、电流镜电路。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例：
本实施例提供了一种断短路检测及保护的大功率数字量输出装置，包括硬件电路部分和用于控制电路的软件控制部分。
软件控制部分如图3，软件控制部分包括MCU模块1，MCU模块1连接若干通道，每个通道包括短路检测模块2、控制信号开关模块3、断线检测模块4和数字量输出模块5；所述数字量输出模块5用于通过软件对输出的多个通道的数字量信号进行故障安全模式、输出类型等设置项进行配置。
如图1所示，故障安全模式包括输出保持和按照预设值输出模式；输出类型包括脉宽输出和状态输出两种模式。数字量输出信号分为电压输出和继电器输出两种形式。电压输出是通过控制晶体管的通断来直接对外部提供电压信号，继电器输出则是通过控制继电器触点的通断来提供信号。电压输出的方式比较快速且外部接线简单，故本实施例采用电压输出的方式实现数字量输出，如无特殊说明，本发明所采用的电压输出方式秩序满足技术方案即可，具体采用何种输出方式对于方案的实现无影响。还可通过软件对输出的多个通道的数字量信号的故障安全模式、输出类型等设置项进行配置。
故障安全模式包括输出保持和按照预设值输出模式。其中输出保持模式下，当数字量输出装置发生故障时，装置进入故障安全模式，数字量输出端口输出组态设定值；状态输出模式下可通过组态软件设定固定时间长度的高电平或低电平输出。
输出类型包括脉宽输出和状态输出两种模式。其中脉宽输出模式下可通过组态软件设定输出数字量信号的脉冲宽度及及输出的脉冲个数；状态输出模式下可通过组态软件设定固定时间长度的高电平或低电平输出。组态软件数字量输出配置界面如图2所示。
通道数字量输出的控制信号由MCU产生的控制信号经过控制信号输出开关模块对MOSFET进行控制，由于单类型的数字量输出类型不能满足多行业应用，对于不同的终端控制需求配置合适类型的数字量输出信号。短路检测模块用于对数字量输出模块的负载线路进行短路检测，当出现短路时控制信号输出开关模块关闭MOSFET控制信号的输出，从而关断数字量的输出，实现短路保护，保护模块不受损坏；断路检测模块用于对数字量输出模块的负载线路进行断路检测，当出现断路故障时候反馈至MCU，MCU控制报警器件断线报警信号。
硬件电路部分如图4所示，V1为第一参考电压、V2为第二参考电压、K为控制信号，硬件电路部分包括MCU、报警器件6、开关器件7、比较器电路、若干电阻、误差放大电路8及电流镜电路9；比较器电路包括电压比较器U2、电压比较器U3，MCU分别与报警器件、开关器件和比较器U2输出端连接，电压比较器U2正向输入端通过电阻连接第一参考电压，电压比较器U2负向输入端通过电阻与误差放大电路连接，开关器件还与电流镜电路和电压比较器U3输出端连接，电压比较器U3正向输入端通过电阻连接第二参考电压，电流镜电路采用MOSFET，包括功率MOSFET和采样MOSFET，误差采样电路与电流镜电路连接。
误差放大电路包括电压比较器U1、电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8；
电压比较器U1输出端分别与电压比较器U2负向输入端的电阻和电阻R5一端连接，电阻R5另一端分别与电压比较器U1负向输入端和电阻R6一端连接，电阻R6另一端与采样MOSFET漏极连接，电压比较器U1正向输入端分别与电阻R7一端和电阻R8一端连接，电阻R7另一端与功率MOSFET源极连接，电阻R8另一端接地。
电流镜电路包括功率MOSFET Q1、采样MOSFET Q2、负载电阻RL和精密采样电阻RS；功率MOSFET Q1栅极和采样MOSFET Q2栅极与开关器件连接用于传输控制信号，功率MOSFETQ1源极与负载电阻RL一端连接，功率MOSFET Q1漏极与电源+24V连接，采样MOSFET Q2源极分别与电压比较器U3负向输入端的电阻和精密采样电阻RS一端连接，负载电阻RL另一端和精密采样电阻RS另一端接地。
本实施例中开关器件采用晶体管；报警器件可采用蜂鸣器或发光二极管，具体由MCU控制硬件电路的报警器件进行报警提示。
本实施例还相应的提供一种断短路检测及保护的大功率数字量输出方法，基于断短路检测及保护的大功率数字量输出装置实现方案，对装置的工作流程、原理和控制部分进行具体展开说明。
包括以下内容:
为了实现断线检测，本发明在功率MOSFET Q1控制信号默认为低电平时，使其输出脉宽较窄的脉冲，实施例中为2ms脉冲，具体窄带脉冲数值对于方案无影响，只需满足短暂导通即可，由窄脉冲信号控制功率MOSFET Q1短暂导通，由于数字量输出模块多用于驱动电磁阀、功率继电器继电器等感性负载，可根据不同负载配置窄脉冲宽度小于负载响应时间。在窄脉冲信号控制功率MOSFET Q1导通期间，通过电压采样电路分别对数字量输出端口的功率MOSFET Q1漏极和源极的电位进行采样，由于功率MOSFET Q1导通内阻Rds(on)的存在，当负载线路未出现断线故障时，电流流过功率MOSFET Q1导通内阻会产生压降，导致功率MOSFET Q1漏极和源极的电位不一致，通过误差放大电路放大两者之间的电压差VDS，并通过比较器电路与设定的第一参考电压进行比较,输出低电平信号反馈至MCU，表明无断线故障；当负载线路出现断线故障时，无电流流过MOSFET导通内阻，导致MOSFET漏极D和源极S的电位相同，两者之间的电压差VDS为0，后级的误差放大电路输出低电平，通过电压比较器与设定的第一参考电压进行比较,小于设定的第一参考电压，比较器输出高电平信号反馈至MCU，表明出现断线故障，MCU控制发出断线报警信号。
当功率MOSFET Q1控制信号默认为高电平时，MCU通过电压采样电路分别对数字量输出端口的功率MOSFET Q1漏极和源极的电位进行周期采样，由于功率MOSFET Q1导通内阻Rds(on)的存在，当负载线路未出现断线故障时，电流流过功率MOSFET Q1导通内阻会产生压降，导致功率MOSFET Q1漏极和源极的电位不一致，通过误差放大电路放大两者之间的电压差VDS，并通过比较器电路与设定的第一参考电压进行比较,输出低电平信号反馈至MCU，表明无断线故障；当负载线路出现断线故障时，无电流流过MOSFET导通内阻，导致MOSFET漏极D和源极S的电位相同，两者之间的电压差VDS为0，后级的误差放大电路输出低电平，通过电压比较器与设定的第一参考电压进行比较,小于设定的第一参考电压，比较器输出高电平信号反馈至MCU，表明出现断线故障，MCU控制发出断线报警信号。
为了实现对负载线路的短路检测与保护，通过由采样MOSFET Q2、精密采样电阻RS与数字量输出模块的功率MOSFET Q1和负载RL组成电流镜电路，与对负载电流IL进行检测。假设功率MOSFET Q1的导电沟道宽长比为(W/L)1，采样MOSFET Q2的导电沟道宽长比为(W/L)2，根据电流镜电路工作原理，负载电流IL与流过精密采样电阻RS的采样电流IS满足如下关系：
Figure BDA0003375421100000081
精密采样电阻RS两端的采样电压VS与流过精密采样电阻RS的采样电流IS满足如下关系：
VS＝ISRS
功率MOSFET Q1导通内阻为RDS(on)，当数字量输出模块正常工作时，即功率MOSFETQ1与采样MOSFET Q2导通时，负载电流IL满足如下关系：
Figure BDA0003375421100000082
此时，流过精密采样电阻RS的采样电流IS满足如下关系：
Figure BDA0003375421100000083
此时，精密采样电阻RS两端的采样电压为
Figure BDA0003375421100000084
将第二参考电压设置为
Figure BDA0003375421100000085
当负载线路无短路故障，功率MOSFET Q1与采样MOSFET Q2正常导通时，即功率MOSFET Q1与采样MOSFET Q2源极S的电压为24V，精密采样电阻RS两端的采样电压为VN，作为电压比较器U3电路的输入信号，等于设定的第二参考电压，U3输出低电平，Q1导通，MCU正常输出控制信号控制功率MOSFET Q1与采样MOSFET Q2正常工作。
当负载线路出现短路故障，功率MOSFET Q1与采样MOSFET Q2正常导通时，即功率MOSFET Q1与采样MOSFET Q2源极S的电压为24V，负载电阻RL趋向于无穷小，负载电流IL(短路电流)趋向于无穷大，精密采样电阻RS两端的采样电压VS趋向于无穷大，远大于设定的第二参考电压，U3输出高电平，Q1关断，功率MOSFET Q1与采样MOSFET Q2无控制信号进入关断状态，数字量停止输出，进入短路保护状态。
通道数字量输出的多路PWM控制信号由高位数的MCU产生。
断线检测模块在功率MOSFET Q1控制信号默认为低电平时，使其输出脉宽为2ms的窄脉冲，由窄脉冲信号控制功率MOSFET Q1短暂导通，数字量输出模块用于驱动电磁阀、功率继电器等感性负载时，可根据负载响应时间配置窄脉冲信号的脉冲宽度。在窄脉冲信号控制功率MOSFET Q1导通期间，通过电压采样电路分别对数字量输出端口的功率MOSFET Q1漏极和源极的电位进行采样，由于功率MOSFET Q1导通内阻Rds(on)的存在，当负载线路未出现断线故障时，电流流过功率MOSFET Q1导通内阻会产生压降，导致功率MOSFET Q1漏极和源极的电位不一致，通过误差放大电路放大两者之间的电压差VDS，并通过比较器电路与设定的第一参考电压进行比较,输出低电平信号反馈至MCU，表明无断线故障；当负载线路出现断线故障时，无电流流过MOSFET导通内阻，导致MOSFET漏极D和源极S的电位相同，两者之间的电压差VDS为0，后级的误差放大电路输出低电平，通过电压比较器与设定的第一参考电压进行比较,小于设定的第一参考电压，比较器输出高电平信号反馈至MCU，表明出现断线故障，MCU控制发出断线报警信号。当功率MOSFET Q1控制信号默认为高电平时，MCU通过电压采样电路分别对数字量输出端口的功率MOSFET Q1漏极和源极的电位进行周期采样，由于功率MOSFET Q1导通内阻Rds(on)的存在，当负载线路未出现断线故障时，电流流过功率MOSFET Q1导通内阻会产生压降，导致功率MOSFET Q1漏极和源极的电位不一致，通过误差放大电路放大两者之间的电压差VDS，并通过比较器电路与设定的第一参考电压进行比较,输出低电平信号反馈至MCU，表明无断线故障；当负载线路出现断线故障时，无电流流过MOSFET导通内阻，导致MOSFET漏极D和源极S的电位相同，两者之间的电压差VDS为0，后级的误差放大电路输出低电平，通过电压比较器与设定的第一参考电压进行比较,小于设定的第一参考电压，比较器输出高电平信号反馈至MCU，表明出现断线故障，MCU控制发出断线报警信号。
短路检测模块通过电流镜电路对数字量输出负载线路中的负载电流进行采样，并通过比较器电路与设定的参考电压进行比较，输出高低电平控制MOSFET控制信号传输通道的开关器件的通断以达到短路保护的目的。即负载线路无短路故障，功率MOSFET Q1与采样MOSFET Q2正常导通时，即功率MOSFET Q1与采样MOSFET Q2源极S的电压为24V，精密采样电阻RS两端的采样电压为VSN，作为电压比较器U3电路的输入信号，等于设定的第二参考电压，U3输出低电平，Q1导通，MCU正常输出控制信号控制功率MOSFET Q1与采样MOSFET Q2正常工作。当负载线路出现短路故障，功率MOSFET Q1与采样MOSFET Q2正常导通时，即功率MOSFETQ1与采样MOSFET Q2源极S的电压为24V，负载电阻RL趋向于无穷小，负载电流IL(短路电流)趋向于无穷大，精密采样电阻RS两端的采样电压VS趋向于无穷大，远大于设定的第二参考电压，U3输出高电平，Q1关断，功率MOSFET Q1无控制信号进入关断状态，数字量停止输出，进入短路保护状态。
第一参考电压与第二参考电压可以通过电阻分压的方式进行配置，以达到任意所需预设值，第二参考电压不同的预设值代表不同的负载电流阈值，便于根据不同负载需求，配置不同的负载电流阈值。
上述实施例对本发明的具体描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整均落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种断短路检测及保护的大功率数字量输出装置，其特征是，包括硬件电路部分和用于控制电路的软件控制部分；
硬件电路部分包括MCU、报警器件、开关器件、电压比较器U2、电压比较器U3、若干电阻、误差放大电路及电流镜电路；MCU分别与报警器件、开关器件和比较器U2输出端连接，电压比较器U2正向输入端通过电阻连接第一参考电压，电压比较器U2负向输入端通过电阻与误差放大电路连接，开关器件还与电流镜电路和电压比较器U3输出端连接，电压比较器U3正向输入端通过电阻连接第二参考电压，电流镜电路采用MOSFET，包括功率MOSFET和采样MOSFET，误差采样电路与电流镜电路连接；
软件控制部分包括MCU模块，MCU模块连接若干通道，每个通道包括短路检测模块、控制信号开关模块、断线检测模块和数字量输出模块；所述数字量输出模块用于通过软件对输出的多个通道的数字量信号进行故障安全模式、输出类型等设置项进行配置；
故障安全模式包括输出保持和按照预设值输出模式；输出类型包括脉宽输出和状态输出两种模式。
2.根据权利要求1所述的一种断短路检测及保护的大功率数字量输出装置，其特征是，所述误差放大电路包括电压比较器U1、电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8；
电压比较器U1输出端分别与电压比较器U2负向输入端的电阻和电阻R5一端连接，电阻R5另一端分别与电压比较器U1负向输入端和电阻R6一端连接，电阻R6另一端与采样MOSFET漏极连接，电压比较器U1正向输入端分别与电阻R7一端和电阻R8一端连接，电阻R7另一端与功率MOSFET源极连接，电阻R8另一端接地。
3.根据权利要求1所述的一种断短路检测及保护的大功率数字量输出装置，其特征是，所述电流镜电路包括功率MOSFET Q1、采样MOSFET Q2、负载电阻RL和精密采样电阻RS；功率MOSFET Q1栅极和采样MOSFET Q2栅极与开关器件连接用于传输控制信号，功率MOSFET Q1源极与负载电阻RL一端连接，功率MOSFET Q1漏极与电源+24V连接，采样MOSFET Q2源极分别与电压比较器U3负向输入端的电阻和精密采样电阻RS一端连接，负载电阻RL另一端和精密采样电阻RS另一端接地。
4.一种断短路检测及保护的大功率数字量输出方法，采用权利要求1-3任意一项所述的断短路检测及保护的大功率数字量输出装置，其特征是，包括以下内容：通道数字量输出的控制信号由MCU产生的控制信号经过控制信号输出开关模块对MOSFET进行控制，短路检测模块对数字量输出模块的负载线路进行短路检测与保护，当出现短路时控制信号输出开关模块关闭MOSFET控制信号的输出，关断数字量的输出；断路检测模块对数字量输出模块的负载线路进行断线检测，当出现断路故障时候反馈至MCU，MCU控制报警器件发送断线报警信号。
5.根据权利要求4所述的一种断短路检测及保护的大功率数字量输出方法，其特征是，所述断线检测包括以下内容：功率MOSFET Q1控制信号分为低电平和高电平；
功率MOSFET Q1控制信号默认为低电平时，输出窄脉冲，由窄脉冲信号控制功率MOSFETQ1短暂导通，窄脉冲信号控制功率MOSFET Q1导通期间功率MOSFET Q1漏极和源极的电位进行采样，功率MOSFET Q1导通后存在内阻Rds(on)；当负载线路未出现断线故障时，电流流过功率MOSFET Q1导通内阻会产生压降，导致功率MOSFET Q1漏极和源极的电位不一致，通过误差放大电路放大两者之间的电压差VDS，并通过比较器U2设定的第一参考电压进行比较,输出低电平信号反馈至MCU，表明无断线故障；当负载线路出现断线故障时，无电流流过功率MOSFET Q1导通内阻，功率MOSFET Q1漏极和源极的电位相同，两者之间的电压差VDS为0，后级的误差放大电路输出低电平，通过电压比较器U2与设定的第一参考电压进行比较,小于设定的第一参考电压，比较器U2输出高电平信号反馈至MCU，表明出现断线故障，MCU控制发出断线报警信号；
功率MOSFET Q1控制信号默认为高电平时，MCU对功率MOSFET Q1漏极和源极的电位进行周期采样，由于功率MOSFET Q1导通内阻Rds(on)的存在，当负载线路未出现断线故障时，电流流过功率MOSFET Q1导通内阻产生压降，导致功率MOSFET Q1漏极和源极的电位不一致，通过误差放大电路放大两者之间的电压差VDS，并通过电压比较器U2与设定的第一参考电压进行比较,输出低电平信号反馈至MCU，表明无断线故障；当负载线路出现断线故障时，无电流流过功率MOSFET Q1导通内阻，导致功率MOSFET Q1漏极D和源极S的电位相同，两者之间的电压差VDS为0，后级的误差放大电路输出低电平，通过电压比较器U2与设定的第一参考电压进行比较,小于设定的参考电压1，比较器输出高电平信号反馈至MCU，表明出现断线故障，MCU控制发出断线报警信号。
6.根据权利要求4所述的一种断短路检测及保护的大功率数字量输出方法，其特征是，所述短路检测与保护包括以下内容：
假设功率MOSFET Q1的导电沟道宽长比为(W/L)1，采样MOSFET Q2的导电沟道宽长比为(W/L)2，根据电流镜电路工作原理，负载电流IL与流过精密采样电阻RS的采样电流IS满足如下关系：
Figure FDA0003375421090000031
精密采样电阻RS两端的采样电压VS与流过精密采样电阻RS的采样电流IS满足如下关系：
VS＝ISRS
功率MOSFET Q1导通内阻为RDS(on)，当数字量输出模块正常工作时，即功率MOSFET Q1与采样MOSFET Q2导通时，负载电流IL满足如下关系：
Figure FDA0003375421090000032
此时，流过精密采样电阻RS的采样电流IS满足如下关系：
Figure FDA0003375421090000033
此时，精密采样电阻RS两端的采样电压为
Figure FDA0003375421090000034
将第二参考电压设置为
Figure FDA0003375421090000035
当负载线路无短路故障，功率MOSFET Q1与采样MOSFET Q2正常导通时，即功率MOSFETQ1与采样MOSFET Q2源极S的电压为24V，精密采样电阻RS两端的采样电压为VN，作为电压比较器U3电路的输入信号，等于设定的第二参考电压，电压比较器U3输出低电平，Q1导通，MCU正常输出控制信号控制功率MOSFET Q1与采样MOSFET Q2正常工作；
当负载线路出现短路故障，功率MOSFET Q1与采样MOSFET Q2正常导通时，即功率MOSFETQ1与采样MOSFET Q2源极S的电压为24V，负载电阻RL趋向于无穷小，负载电流IL短路电流趋向于无穷大，精密采样电阻RS两端的采样电压VS趋向于无穷大，远大于设定的第二参考电压，电压比较器U3输出高电平，Q1关断，功率MOSFET Q1与采样MOSFET Q2无控制信号进入关断状态，数字量停止输出，进入短路保护状态。
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