CN114785120A - 一种具有保护功能的电机驱动电源电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有保护功能的电机驱动电源电路，包括依次连接的瞬态抑制电路、防反接电路、稳压电路、滤波电路和开关电路；瞬态抑制电路，用于对车载蓄电池中的高压进行抑制；防反接电路，用于防止瞬态抑制电路输出的电压逆流；稳压电路，用于对防反接电路输出的电压进行稳压处理；滤波电路，用于对稳压电路输出的电压进行滤波处理；开关电路，用于根据汽电机控制器输出的换挡电机电源控制信号导通或关断经滤波电路输出的换挡电机驱动芯片的供电电压；本发明能够避免外部车载蓄电池的高压脉冲、换挡电机内部电路故障和电压逆流造成驱动电路的损坏以及低温环境下换挡电机驱动芯片死区时间对换挡造成影响，且具有低成本的优点。

Description

一种具有保护功能的电机驱动电源电路
技术领域
本发明属于汽车电子技术领域，具体涉及一种具有保护功能的电机驱动电源电路。
背景技术
现如今汽车已经成为每家每户必不可少的代步工具，伴随着汽车技术的不断发展，汽车电子化程度越来越高。汽车电子化程度的提高能带来更好的驾驶体验，同时使得汽车的电气环境更为复杂，汽车发动机在运行中由于不同车载用电器的开关切换等原因容易产生电压波动，该电压波动可能为小幅度波动，也可能为大幅度的波动，当发电机发生大幅度电压波动时，会使得车载蓄电池给其供电的用电器带来高电压脉冲干扰，高电压脉冲干扰所带来的瞬态高压冲击使得电压波动，容易造成用电器中电路的损坏；同时，各用电器作为蓄电池的负载，当其内部电路产生故障时，如果不能及时切断供电，不仅会导致能源浪费，还可能给用电器内部电路造成更严重的损坏；另外，如果车载蓄电池出现反接的情况，电路中存在电压逆流带来的反向电动势也会造成用电器中电路的损坏。换挡执行器作为控制整车变速箱挡位的部件，其中换挡电机驱动系统对于整车安全尤为重要。换挡电机驱动系统由电源电路和驱动电路构成，车载蓄电池通过电源电路为驱动电路中的换挡电机驱动芯片供电。其中，换挡电机驱动芯片在低温情况下会出现死区时间现象，拉低供电电压，从而导致换挡抖动且无法换挡的情况。用电器中电路的损坏以及换挡抖动且无法换挡的情况，会使得整车安全存在严重隐患。
由此，为了避免外部车载蓄电池的高压脉冲、换挡电机内部电路故障和电压逆流造成驱动电路的损坏以及低温环境下换挡电机驱动芯片死区时间对换挡造成影响，电源电路设计的关键是具有保护功能。目前市场上对于汽车零部件当前广泛使用的是选择电机驱动专用的电源芯片用于电源电路，来满足电源电路保护功能的要求，但电机驱动专用的电源芯片成本都比较高，且不能对换挡电机内部电路故障进行监测。现有技术中，当换挡电机内部电路出现故障时，驱动电路中的换挡电机驱动芯片会将故障情况反馈给汽车电机控制器，虽然汽车电机控制器能根据反馈控制换挡电机的工作状态，但是不能控制电源电路，不能及时切断对换挡电机驱动芯片的供电。
发明内容
本发明的目的在于解决换挡执行器的电机驱动系统中电源电路具有保护功能的技术问题，提供一种具有保护功能的电机驱动电源电路，能够避免外部车载蓄电池的高压脉冲、换挡电机内部电路故障和电压逆流造成驱动电路的损坏以及低温环境下换挡电机驱动芯片死区时间对换挡造成影响，且具有低成本的优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有保护功能的电机驱动电源电路，包括依次连接的瞬态抑制电路、防反接电路、稳压电路、滤波电路和开关电路；
所述瞬态抑制电路，用于对车载蓄电池中的高压进行抑制；
所述防反接电路，用于防止瞬态抑制电路输出的电压逆流；
所述稳压电路，用于对防反接电路输出的电压进行稳压处理；
所述滤波电路，用于对稳压电路输出的电压进行滤波处理；
所述开关电路，用于根据汽车电机控制器输出的换挡电机电源控制信号导通或关断经滤波电路输出的换挡电机驱动芯片的供电电压。
现有技术中为了达到防止电源反接的目的，一般将防反接电路直接与电源连接，但是本发明应用在汽车中，车载蓄电池电压波动会产生高压脉冲干扰，抛负载是造成高压脉冲干扰的主要来源之一，车载蓄电池输入的电压可能会出现101V抛负载高压脉冲干扰，防反接电路可以防止电源反接对电路造成损坏，但是不能应对大的高压脉冲干扰，由此本发明中将瞬态抑制电路设置在车载蓄电池和防反接电路之间，当出现车载电源反接且存在高压脉冲的情况时，先利用瞬态抑制电路对车载蓄电池输入电压中的高压脉冲干扰进行抑制，再通过防反接电路防止由于车载蓄电池反接造成瞬态抑制电路输出的电压逆流；防反接电路输出的电压虽然经过瞬态抑制电路进行高压抑制处理，但是也可能存在抑制不充分的情况，使得电压不在换挡电机的适用范围内，由此，本发明中还设置稳压电路，对防反接电路输出的电压进行稳压处理，从而对电压进一步抑制，将电压稳定在适用于换挡电机的范围；汽车的电气环境复杂，会导致车载蓄电池中存在干扰电流，由此，本发明中设置滤波电路对干扰电流进行滤除，使得电压更加稳定；本发明中设置开关电路，换挡电机电源控制信号由汽车电机控制器内部微处理器输出，能够反映出换挡电机的内部电路是否出现故障，开关电路根据换挡电机电源控制信号，在换挡电机内部电路出现故障的情况下，关断经滤波电路输出的换挡电机驱动芯片的供电电压，在换挡电机内部电路正常的情况下，导通经滤波电路输出的换挡电机驱动芯片的供电电压。
对本发明技术方案的进一步限定，所述瞬态抑制电路包括双向瞬态抑制二极管、第一电容和第二电容，第一电容和第二电容均为高频电容；第一电容与第二电容串联后与双向瞬态抑制二极管并联，第一电容与双向瞬态抑制二极管的第一端连接，第二电容与双向瞬态抑制二极管的第二端连接，双向瞬态抑制二极管的第二端与接地端PGND连接。本发明中设置双向瞬态抑制二极管、第一电容和第二电容构成瞬态抑制电路，双向瞬态抑制二极管两端无正负性极之分，当出现车载蓄电池反接且存在高压脉冲的情况时，可在两个方向吸收瞬时大脉冲功率，并把电压箝制到预定水平，从而能够抑制车载蓄电池中的高压脉冲干扰，且不受车载蓄电池反接的影响；其中第一电容和第二电容均为高频电容，利用高频电容的充放电原理，实现高频滤波和静电防护；本发明实施时，车载蓄电池正常连接的情况下，车载蓄电池的正极和负极分别与双向瞬态抑制二极管的第一端和第二端连接，当出现车载蓄电池反接的情况，则为车载蓄电池的正极和负极分别与双向瞬态抑制二极管的第二端和第一端连接。
对本发明技术方案的进一步限定，所述防反接电路包括第一MOS管、第三电容和第一电阻，第三电容为高频电容，第一MOS管为带寄生二极管的P沟道增强型；第一MOS管的漏极与第一电容和双向瞬态抑制二极管的节点连接，第一MOS管的栅极串联第一电阻后与第二电容和双向瞬态抑制二极管的节点连接，第三电容并联在第一MOS管的栅极和源极之间。本发明中设置第一MOS管、第三电容和第一电阻构成防反接电路，寄生二极管具有单向导电性，车载蓄电池正常连接的情况下，寄生二极管正向导通，第一MOS管栅极和源极之间的电位差满足导通条件，第一MOS管导通；当出现车载蓄电池反接的情况，寄生二极管反向截止，第一MOS管栅极和源极之间的电位差不满足导通条件，第一MOS管截至，利用寄生二极管实现电流流通，其中第三电容为高频电容，利用高频电容的充放电原理，实现高频滤波；第一电阻为限流电阻，利用第一电阻的阻抗特，限制电流，可防止第一MOS管被击穿，能够稳定工作。
对本发明技术方案的进一步限定，所述稳压电路包括第一二极管、第二二极管和第四电容，第一二极管为稳压二极管；第一二极管的负极和正极分别与第一MOS管的源极和栅极连接，第二二极管的负极与第一二极管的正极连接，第四电容的第一端和第二端分别与第一二极管的负极和第二二极管的正极连接，第二二极管的正极与接地端PGND连接。本发明中设置第一二极管、第二二极管和第四电容构成稳压电路，利用第一二极管为稳压二极管的反向击穿原理特性，对输入的电压进行钳制，进一步抑制电压；其中，第二二极管是利用其反向击穿特性，与第一二极管共同实现稳压作用；第四电容为高频电容，利用高频电容的充放电原理，实现高频滤波。
对本发明技术方案的进一步限定，所述滤波电路采用π型滤波器，包括第一电感、第一电解电容和第二电解电容，第一电感为三脚电感；第一电感的起始脚与第四电容和第一二极管的节点连接，第一电解电容和第二电解电容的正极分别与第一电感的起始脚和收尾脚连接，第一电解电容和第二电解电容的负极均与第四电容和第二二极管的节点连接，第一电感的公共脚与接地端PGND连接。本发明中设置第一电感、第一电解电容和第二电解电容构成的π型滤波器作为滤波电路，可滤除低温情况下换挡电机驱动芯片中死区时间的干扰，防止拉低供电电压，避免换挡电机驱动芯片死区时间对换挡造成影响。
对本发明技术方案的进一步限定，所述开关电路包括第二MOS管、三极管、第三二极管、第二电阻、第三电阻和第五电容，第二MOS管为带寄生二极管的P沟道增强型，三极管为NPN型，第三二极管为稳压二极管；第二电阻的第一端与第一电感和第二电解电容的节点连接，第二电阻的第二端串联第三电阻后与三极管的集电极连接，三极管的基极与汽车电机控制器中换挡电机电源控制信号的输出端连接，第五电容并联在三极管的基极和发射极之间，三极管的发射极与第二电容和双向瞬态抑制二极管的节点连接，第三二极管的负极和正极分别与第二电阻的第一端和第二端连接，第二MOS管的源极和栅极分别与第三二极管的负极和正极连接，第二MOS管的漏极输出电压为换挡电机驱动芯片供电。本发明中三极管根据换挡电机电源控制信号导通或截止，再以三极管的导通或截止控制第二MOS管的导通或截止，然后通过第二MOS管的导通或截止，从而导通或关断经滤波电路输出的换挡电机驱动芯片的供电电压；具体的，当换挡电机内部电路短路时，换挡电机电源控制信号为低电平信号，三极管截至，第二MOS管截至，从而关断经滤波电路输出的换挡电机驱动芯片的供电电压，换挡电机内部电路正常的情况下，换挡电机电源控制信号为为高电平信号，三极管导通，第二MOS管导通，从而导通经滤波电路输出的换挡电机驱动芯片的供电电压；其中第五电容为高频电容，利用高频电容的充放电原理，实现对换挡电机电源控制信号的滤波；第二电阻和第三电阻构成分压电路，能够让第二MOS管稳定在工作状态。
本发明有益效果是：1）能够避免外部车载蓄电池的高压脉冲、换挡电机内部电路故障和电压逆流造成驱动电路的损坏以及低温环境下换挡电机驱动芯片死区时间对换挡造成影响，且具有低成本的优点。
2）本发明设计具有保护功能的电源电路，能够保证对换挡电机和换挡电机驱动芯片的安全供电，防止出现换挡电机驱动系统中电路的损坏以及换挡抖动且无法换挡的情况，对整车安全提供保障。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明电路图。
图3为本发明抛负载测试波形图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1和图2所示，一种具有保护功能的电机驱动电源电路，包括依次连接的瞬态抑制电路1、防反接电路2、稳压电路3、滤波电路4和开关电路5；
所述瞬态抑制电路1，用于对车载蓄电池中的高压进行抑制；
所述防反接电路2，用于防止瞬态抑制电路1输出的电压逆流；
所述稳压电路3，用于对防反接电路2输出的电压进行稳压处理；
所述滤波电路4，用于对稳压电路3输出的电压进行滤波处理；
所述开关电路5，用于根据汽车电机控制器输出的换挡电机电源控制信号导通或关断经滤波电路4输出的换挡电机驱动芯片的供电电压。
本实施例中，所述瞬态抑制电路1包括双向瞬态抑制二极管TVS1、第一电容C1和第二电容C2，第一电容C1和第二电容C2均为高频电容；第一电容C1与第二电容C2串联后与双向瞬态抑制二极管并联，第一电容与双向瞬态抑制二极管的第一端连接，第二电容与双向瞬态抑制二极管TVS1的第二端连接，双向瞬态抑制二极管TVS1的第二端与接地端PGND连接。
本实施例中，所述防反接电路2包括第一MOS管Q1、第三电容C3和第一电阻R1，第三电容C3为高频电容，第一MOS管Q1为带寄生二极管的P沟道增强型；第一MOS管Q1的漏极与第一电容C1和双向瞬态抑制二极管TVS1的节点连接，第一MOS管Q1的栅极串联第一电阻R1后与第二电容C2和双向瞬态抑制二极管TVS1的节点连接，第三电容C3并联在第一MOS管Q1的栅极和源极之间。
本实施例中，所述稳压电路3包括第一二极管D1、第二二极管D2和第四电容C4，第一二极管D1为稳压二极管；第一二极管D1的负极和正极分别与第一MOS管的源极和栅极连接，第二二极管D2的负极与第一二极管D1的正极连接，第四电容C4的第一端和第二端分别与第一二极管D1的负极和第二二极管D2的正极连接，第二二极管D2的正极与接地端PGND连接。
本实施例中，所述滤波电路4采用π型滤波器，包括第一电感L1、第一电解电容E1和第二电解电容E2，第一电感L1为三脚电感；第一电感L1的起始脚与第四电容C4和第一二极管D1的节点连接，第一电解电容E1和第二电解电容E2的正极分别与第一电感L1的起始脚和收尾脚连接，第一电解电容E1和第二电解电容E2的负极均与第四电容C4和第二二极管D2的节点连接，第一电感L1的公共脚与接地端PGND连接。
本实施例中，所述开关电路5包括第二MOS管Q2、三极管Q3、第三二极管D3、第二电阻R2、第三电阻R3和第五电容C5，第二MOS管Q2为带寄生二极管的P沟道增强型，三极管Q3为NPN型，第三二极管D3为稳压二极管；第二电阻R2的第一端与第一电感L1和第二电解电容E2的节点连接，第二电阻R2的第二端串联第三电阻R3后与三极管Q3的集电极连接，三极管Q3的基极与汽车电机控制器中换挡电机电源控制信号的输出端连接，第五电容C5并联在三极管Q3的基极和发射极之间，三极管Q3的发射极与第二电容C2和双向瞬态抑制二极管TVS1的节点连接，第三二极管D3的负极和正极分别与第二电阻R2的第一端和第二端连接，第二MOS管Q2的源极和栅极分别与第三二极管D3的负极和正极连接，第二MOS管Q2的漏极输出电压为为换挡电机驱动芯片供电。
图1和图2中车载蓄电池均为正接，其中，KL_30表示车载蓄电池正极接入端，KL_30-1表示换挡电机和换挡电机驱动芯片供电电压的输出端，MCU_OUT_MOTOR_POWER_CON表示由汽车电机控制器内部微处理器输出的换挡电机电源控制信号，MOTOR_POWER表示换挡电机驱动芯片的供电电压。
本实施例中，第一MOS管Q1的衬底和源极短接，第一MOS管Q1中寄生二极管的正极和负极分别与第一MOS管Q1的漏极和源极连接；第二MOS管Q2的衬底和源极短接，第二MOS管Q2中寄生二极管的正极和负极分别与第二MOS管Q2的漏极和源极连接。
本实施例中，第一MOS管Q1和第二MOS管Q2的型号均为MOSIPD90P03P4L-04，第一电容C1和第电容C2型号均为10nf的陶瓷电容，双向瞬态抑制二极管TVS1的型号为SM8S26CA，稳压管第一二极管D1和第二二极管D2的型号均为BZT52C18，三极管Q3的型号为DDTD123YCA，第三电容C3和第四电容C4型号均为1nf的陶瓷电容，第五电容C5型号为100nf的陶瓷电容，第一电阻R1和第三电阻R3的型号均为10kΩ，第二电阻R2的型号为100kΩ；其中，三极管Q3为预偏置三极管，是集成元件，其结构如图2中虚线框内所示，内设有第四电阻R4和第五电阻R5，第四电阻R4为基极的外接电阻，第五电阻R5连接在基极和发射极之间，第四电阻R4和第五电阻R5的型号分别为2.2kΩ和10KΩ。
设定车载蓄电池的电压为12V，对本实施例进行测试：
1）测试条件：车载蓄电池正接，车载蓄电池中抛负载脉冲参数：Us=101V、Us*=35V、Ri=1Ω、td=300ms，测试波形如图3所示，其中，虚线为未抑制的波形曲线，实线为抑制后的波形曲线；测试结果：MOTOR_POWER为11.4V；
2）测试条件：车载蓄电池反接，车载蓄电池的正极和负极分别与双向瞬态抑制二极管TVS1的第二端和第一端连接；测试结果：MOTOR_POWER为0V；
3）车载蓄电池正接，环境温度为-40℃；测试结果：MOTOR_POWER为11.4V；
4）测试条件：车载蓄电池正接，换挡电机内部电路短路，MCU_OUT_MOTOR_POWER_CON为低电平信号，电压值为0V；测试结果：MOTOR_POWER为0V。

Claims (6)

1.一种具有保护功能的电机驱动电源电路，其特征在于：包括依次连接的瞬态抑制电路（1）、防反接电路（2）、稳压电路（3）、滤波电路（4）和开关电路（5）；
所述瞬态抑制电路（1），用于对车载蓄电池中的高压进行抑制；
所述防反接电路（2），用于防止瞬态抑制电路（1）输出的电压逆流；
所述稳压电路（3），用于对防反接电路（2）输出的电压进行稳压处理；
所述滤波电路（4），用于对稳压电路（3）输出的电压进行滤波处理；
所述开关电路（5），用于根据汽车电机控制器输出的换挡电机电源控制信号导通或关断经滤波电路（4）输出的换挡电机驱动芯片的供电电压。
2.根据权利要求1所述的一种具有保护功能的电机驱动电源电路，其特征在于：所述瞬态抑制电路（1）包括双向瞬态抑制二极管、第一电容和第二电容，第一电容和第二电容均为高频电容；第一电容与第二电容串联后与双向瞬态抑制二极管并联，第一电容与双向瞬态抑制二极管的第一端连接，第二电容与双向瞬态抑制二极管的第二端连接，双向瞬态抑制二极管的第二端与接地端PGND连接。
3.根据权利要求2所述的一种具有保护功能的电机驱动电源电路，其特征在于：所述防反接电路（2）包括第一MOS管、第三电容和第一电阻，第三电容为高频电容，第一MOS管为带寄生二极管的P沟道增强型；第一MOS管的漏极与第一电容和双向瞬态抑制二极管的节点连接，第一MOS管的栅极串联第一电阻后与第二电容和双向瞬态抑制二极管的节点连接，第三电容并联在第一MOS管的栅极和源极之间。
4.根据权利要求3所述的一种具有保护功能的电机驱动电源电路，其特征在于：所述稳压电路（3）包括第一二极管、第二二极管和第四电容，第一二极管为稳压二极管；第一二极管的负极和正极分别与第一MOS管的源极和栅极连接，第二二极管的负极与第一二极管的正极连接，第四电容的第一端和第二端分别与第一二极管的负极和第二二极管的正极连接，第二二极管的正极与接地端PGND连接。
5.根据权利要求4所述的一种具有保护功能的电机驱动电源电路，其特征在于：所述滤波电路（4）采用π型滤波器，包括第一电感、第一电解电容和第二电解电容，第一电感为三脚电感；第一电感的起始脚与第四电容和第一二极管的节点连接，第一电解电容和第二电解电容的正极分别与第一电感的起始脚和收尾脚连接，第一电解电容和第二电解电容的负极均与第四电容和第二二极管的节点连接，第一电感的公共脚与接地端PGND连接。
6.根据权利要求5所述的一种具有保护功能的电机驱动电源电路，其特征在于：所述开关电路（5）包括第二MOS管、三极管、第三二极管、第二电阻、第三电阻和第五电容，第二MOS管为带寄生二极管的P沟道增强型，三极管为NPN型，第三二极管为稳压二极管；第二电阻的第一端与第一电感和第二电解电容的节点连接，第二电阻的第二端串联第三电阻后与三极管的集电极连接，三极管的基极与汽车电机控制器中换挡电机电源控制信号的输出端连接，第五电容并联在三极管的基极和发射极之间，三极管的发射极与第二电容和双向瞬态抑制二极管的节点连接，第三二极管的负极和正极分别与第二电阻的第一端和第二端连接，第二MOS管的源极和栅极分别与第三二极管的负极和正极连接，第二MOS管的漏极输出电压为换挡电机驱动芯片供电。
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CN115459588A (zh) * 2022-09-28 2022-12-09 卓品智能科技无锡股份有限公司 汽车电控单元用电源模块及供电控制方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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