CN115513930A - 一种风机用上电保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种风机用上电保护电路，包括第一开关电路，用于连接外部电源，并通过外部电源极性第一开关管电路导通/关断；光耦延时电路，与第一开关电路输出端电连接，用于第一开关电路导通时，对外部电源的电流进行延时；时钟控制电路，与光耦延时电路输出端电连接，并生成电平信号；第二开关电路，与时钟控制电路的输出端电连接，根据所述电平信号，第二开关电路导通/断路，风机上电/下电。

Description

一种风机用上电保护电路
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种风机用上电保护电路。
背景技术
目前，电动风机，是一种依靠电能输入，转化为电机旋转从而带动叶片输出机械能，提高气体压力并排送气体的机械装置，由控制器、电机、风筒、叶片等结构组成，广泛应用于各个领域的通风排风、散热冷却等方面。在我国各行各业的各类机械与电气设备中，与风机配套的电机约占全国电机装机量的60％，耗用电能约占全国发电总量的三分之一。
电机是风机的动力来源，，而控制器作为电机的驱动的核心部分，其内部电路设计的优劣，将直接影响风机工作性能的好坏。
通常，简易的风机控制器在供电方式上采用直接供电的方式，内部不具备上电保护电路，系统上电瞬间，直接为母线电容充电。该设计方式的缺陷在于，当供电正负极性发生反接时，或由于供电系统故障，输出了反极性的电压时，由于没有保护电路，会对内部电路造成影响，导致控制器内部对极型敏感的器件发生失效。同时，在上电瞬间控制器内部的母线电容充电电流过大，造成系统用电波动，易导致其余器件的损坏，影响控制器整体性能，且在某些场合，系统电压建立后，会存在一段时间的电压波动，在电压稳定前，波动会造成母线电容快速充放电，也会产生冲击电流，造成器件失效。部分风机控制器会通过CPU控制芯片发出缓冲上电的指令，通过采集母线电容电压，进行延时导通，其缺陷在于响应慢，电机启动时间较长，同时依赖于CPU的控制指令，一旦CPU发生故障就无法实现缓冲上电的效果，也无法适用于禁止带有软件系统的产品。另外一部分风机控制器通过RC充放电电路设置延时时间，在系统上电后，延迟一定时间，导通功率器件，恢复系统正常供电，该方案延迟时间不够精确，由RC电路组成的延时系统易受到环境因素影响，系统稳定性差，且延迟触发由供电产生，无法控制延迟触发条件，同时下电时由于RC电路的放电延时，导致下电时功率管关闭缓慢，放电电流流经功率管，无法起到降低放电电流的下电保护作用。
发明内容
本发明提供一种风机用上电保护电路，用以避免器件在供电反极性或上电瞬间产生冲击电流而受到损坏，保护电路正常工作。
本发明申请提供了一种风机用上电保护电路，包括：
第一开关电路，用于连接外部电源，并通过外部电源极性第一开关管电路导通/关断；
光耦延时电路，与第一开关电路输出端电连接，用于第一开关电路导通时，对外部电源的电流进行延时；
时钟控制电路，与光耦延时电路输出端电连接，并生成电平信号；
第二开关电路，与时钟控制电路的输出端电连接，根据所述电平信号，第二开关电路导通/断路，风机上电/下电。
在本发明的可选实施例中：第一开关电路包括：第一NMOS管、第一电阻、第二电阻、第一电容和第一稳压二极管；其中，
第一电阻和第二电阻串联接在外部电源的供电正负极之间，第一电阻和第二电阻相连部分与第一NMOS管栅极相连；
第一NMOS管的源极和漏极串联在电源负线上，漏极在外部电源的负线前端，源极在外部电源的负线后端；
第二电阻、第一电容和第一稳压二极管并联，第二电阻、第一电容和第一稳压二极管的正极和第一NMOS管的源极连接。
在本发明的可选实施例中：所述光耦延时电路包括：第三电阻、光耦、第四电阻；其中，
光耦输入端的第一端通过第三电阻与外部电源的正极相连；
光耦输入端的第二端与第一NMOS管的源极连接；
光耦输出端的第一端与外部电源的负极连接；
光耦输出端的第二端通过第四电阻(和二次电源相连。
在本发明的可选实施例中：所述时钟控制电路包括：第五电阻、第六电阻、时钟控制芯片、第七电阻；其中，
时钟控制芯片的复位端与光耦输出端的第二端电连接；
时钟控制芯片的接地端与第一NMOS管的源极连接；
时钟控制芯片的置位端通过第七电阻与输出端电连接；
时钟控制芯片的电源端与二次电源相连；
第五电阻和第六电阻串联接入二次电源和第一NMOS管的源极之间，第五电阻和第六电阻相连部分与时钟控制芯片的分压端电连接。
在本发明的可选实施例中：所述时钟控制电路还包括：第二电容，第二电容的两端接在二次电源与第一NMOS管的源极之间。
在本发明的可选实施例中：所述第二开关电路包括：第八电阻、第九电阻、三极管、第十电阻、第十一电阻、第二稳压二极管、第二NMOS管和第十二电阻；其中，
三极管的基极与第八电阻、第九电阻的一端电连接，第八电阻的另一端与时钟控制芯片输出端电连接，第九电阻的另一端与第一NMOS管的源极电连接；
三极管的集电极通过第十电阻与电源正极相连；
三极管的发射极通过第十一电阻与第一NMOS管的源极电连接；
第二稳压二极管与第十一电阻并联，其正极与第一NMOS管的源极电连接；
第二NMOS管的源极与第一NMOS管的源极电连接；
第二NMOS管的栅极与三极管的发射极相连；
第二NMOS管的漏极作为风机的用电电路的输入负极；
第十二电阻并联在第二NMOS管的漏极和源极之间。
在本发明的可选实施例中：所述第十二电阻为功率电阻。
本发明具有如下有益效果：
本发明的控制电路，采用纯硬件的方式来实现反极性及上电冲击电流保护，通过功率电阻降低冲击电流，并延时打开正常电流通路，精确控制上电保护时间，同时当供电反极性时关闭电流通路，保护母线电容等器件，避免对器件造成损坏。优点在于不需要CPU控制芯片的参与，提高响应速度，降低系统复杂程度，满足纯硬件应用条件；可以精准控制延时时间及延时触发条件，延时时间可以精确到毫秒级，最长延时时间可达几小时，能够充分且可靠的满足使用需求；同时可以实现下电保护，系统稳定性更好。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例中一种风机用上电保护电路的电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的电路针对上电时可能产生的供电反极型或上电冲击电流过大而设计的上电保护电路。本发明电路包括第一开关电路，用于连接外部电源，并通过外部电源极性第一开关管电路导通/关断；控制外接电源的断开和导通。光耦延时电路，与第一开关电路输出端电连接，用于第一开关电路导通时，对外部电源的电流进行延时，用于对外部电源的电流进行降低，从而对电路器件进行保护。时钟控制电路，与光耦延时电路输出端电连接，并生成电平信号；通过电平信号控制第二开关电路，从而控制风机上电和下电。第二开关电路，与时钟控制电路的输出端电连接，根据所述电平信号，第二开关电路导通/断路，风机上电/下电。第二开关电路的输出端为风机电路的负极输入端。
当控制器供电由于机上电力系统故障出现反极型的情况时，内部保护电路发挥作用，功率管保持断开状态，内部电路无电流通路，对控制器后极电路起到保护作用。当系统正常供电时，防反接功率管打开后，电流先流经功率电阻，为电容充电，此时冲击电流较小，延迟一定时间后，电容充电完成，且机上供电系统稳定，打开功率管，恢复正常供电，该电路实现防止上电冲击电流过大而造成其余电路失效的功能。
电路原理图如图1所示，所述上电保护电路部分包括第一NMOS管Q1、第二NMOS管Q2，功率电阻R12，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11，第一稳压二极管D1、第二稳压二极管D2，第一电容C1、第二电容C2，光电耦合器U1和时钟控制芯片U2；第一电阻R1、第二电阻R2串联接在供电正负极之间，第一电阻R1、第二电阻R2相连部分与第一NMOS管Q1栅极(G极)相连，第一NMOS管的源极(S极)和漏极(D极)串联在电源负线上，且漏极在电源负线前端(电源端)，源极在电源负线后端(用电电路端)，第一电容C1、第一稳压二极管D1与第二电阻R2并联，其正极与第一NMOS管Q1源极(S极)相连。光电耦合器U1输入端的第一端，即原边1脚通过第三电阻R3与电源正极相连，输入端的第二端，即原边2脚与第一NMOS管Q1源极(S极)相连，光电耦合器U1输出端的第一端，即副边3脚与电源负极相连，输出端的第二端，即副边4脚通过第四电阻R4与二次电源5V相连。时钟控制芯片U2的1脚(复位端)与光电耦合器U1副边4脚(输出端的第二端)；相连时钟控制芯片U2的2脚(接地端)与Q1源极(S极)相连，3脚(置位端)通过第七电阻R7与时钟控制芯片U2的6脚(输出端)相连，U2的5脚(电源端)与二次电源5V相连，第五电阻R5、第六电阻R6串联接入二次电源5V与第一NMOS管Q1源极(S极)之间，第五电阻R5、第六电阻R6相连部分与时钟控制芯片U2的4脚(分压端)相连，第二电容C2两端接在二次电源5V与第一NMOS管Q1源极(S极)之间。三极管N1的基极(B极)与第八电阻R8、第九电阻R9的一端相连，第八电阻R8的另外一端与时钟控制芯片U2的6脚(输出端)相连，第九电阻R9的另外一端与第一NMOS管Q1源极(S极)相连；三极管N1的集电极(C极)通过第十电阻R10与电源正极相连；三极管N1的发射极(E极)通过第十一电阻R11与第一NMOS管Q1源极(S极)相连，第二稳压二极管D2与第十一电阻R11并联，其正极与第一NMOS管Q1源极(S极)相连。第二NMOS管Q2的源极(S极)与第一NMOS管Q1源极(S极)相连，第二NMOS管Q2的栅极(G极)与三极管N1的发射极(E极)相连，第二NMOS管Q2的漏极(D极)作为后极用电电路的负极输出。第十二电阻R12，即功率电阻并联接在第二NMOS管Q2的漏极(D极)与源极(S极)之间。
当外部供电极性正确，第一NMOS管Q1不导通，负线上的电流流经第一NMOS管Q1的寄生二极管，形成通路，第一NMOS管Q1源极(S极)即GND与电源正极建立28V电压，R1、R2电阻对28V电压进行分压，此时Q1源极(S极)与漏极(D极)之间近似电势相等，但无法通过大电流，Q1的栅极(G极)与源极(S极)之间的电压使Q1导通。Q1导通后，源极(S极)与漏极(D极)之间近似短路，电流可正常流通。同时光耦U1原边28V电压建立，产生原边电流，使光耦副变导通，光耦副变的4脚由5V电平变为0V电平，产生下降沿，该下降沿触发时钟控制芯片U2的1脚开始延时计时，其延时精确时间由电阻R5、R6、R7的阻值决定。延时到时前，时钟控制芯片的6脚无电压输出，三极管集电极(C极)与发射极(E极)之间不导通，NMOS管Q2的栅极(G极)与源极(S极)之间无电压，源极(S极)与漏极(D极)之间近似断路，为用电系统充电的产生的电流流经功率电阻R12形成回路。在延时到时前的时间段内，系统电压产生的波动都会由于母线电容的存在，产生充放电电流，若不流经功率电阻，该电流可达上百安培，选取合适阻值的功率电阻后，上电及充放电电流会得到显著的降低，可降至1A以内，对控制器形成保护。延时到时后，电容电压稳定，此时时钟控制芯片的6脚输出高电平，三极管基极(B极)与发射极(E极)之间产生电压，使集电极(C极)与发射极(E极)导通，NMOS管Q2的栅极(G极)与源极(S极)之间建立电压，源极(S极)与漏极(D极)之间导通，将功率电阻R12短路，为电流提供正常通路，完成安全上电。
当系统下电时，二级电源5V消失，时钟控制芯片U2的6脚无电压输出，三极管集电极(C极)与发射极(E极)之间不导通，NMOS管Q2的栅极(G极)与源极(S极)之间无电压，源极(S极)与漏极(D极)之间近似断路，母线电容放电的产生的电流可以第一时间流经功率电阻R12形成放电回路。
当外部电源反极性时，Q1的寄生二极管不导通，无法形成回路，分压电阻R1、R2无电流流过，无法为Q1的G极提供电压，Q1不导通，相当于断路，反极性的电压不会加载到后极用电电路两端，对电路起到保护作用。
其中，方案中Q1、Q2为MOS管，选用其他器件如IGBT、SiC、电子继电器等也可实现该功能。方案中U2为时钟控制芯片LTC6995，其余时钟控制芯片也可实现该功能。方案中，延时触发方式采用的光耦副变4脚电平变化的方式，其余电平变化发生电路也可实现该功能。
本发明采用纯硬件的方式来实现风机控制器上电保护电路。通过电路保护极型敏感器件，同时延时短路功率电阻来限制上电瞬间冲击电流的大小，以避免器件失效，同时纯硬件的方式由于不需要CPU控制芯片的参与，显著提高了控制器的响应速度，且具有独立性，不依赖于CPU的控制指令，不易受到干扰，系统复杂度降低，故障率低；区别于RC充电的缓上电电路，该电路具有精确的延迟时间，同时可受到触发逻辑控制(START-TIMER)，不易受到环境因素影响，提高系统的稳定性，延时时间可以精确到毫秒级，最长延时时间可达几小时，延时更加灵活，能够充分且可靠的满足使用需求；并且可以实现下电保护，通过功率电阻第一时间降低下电时母线电容放电的电流大小。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种风机用上电保护电路，其特征在于，包括：
第一开关电路，用于连接外部电源，并通过外部电源极性第一开关管电路导通/关断；
光耦延时电路，与第一开关电路输出端电连接，用于第一开关电路导通时，对外部电源的电流进行延时；
时钟控制电路，与光耦延时电路输出端电连接，并生成电平信号；
第二开关电路，与时钟控制电路的输出端电连接，根据所述电平信号，第二开关电路导通/断路，风机上电/下电。
2.如权利要求1所述的一种风机用上电保护电路，其特征在于，所述第一开关电路包括：第一NMOS管(Q1)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第一电容(C1)和第一稳压二极管(D1)；其中，
第一电阻(R1)和第二电阻(R2)串联接在外部电源的供电正负极之间，第一电阻(R1)和第二电阻(R2)相连部分与第一NMOS管(Q1)栅极相连；
第一NMOS管(Q1)的源极和漏极串联在电源负线上，漏极在外部电源的负线前端，源极在外部电源的负线后端；
第二电阻(R2)、第一电容(C1)和第一稳压二极管(D1)并联，第二电阻(R2)、第一电容(C1)和第一稳压二极管(D1)的正极和第一NMOS管(Q1)的源极连接。
3.如权利要求1所述的一种风机用上电保护电路，其特征在于，所述光耦延时电路包括：第三电阻(R3)、光电耦合器(U1)、第四电阻(R4)；其中，
光电耦合器(U1)输入端的第一端通过第三电阻(R3)与外部电源的正极相连；
光电耦合器(U1)输入端的第二端与第一NMOS管(Q1)的源极连接；
光电耦合器(U1)输出端的第一端与外部电源的负极连接；
光电耦合器(U1)输出端的第二端通过第四电阻(R4)和二次电源相连。
4.如权利要求1所述的一种风机用上电保护电路，其特征在于，所述时钟控制电路包括：第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、时钟控制芯片(U2)、第七电阻(R7)；其中，
时钟控制芯片(U2)的复位端与光电耦合器(U1)输出端的第二端电连接；
时钟控制芯片(U2)的接地端与第一NMOS管(Q1)的源极连接；
时钟控制芯片(U2)的置位端通过第七电阻(R7)与输出端电连接；
时钟控制芯片(U2)的电源端与二次电源相连；
第五电阻(R5)和第六电阻(R6)串联接入二次电源和第一NMOS管(Q1)的源极之间，第五电阻(R5)和第六电阻(R6)相连部分与时钟控制芯片(U2)的分压端电连接。
5.如权利要求1所述的一种风机用上电保护电路，其特征在于，所述时钟控制电路还包括：第二电容(C2)，第二电容(C2)的两端接在二次电源与第一NMOS管(Q1)的源极之间。
6.如权利要求1所述的一种风机用上电保护电路，其特征在于，所述第二开关电路包括：第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、三极管(N1)、第十电阻(R10)、第十一电阻(R11)、第二稳压二极管(D2)、第二NMOS管(Q2)和第十二电阻(R12)；其中，
三极管(N1)的基极与第八电阻(R8)、第九电阻(R9)的一端电连接，第八电阻(R8)的另一端与时钟控制芯片(U2)输出端电连接，第九电阻(R9)的另一端与第一NMOS管(Q1)的源极电连接；
三极管(N1)的集电极通过第十电阻(R10)与电源正极相连；
三极管(N1)的发射极通过第十一电阻(R11)与第一NMOS管(Q1)的源极电连接；
第二稳压二极管(D2)与第十一电阻(R11)并联，其正极与第一NMOS管(Q1)的源极电连接；
第二NMOS管(Q2)的源极与第一NMOS管(Q1)的源极电连接；
第二NMOS管(Q2)的栅极与三极管(N1)的发射极相连；
第二NMOS管(Q2)的漏极作为风机的用电电路的输入负极；
第十二电阻(R12)并联在第二NMOS管(Q2)的漏极和源极之间。
7.如权利要求1所述的一种风机用上电保护电路，其特征在于，所述第十二电阻(R12)为功率电阻。
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