CN117200771B - 一种应用于智能直流计量及控制设备的电源开关电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电源开关技术领域，公开了一种应用于智能直流计量及控制设备的电源开关电路，其技术方案包括：开机预充电模块，用于电源开关电路开启时上电预充，防止容性负载大导致的过流或者短路情况；稳态载流模块，用于实现预充到阈值电压后，硬件自动实现闭合，实现稳态载流，以及当发生过流或者短路时，硬件的关断保护；关断模块，用于实现电源开关的关断。本发明通过预充电回路的电阻实现限流，可以实现MOS的两个规格相同，易于选型；实现主MOS开启时，投入无涌流冲击问题；输出存在短路时，电源开关电路会实现硬件的过流关断，保证MOS管的安全性。

Description

一种应用于智能直流计量及控制设备的电源开关电路

技术领域

本发明涉及电源开关技术领域，尤其涉及一种应用于智能直流计量及控制设备的电源开关电路。

背景技术

为做好电费精准计量包干落地工作，中国铁塔公司在对各省精准计量需求充分调研的基础上，于2023 年组织编制了智能直流计量及控制设备的技术标准。为满足其直流电能计量、通断控制、无线数据回传、显示和按键等功能，需要一种智能直流计量及控制设备。

为满足实际情况的需要，该智能直流计量及控制设备需要一种更加稳定和安全的电源开关电路。作为设备开关电路，市场常用的一种电源开关电路（参照专利文献CN100527576C）具有电源通断控制，并且具有抑制容性负载接通时冲击电流的功能。

该专利文献记载的发明的电源开关电路通过以下方法来达成上述目的：被连接在电源和负载之间，进行导通/截止动作，从而完成该电源对该负载的供给/供给停止工作。导通电阻大的MOS晶体管和导通电阻小的MOS晶体管被并联连接，在电源接通时，将所述导通电阻大的MOS晶体管导通后，在经过规定时间后，使所述导通电阻小的MOS晶体管导通。

但是，该方案存在以下问题：1、该发明利用导通阻抗大的MOS管实现预充电，当容性负载较大或者电压比较高时，充电时间会较长，需要导通阻抗大的MOS功率会非常大，体积也会很大，并且MOS会存在发热严重问题。2、电源开关电路后级根据负载情况不同，需要设置的不同的开启时间，需要另外的电路来进行主MOS管投入时间的控制，兼容性较差。3、该方案没有进行输出的短路保护，当输出存在短路情况时，会存在MOS管烧坏问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种应用于智能直流计量及控制设备的电源开关电路。通过预充电回路的电阻实现限流；输出存在短路后，电源开关电路会实现硬件的过流关断，保证MOS管的安全性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种应用于智能直流计量及控制设备的电源开关电路，包括：

开机预充电模块，用于电源开关电路开启时上电预充，防止容性负载大导致的过流或者短路情况。

稳态载流模块，用于实现预充到阈值电压后，硬件自动实现闭合，实现稳态载流，以及当发生过流或者短路时，硬件的关断保护；

关断模块，用于实现电源开关的主动关断。

所述开机预充电模块，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第十二电阻R12、第一电容C1、第二电容C2、第一信号NMOS管VT1、第一载流PMOS管VT2。

所述第二电阻R2与第一电容C1并联，并联后一端与第一信号NMOS管VT1的源极一同接地，另一端与第一电阻R1一同接第一信号NMOS管VT1的栅极；电阻R1的另一端接MCU端的控制信号POWER_ON；所述第三电阻一端接第一信号NMOS管VT1的漏极，另一端接第一载流PMOS管VT2的栅极；第四电阻与第二电容并联，并联后一端接第一信号NMOS管VT1的漏极，另一端与第一载流PMOS管VT2的源极一同接电源Vin，第一载流PMOS管VT2的漏极与第十二电阻R12的一端连接。

所述稳态载流模块，包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9，第三电容C3，第二载流PMOS管VT3，第二信号NMOS管VT4，电压监控芯片U1。

所述第十二电阻R12的一端与第二载流PMOS管VT3的漏极连接，第二载流PMOS管VT3的源极电源Vin，第三电容C3与第五电阻R5并联在第二载流PMOS管VT3的源极与栅极之间。

所述第二载流PMOS管VT3的栅极通过第七电阻R7与第二信号NMOS管VT4的漏极连接，第二信号NMOS管VT4的源极接地，第六电阻R6接在第二信号NMOS管VT4的源极与栅极之间。

所述第八电阻R8与第九电阻R9串联，第八电阻R8的另一端接第二载流PMOS管VT3的漏极，第九电阻R9的另一端接地；电压监控芯片U1的一端接在第八电阻R8与第九电阻R9之间，另一端接第二信号NMOS管VT4的栅极。

所述关断模块，包括第十电阻R10、第十一电阻R11、第三信号NMOS管VT5。

第三信号NMOS管VT5的漏极接在第八电阻R8与第九电阻R9之间，第三信号NMOS管VT5的栅极接第十电阻R10和第十一电阻R11，第三信号NMOS管VT5的源极接地，第十电阻R10另一端接地，第十一电阻R11的另一端接MCU端的控制信号POWER_OFF。

进一步地，所述第二载流PMOS管VT3的漏极作为输出Vout，负载接在Vout与地之间。

进一步地，所述第一信号NMOS管VT1作为预充电的开关信号MOS。

进一步地，所述第一载流PMOS管VT2作为预充电的载流MOS。

进一步地，所述第二载流PMOS管VT3作为稳态载流MOS。

进一步地，所述第二信号NMOS管VT4作为闭合的信号MOS。

进一步地，所述第三信号NMOS管VT5作为关断预充电的信号MOS。

进一步地，所述电压监控芯片U1，当电压达到电压监控芯片设定阈值时输出高电平。

本发明的有益技术效果：

1、针对容性负载较大或者电容高时，预充时间较长带来的MOS选型问题，通过预充电回路的电阻实现限流，可以实现MOS的两个规格相同，选型方便。

2、通过对输出电压的硬件判断，来实现主通道电路的输出电压达到设定值后，硬件自动开启，确保主MOS开启时，投入涌流无问题。

3、当主MOS开启，预充电MOS关断后，若输出存在短路问题，电源开关电路会实现硬件的过流关断，保证MOS管的安全性。

附图说明

图1为本发明实施例一种应用于智能直流计量及控制设备的电源开关电路的电路图。

图2为本发明实施例一种应用于智能直流计量及控制设备的电源开关电路的实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。

实施例：如图1所示的一种应用于智能直流计量及控制设备的电源开关电路的电路图，包括：

开机预充电模块，用于电源开关电路开启时上电预充，防止容性负载大导致的过流或者短路情况。稳态载流模块，用于实现预充到阈值电压后，硬件自动实现闭合，实现稳态载流，以及当发生过流或者短路时，硬件的关断保护。关断模块，用于实现电源开关的主动关断。

所述开机预充电模块，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第十二电阻R12、第一电容C1、第二电容C2、第一信号NMOS管VT1、第一载流PMOS管VT2。所述第二电阻R2与第一电容C1并联，并联后一端与第一信号NMOS管VT1的源极一同接地，另一端与第一电阻R1一同接第一信号NMOS管VT1的栅极；电阻R1的另一端接MCU端的控制信号POWER_ON；所述第三电阻一端接第一信号NMOS管VT1的漏极，另一端接第一载流PMOS管VT2的栅极；第四电阻与第二电容并联，并联后一端接第一信号NMOS管VT1的漏极，另一端与第一载流PMOS管VT2的源极一同接电源Vin，第一载流PMOS管VT2的漏极与第十二电阻R12的一端连接。

所述稳态载流模块，包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9，第三电容C3，第二载流PMOS管VT3，第二信号NMOS管VT4，电压监控芯片U1。所述第十二电阻R12的一端与第二载流PMOS管VT3的漏极连接，第二载流PMOS管VT3的源极电源Vin，第三电容C3与第五电阻R5并联在第二载流PMOS管VT3的源极与栅极之间。所述第二载流PMOS管VT3的栅极通过第七电阻R7与第二信号NMOS管VT4的漏极连接，第二信号NMOS管VT4的源极接地，第六电阻R6接在第二信号NMOS管VT4的源极与栅极之间。所述第八电阻R8与第九电阻R9串联，第八电阻R8的另一端接第二载流PMOS管VT3的漏极，第九电阻R9的另一端接地；电压监控芯片U1的一端接在第八电阻R8与第九电阻R9之间，另一端接第二信号NMOS管VT4的栅极。

所述关断模块，包括第十电阻R10、第十一电阻R11、第三信号NMOS管VT5。第三信号NMOS管VT5的漏极接在第八电阻R8与第九电阻R9之间，第三信号NMOS管VT5的栅极接第十电阻R10和第十一电阻R11，第三信号NMOS管VT5的源极接地，第十电阻R10另一端接地，第十一电阻R11的另一端接MCU端的控制信号POWER_OFF。

如图2所示的一种应用于智能直流计量及控制设备的电源开关电路的实现流程图，具体工作过程如下：

当电源开关需要开启时，通过MCU对POWER_ON进行信号拉高，第一信号NMOS管VT1会进行导通，通过限流电阻R1对负载进行充电。

当输出端口的V_OUT达到设定电压后（设定电压比输入电压低1V），电压监控芯片U1会导通并输出高电平，第一载流PMOS管VT2导通，实现正常载流输出。

对MCU管脚POWER_ON进行拉低，关断预充电MOS管VT2。

当输出短路时，Vout电压会快速掉到设定的电压监控芯片U1的电压以下，从而电压监控芯片会拉通，第一载流PMOS管VT2关断，切断负载，实现短路保护。

所述电压监控芯片U1对输出电压监控，实现对主通道电路的输出电压达到设定值后硬件自动开启，确保第二载流PMOS管VT3开启时，投入涌流无问题，无需根据负载不同进行不同控制。

上述中，当第二载流PMOS管VT3开启，预充电MOS管VT2关断后，若输出存在短路，电源开关电路会实现硬件的过流关断，保证全部MOS管的安全性。

上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种应用于智能直流计量及控制设备的电源开关电路，其特征在于，包括：

开机预充电模块，用于电源开关电路开启时上电预充，防止容性负载大导致的过流或者短路情况；

所述开机预充电模块，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第十二电阻R12、第一电容C1、第二电容C2、第一信号NMOS管VT1、第一载流PMOS管VT2；

所述第二电阻R2与第一电容C1并联，并联后一端与第一信号NMOS管VT1的源极一同接地，另一端与第一电阻R1一同接第一信号NMOS管VT1的栅极；电阻R1的另一端接MCU端的控制信号POWER_ON；所述第三电阻一端接第一信号NMOS管VT1的漏极，另一端接第一载流PMOS管VT2的栅极；第四电阻与第二电容并联，并联后一端接第一信号NMOS管VT1的漏极，另一端与第一载流PMOS管VT2的源极一同接电源Vin，第一载流PMOS管VT2的漏极与第十二电阻R12的一端连接；

稳态载流模块，用于实现预充到阈值电压后，硬件自动实现闭合，实现稳态载流，以及当发生过流或者短路时，硬件的关断保护；

关断模块，用于实现电源开关的主动关断。

2.根据权利要求1所述的一种应用于智能直流计量及控制设备的电源开关电路，其特征在于，所述稳态载流模块，包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9，第三电容C3，第二载流PMOS管VT3，第二信号NMOS管VT4，电压监控芯片U1；

所述第十二电阻R12的一端与第二载流PMOS管VT3的漏极连接，第二载流PMOS管VT3的源极电源Vin，第三电容C3与第五电阻R5并联在第二载流PMOS管VT3的源极与栅极之间；

所述第二载流PMOS管VT3的栅极通过第七电阻R7与第二信号NMOS管VT4的漏极连接，第二信号NMOS管VT4的源极接地，第六电阻R6接在第二信号NMOS管VT4的源极与栅极之间；

所述第八电阻R8与第九电阻R9串联，第八电阻R8的另一端接第二载流PMOS管VT3的漏极，第九电阻R9的另一端接地；电压监控芯片U1的一端接在第八电阻R8与第九电阻R9之间，另一端接第二信号NMOS管VT4的栅极。

3.根据权利要求1所述的一种应用于智能直流计量及控制设备的电源开关电路，其特征在于，所述关断模块，包括第十电阻R10、第十一电阻R11、第三信号NMOS管VT5；

第三信号NMOS管VT5的漏极接在第八电阻R8与第九电阻R9之间，第三信号NMOS管VT5的栅极接第十电阻R10和第十一电阻R11，第三信号NMOS管VT5的源极接地，第十电阻R10另一端接地，第十一电阻R11的另一端接MCU端的控制信号POWER_OF。

4.根据权利要求2所述的一种应用于智能直流计量及控制设备的电源开关电路，其特征在于，所述第二载流PMOS管VT3的漏极作为输出Vout，负载接在Vout与地之间。

5.根据权利要求1所述的一种应用于智能直流计量及控制设备的电源开关电路，其特征在于，所述第一信号NMOS管VT1作为预充电的开关信号MOS；所述第一载流PMOS管VT2作为预充电的载流MOS。

6.根据权利要求2所述的一种应用于智能直流计量及控制设备的电源开关电路，其特征在于，所述第二载流PMOS管VT3作为稳态载流MOS；所述第二信号NMOS管VT4作为闭合的信号MOS。

7.根据权利要求2所述的一种应用于智能直流计量及控制设备的电源开关电路，其特征在于，所述电压监控芯片U1，当电压达到电压监控芯片设定阈值时输出高电平。

8.根据权利要求3所述的一种应用于智能直流计量及控制设备的电源开关电路，其特征在于，所述第三信号NMOS管VT5作为关断预充电的信号MOS。