CN117595461B - 电源电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电源电路，包括相串联的电源、供电控制模块、负载以及与所述负载相并联的储能电容，所述供电控制模块包括相并联的第一供电支路、第二供电支路，所述第一供电支路具有继电器，所述第二供电支路包括相串联的预充控制电路、预充电阻，所述预充控制电路具有相连的电荷泵电路、功率开关；所述电源电路刚接通时，所述电荷泵电路先进行充电，所述功率开关为关断状态，然后所述电荷泵电路充好电后放电使所述功率开关导通从而使所述电源经由所述预充电阻给所述储能电容充电，在所述储能电容充好电后所述继电器吸合导通使所述电源给所述负载供电。本发明电源电路，具有电路结构简易、成本低、体积小、可靠性高的特点。

Description

电源电路

技术领域

本发明涉及电路设计技术领域，具体涉及一种电源电路。

背景技术

对于中低速电动车和特种工程车辆的驱动系统，动力电池与电机控制器是相连的，电机控制器中有容量较大的储能电容。如果系统上电之前储能电容处于零状态，即储能电容内没有能量，那么在电路闭合瞬间，相当于直接短路，瞬间电流会非常大，这么大的电流如不加以限制将对电池、保险丝、继电器等设备造成巨大冲击而损伤，因此电动汽车的电源系统必须加上预充电路（也有称软启动电路），减小上电时的冲击电流，保护电机控制器、电池和其他的设备器件。

目前的预充控制电路中通常会选用预充电阻与预充继电器串联的方式以对预充电路进行控制，在车辆上电后预充继电器吸合，使得预充电路导通，给储能电容充电；当储能电容预充完成后再断开预充继电器，这种控制方式成本较高，体积较大，集成度较低，且继电器存在不能有效闭合的可能性，如机械疲劳，驱动故障，负载故障等情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电源电路，采用电荷泵电路和功率开关共同构成的预充控制电路对预充电路进行控制，具有电路结构简易、成本低、体积小、可靠性高的特点，解决了现有继电器预充控制电路的成本较高、体积较大、集成度较低及继电器机械疲劳导致不能有效闭合的问题。

为达上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种电源电路，所述电源电路包括相串联的电源、供电控制模块、负载以及与所述负载相并联的储能电容，所述供电控制模块包括相并联的第一供电支路、第二供电支路，所述第一供电支路具有继电器，所述第二供电支路包括相串联的预充控制电路、预充电阻，所述预充控制电路具有相连的电荷泵电路、功率开关；所述电源电路刚接通时，所述电荷泵电路先进行充电，所述功率开关为关断状态，然后所述电荷泵电路充好电后放电使所述功率开关导通从而使所述电源经由所述预充电阻给所述储能电容充电，在所述储能电容充好电后所述继电器吸合导通使所述电源给所述负载供电。

在一实施方式中，所述电荷泵电路具有第一输入端、第一输出端、第二输出端，所述功率开关为第一晶体管，所述第一晶体管的第一端与所述电荷泵电路的第一输出端相连，所述第一晶体管的第二端与所述电源相连，所述第一晶体管的第三端与所述电荷泵电路的第二输出端相连并与所述预充电阻相连，所述电荷泵电路的第一输入端用于接收第一控制信号；所述第一控制信号在所述电源电路刚接通时为第一状态，所述电荷泵电路进行充电，所述第一输出端输出第一信号，所述第一晶体管为关断状态；持续第一时间后，所述第一控制信号切换为第二状态，所述电荷泵电路放电，所述第一输出端输出第二信号，所述第一晶体管导通，所述电源经由所述预充电阻给所述储能电容充电。

在一实施方式中，所述电荷泵电路包括第一电容、第二晶体管、第一二极管、第二二极管、第一电阻、第二电阻，所述第二电阻的第一端为所述电荷泵电路的第一输入端，所述第二电阻的第二端与所述第二晶体管的第一端相连，所述第二晶体管的第二端与地相连，所述第二晶体管的第三端为所述电荷泵电路的第一输出端并与所述第一电阻的第一端、所述第二二极管的第一端相连，所述第一电阻的第二端与所述第一二极管的第一端相连，所述第一二极管的第二端与工作电压相连，所述第一电阻的第二端还与所述第一电容的第一端相连，所述第一电容的第二端为所述电荷泵电路的第二输出端并与所述第二二极管的第二端相连。

在一实施方式中，所述供电控制模块还包括第三二极管，所述第三二极管连接于所述功率开关与所述预充电阻之间。

在一实施方式中，所述预充电阻为温敏电阻，所述温敏电阻在温度升高时电阻值就越大，在温度降低时电阻值就越小。

在一实施方式中，所述第一晶体管为NMOS，所述第一晶体管的第一端为栅极，所述第一晶体管的第二端为漏极，所述第一晶体管的第三端为源极；所述第二晶体管为三极管，所述第一晶体管的第一端为基极，所述第一晶体管的第二端为发射极，所述第一晶体管的第三端为集电极。

在一实施方式中，所述电源电路还包括控制器，所述控制器发出所述第一控制信号；所述控制器还发出第二控制信号给所述继电器，所述第二控制信号用于控制所述继电器的关断和吸合。

在一实施方式中，所述第一控制信号在第二状态持续第二时间后，切换为第一状态；所述第二控制信号在所述电源电路刚接通时为第一状态，所述继电器为关断状态，持续第三时间后，切换为第二状态，所述继电器为吸合状态，所述第三时间小于所述第一时间与所述第二时间的总和。

在一实施方式中，所述电源为动力电池，所述负载为中低速电动车或特种工程车辆的电机控制器。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明所述电源电路，采用电荷泵电路和功率开关共同构成的预充控制电路对第二供电支路（预充电路）进行控制，具有电路结构简易、成本低、体积小、可靠性高的特点，解决了现有继电器预充控制电路的成本较高、体积较大、集成度较低及继电器机械疲劳导致不能有效闭合的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施方式提供的一种电源电路的结构示意图；

图2为本发明图1中所示预充控制电路的结构示意图；

图3为本发明图1、图2所示电源电路中各控制信号的控制逻辑示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，以下实施例的描述顺序不作为对本发明实施例优选顺序的限定。且在以下实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

请结合参阅图1和图2所示，本发明第一实施方式提供一种电源电路，所述电源电路包括相串联的电源、供电控制模块、负载以及与所述负载相并联的储能电容，所述供电控制模块包括相并联的第一供电支路、第二供电支路，所述第一供电支路具有继电器，所述第二供电支路包括相串联的预充控制电路、预充电阻，所述预充控制电路具有相连的电荷泵电路、功率开关；所述电源电路刚接通时，所述电荷泵电路先进行充电，所述功率开关为关断状态，然后所述电荷泵电路充好电后放电使所述功率开关导通从而使所述电源经由所述预充电阻给所述储能电容充电，在所述储能电容充好电后所述继电器吸合导通使所述电源给所述负载供电。

在一具体实施例中，所述电源电路应用于中低速电动车或特种工程车辆的车辆控制器和电机控制器系统，所述电源为动力电池直流电源，所述负载为中低速电动车或特种工程车辆的电机控制器。在系统上电后，也即所述电源电路刚接通时，所述第一供电支路先断开（所述继电器为关断状态），先所述第二供电支路对所述储能电容进行充电，待所述储能电容充好电后，所述第一供电支路再接通（所述继电器为吸合状态）给所述负载进行供电。这样所述储能电容可以在后续工作中主要起到一个稳压的作用，当负载突然很大时（超过电源带载能力），如果没有储能电容，电源很有可能就会降压，而有储能电容的话，由于电容两端电压不能突变，所以当发生大负载时储能电容放电可以扛住，进而对整个电路起到稳定的保护作用。

但如果在系统上电前，所述储能电容内没有任何能量，那么在电路接通瞬间，相当于直接短路，瞬间电流会非常大，对电路带来安全隐患。本发明采用所述电荷泵电路与所述功率开关共同控制对所述储能电容的充电，可以使充电电流稳定，电路没有安全隐患。

请继续参阅图2所示，所述电荷泵电路具有第一输入端、第一输出端、第二输出端，所述功率开关为第一晶体管V1，所述第一晶体管V1的第一端与所述电荷泵电路的第一输出端相连，所述第一晶体管V1的第二端与所述电源相连，所述第一晶体管V1的第三端与所述电荷泵电路的第二输出端相连并与所述预充电阻R3相连，所述电荷泵电路的第一输入端用于接收第一控制信号CTRL1；所述第一控制信号CTRL1在所述电源电路刚接通时为第一状态，所述电荷泵电路进行充电，所述第一输出端输出第一信号，所述第一晶体管V1为关断状态；持续第一时间后，所述第一控制信号CTRL1切换为第二状态，所述电荷泵电路放电，所述第一输出端输出第二信号，所述第一晶体管V1导通，所述电源经由所述预充电阻R3给所述储能电容充电。

在图2中，最右边的B+为电源的正极，DC+为储能电容的一个极板（可视为是正极板），电源的负极与储能电容的另一个极板相连（可视为是负极板），相应的，图2所示具体实施例中，第一晶体管V1的第二端与电源的正极相连，预充电阻R3与储能电容的正极板相连。当然，也可变换为第一晶体管V1的第二端与电源的负极相连，预充电阻R3与储能电容的负极板相连，本领域技术人员可作适应性调整。且图2所示具体实施例中，第一晶体管V1为NMOS，所述第一晶体管V1的第一端为栅极，所述第一晶体管V1的第二端为漏极，所述第一晶体管V1的第三端为源极。在所述电源电路刚接通时，所述第一控制信号CTRL1的第一状态为高，所述第一输出端输出的第一信号为低，所述第一晶体管V1为关断状态，电源不给储能电容充电，所述电荷泵电路自己进行充电；持续第一时间后，所述第一控制信号CTRL1切换为第二状态为低，所述电荷泵电路不再充电，而是放电，所述第一输出端输出的第二信号为高，所述第一晶体管V1导通，所述电源经由所述预充电阻R3给所述储能电容充电。如此可以使储能电容充电时的电流稳定，电路没有安全隐患。

请继续参阅图2所示，在一实施方式中，所述电荷泵电路包括第一电容C1、第二晶体管V2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电阻R1、第二电阻R2，所述第二电阻R2的第一端为所述电荷泵电路的第一输入端，所述第二电阻R2的第二端与所述第二晶体管V2的第一端相连，所述第二晶体管V2的第二端与地GND相连，所述第二晶体管V2的第三端为所述电荷泵电路的第一输出端并与所述第一电阻R1的第一端、所述第二二极管D2的第一端相连，所述第一电阻R1的第二端与所述第一二极管D1的第一端相连，所述第一二极管D1的第二端与工作电压VCC相连，所述第一电阻R1的第二端还与所述第一电容C1的第一端相连，所述第一电容C1的第二端为所述电荷泵电路的第二输出端并与所述第二二极管D2的第二端相连。

图2所示具体实施例中，所述工作电压VCC由系统另行提供，比如另外的电压供电电路。所述第二晶体管V2为三极管，所述第二晶体管V2的第一端为基极，所述第二晶体管V2的第二端为发射极，所述第二晶体管V2的第三端为集电极。请结合参阅图2、图3所示，在系统上电后一段时间，所述第一控制信号CTRL1拉高，也即所述电源电路刚接通时；至于系统上电后多长时间所述第一控制信号CTRL1拉高，本领域技术人员可以根据实际情况进行设置。如此，在所述电源电路刚接通时，所述第一控制信号CTRL1的第一状态为高，所述第二晶体管V2导通，所述第二晶体管V2的第三端集电极即为低，所以所述第一输出端输出的第一信号为低，而此时所述第一二极管D1、第一电容C1、第二二极管D2、第二晶体管V2形成导电通路，所述第一电容C1进行充电，即所述电荷泵电路进行充电；持续第一时间后，所述第一控制信号CTRL1切换为第二状态为低，所述第二晶体管V2关断，所述第二晶体管V2的第三端集电极不再为低，所述第一晶体管V1导通，而且此时前述所述第一二极管D1、第一电容C1、第二二极管D2、第二晶体管V2形成的导电通路不再能继续，而电容两极板间的电压不能瞬间突变，所以所述第一电容C1进行放电，通过所述第一电阻R1对所述第一晶体管V1的第一端进行放电，即所述电荷泵电路不再充电，而是放电，也即使得所述第一输出端输出的第二信号为高。而且此时，所述第一电容C1、第一电阻R1、第一晶体管V1（第一端栅极和第三端源极）形成导电通路，在所述第一电容C1持续放电的过程中，第一晶体管V1的第一端栅极电压始终高于第一晶体管V1的第三端源极电压（电荷泵的第二输出端），保证所述第一晶体管V1持续导通，保证所述电源持续稳定给所述储能电容充电，第二二极管D2此时则用于保护第一晶体管V1的Vgs。所述第二二极管D2可采用稳压管。

请继续参阅图2所示，在一实施方式中，所述供电控制模块还包括第三二极管D3，所述第三二极管D3连接于所述功率开关与所述预充电阻R3之间，可以防止电流倒灌。在图2所示具体实施例中，所述第三二极管D3的正极与所述第一晶体管V1的第三端相连，所述第三二极管D3的负极与所述预充电阻R3相连。在其他实施方式中（例如前面所述实施方式中），也可以没有所述第三二极管D3。

请继续参阅图2所示，在一实施方式中，所述预充电阻R3为温敏电阻，所述温敏电阻在温度升高时电阻值就越大，在温度降低时电阻值就越小。如此，可以防止电路接通瞬间的浪涌电流。当然，在其他实施方式中，所述预充电阻R3也可以是采用普通定值电阻。

请再结合参阅图1和图2所示，在一实施方式中，所述电源电路还包括控制器，所述控制器发出所述第一控制信号CTRL1；所述控制器还发出第二控制信号CTRL2给所述继电器，所述第二控制信号CTRL2用于控制所述继电器的关断和吸合。在具体实施例中，所述控制器即可为前述中低速电动车或特种工程车辆的车辆控制器。而且，如前所述，所述继电器是后来才变为吸合状态，亦即其在电路刚接通时为关断状态，而这状态的切换则是通过所述控制器发出的第二控制信号CTRL2来实现。

而且，请结合参阅图1、图2和图3所示，在一实施方式中，所述第一控制信号CTRL1在第二状态持续第二时间后，切换为第一状态；所述第二控制信号CTRL2在所述电源电路刚接通时为第一状态，所述继电器为关断状态，持续第三时间后，切换为第二状态，所述继电器为吸合状态，所述第三时间小于所述第一时间与所述第二时间的总和。因为继电器切换为吸合状态让电源对负载供电时，储能电容已充好（满），不能再继续充电，所以需要在继电器切换为吸合状态（第二控制信号CTRL2由第一状态切换为第二状态时）后一些时间，第一控制信号CTRL1由第二状态切换为第一状态，以让功率开关（第一晶体管V1）关断，以停止电源对储能电容的充电。然后就此持续工作，直到系统断电，所有信号归为低，在此过程中，虽然所述第一电容C1实际上在持续充电，但因为所述第一电阻R1实际上也在持续进行放电，而且功耗极小，所以对电路没有任何影响。在图2和图3所示具体实施例中，第一控制信号CTRL1的第一状态为高，第二状态为低；第一控制信号CTRL2的第一状态为低，第二状态为高；电荷泵的第一输出端输出的第一信号为低，第二信号为高，本领域技术人员也可以作相应的调整。而前述各时间的多少也是预先根据所应用场景的功率需求、储能电容的大小等因素计算出来进行设定的。下面以一具体应用例进行说明。

对于预充电阻R3：

针对不同功率的车辆，所需的储能电容也不同，需要选取不同预充电阻，如果预充电阻选用温敏电阻的话，应根据母线电压及储能电容的大小来决定，一般要满足以下要求：

所选预充电阻最大承受电压>1.25*母线电压；

所选预充电阻最大耐容量>储能电容容量，即

；

C：储能电容容量；

Tc：温敏电阻居里温度；

Ta, max：预期的最高环境温度；

Cth：热容量，由预充电阻的直径决定；

V：储能电容两端最高充电电压；

在储能电容与预充电阻确定后，如果按最严苛的工况，即储能电容上的初始电压为0V来计算，就可以算出储能电容充电至最终预充完成所需的预充时间t1，计算公式如下：

；

Vu：储能电容最终可充到或放到的电压值；

Vt：t时刻电容上的电压值；

R：预充电阻阻值；

C：储能电容容量；

对于第一晶体管V1和第三二极管D3：

第一晶体管V1可针对不同母线电压，选取不同耐压的N-MOSFET，譬如48V、72V、96V系统，可分别选择75V、100V、150V耐压的MOSFET。

由于预充电流一般小于1A，所以可以选取2A~3A，100V~200V的超快速二极管作为第三二极管D3。

对于电荷泵电路：

电荷泵电路主要由D1，C1，R1，D2和V2组成。

由于电荷泵电路在打开第一晶体管V1后，第一电容C1两端的电压会有一个电池电压的偏置，所以对于第一二极管D1和第二晶体管V2的选型则需要高耐压的属性，具体的耐压需要大于母线电压。

第二二极管D2一般选择15V~16V左右的稳压管，一方面提供电荷泵电路充电的回路，另一方面用于保护第一晶体管V1的Vgs。

当第一控制信号CTRL1被拉高时，第二晶体管V2导通，电荷泵电路开始充电，由工作电压VCC通过第一二极管D1给第一电容C1充电，工作电压VCC的供电一般要比第一晶体管V1的栅极开通电压Vth要大2-3倍，以保证放电时有足够的电压维持第一晶体管V1的开通。

当第一控制信号CTRL1被拉低时，第二晶体管V2关断，电荷泵电路开始向第一晶体管V1的栅极放电，第一电容C1上的电荷持续流向第一晶体管V1的栅极，第一电容C1两端电压从初始的工作电压VCC逐渐减低，直至无法维持第一晶体管V1的有效开通电压Vth，这段时间记为t2，最后第一晶体管V1的有效开通时间t2（此即前述第二时间）一定要大于储能电容所需的预充时间t1，才能确保预充的完成。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明所述电源电路，采用电荷泵电路和功率开关共同构成的预充控制电路对第二供电支路（预充电路）进行控制，具有电路结构简易、成本低、体积小、可靠性高的特点，解决了现有继电器预充控制电路的成本较高、体积较大、集成度较低及继电器机械疲劳导致不能有效闭合的问题。

而且电荷泵电路也是采用简单的分立式元器件构成，结构简易、成本低、体积小。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。此外，说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种电源电路，其特征在于，所述电源电路包括相串联的电源、供电控制模块、负载以及与所述负载相并联的储能电容，所述供电控制模块包括相并联的第一供电支路、第二供电支路，所述第一供电支路具有继电器，所述第二供电支路包括相串联的预充控制电路、预充电阻，所述预充控制电路具有相连的电荷泵电路、功率开关；所述电源电路刚接通时，所述电荷泵电路先进行充电，所述功率开关为关断状态，然后所述电荷泵电路充好电后放电使所述功率开关导通从而使所述电源经由所述预充电阻给所述储能电容充电，在所述储能电容充好电后所述继电器吸合导通使所述电源给所述负载供电；

所述电荷泵电路具有第一输入端、第一输出端、第二输出端，所述功率开关为第一晶体管，所述第一晶体管的第一端与所述电荷泵电路的第一输出端相连，所述第一晶体管的第二端与所述电源相连，所述第一晶体管的第三端与所述电荷泵电路的第二输出端相连并与所述预充电阻相连，所述电荷泵电路的第一输入端用于接收第一控制信号；所述第一控制信号在所述电源电路刚接通时为第一状态，所述电荷泵电路进行充电，所述第一输出端输出第一信号，所述第一晶体管为关断状态；持续第一时间后，所述第一控制信号切换为第二状态，所述电荷泵电路放电，所述第一输出端输出第二信号，所述第一晶体管导通，所述电源经由所述预充电阻给所述储能电容充电；

所述电荷泵电路包括第一电容、第二晶体管、第一二极管、第二二极管、第一电阻、第二电阻，所述第二电阻的第一端为所述电荷泵电路的第一输入端，所述第二电阻的第二端与所述第二晶体管的第一端相连，所述第二晶体管的第二端与地相连，所述第二晶体管的第三端为所述电荷泵电路的第一输出端并与所述第一电阻的第一端、所述第二二极管的第一端相连，所述第一电阻的第二端与所述第一二极管的第一端相连，所述第一二极管的第二端与工作电压相连，所述第一电阻的第二端还与所述第一电容的第一端相连，所述第一电容的第二端为所述电荷泵电路的第二输出端并与所述第二二极管的第二端相连。

2.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于，所述供电控制模块还包括第三二极管，所述第三二极管连接于所述功率开关与所述预充电阻之间。

3.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于，所述预充电阻为温敏电阻，所述温敏电阻在温度升高时电阻值就越大，在温度降低时电阻值就越小。

4.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于，所述第一晶体管为NMOS，所述第一晶体管的第一端为栅极，所述第一晶体管的第二端为漏极，所述第一晶体管的第三端为源极；所述第二晶体管为三极管，所述第一晶体管的第一端为基极，所述第一晶体管的第二端为发射极，所述第一晶体管的第三端为集电极。

5.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于，所述电源电路还包括控制器，所述控制器发出所述第一控制信号；所述控制器还发出第二控制信号给所述继电器，所述第二控制信号用于控制所述继电器的关断和吸合。

6.根据权利要求5所述的电源电路，其特征在于，所述第一控制信号在第二状态持续第二时间后，切换为第一状态；所述第二控制信号在所述电源电路刚接通时为第一状态，所述继电器为关断状态，持续第三时间后，切换为第二状态，所述继电器为吸合状态，所述第三时间小于所述第一时间与所述第二时间的总和。

7.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于，所述电源为动力电池，所述负载为中低速电动车或特种工程车辆的电机控制器。