CN209001667U - 冗余电源切换装置 - Google Patents

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CN209001667U CN201822052058.7U CN201822052058U CN209001667U CN 209001667 U CN209001667 U CN 209001667U CN 201822052058 U CN201822052058 U CN 201822052058U CN 209001667 U CN209001667 U CN 209001667U
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Abstract

本实用新型公开了一种冗余电源切换装置,包括电源监测模块、逻辑判断处理模块、线路切换模块和电源模块;电源监测模块用于监测主供电线路和备用供电线路的电压,该电源监测模块分别与主供电线路和备用供电线路连接;逻辑判断处理模块分别与电源监测模块和线路切换模块连接;线路切换模块用于控制主供电线路和备用供电线路的导通和截止,该线路切换模块分别与主供电线路、备用供电线路和用电负载连接;电源模块分别与电源监测模块、逻辑判断处理模块和线路切换模块连接。本实用新型能够对双直流电源供电系统进行供电监控,当主供电线路出现异常时,自动切换至备用供电线路进行供电,以保障用电负载不断电连续工作。

Description

冗余电源切换装置
技术领域
本实用新型属于发动机技术领域,具体涉及一种冗余电源切换装置。
背景技术
双直流电源供电系统包括主供电线路和备用供电线路,默认由主供电线路对用电负载进行供电,当主供电线路出现异常时,启用备用供电线路对用电负载进行供电。
现有切换方式有:
(1)采用双二极管结构进行供电冗余切换,但这种方式无法实现根据用户设定过压欠压阈值快速判断供电系统过压欠压故障,并执行自动切换的功能;
(2)采用程序控制进行供电冗余切换,但这种方式需要进行程序编写,且电路结构相对较复杂;
(3)采用机械弹片式继电器进行供电冗余切换,但这种方式存在切换速度较慢的问题。
因此,有必要开发一种冗余电源切换装置。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种冗余电源切换装置,能对双直流电源供电系统进行供电监控,当主供电线路出现异常时,自动切换至备用供电线路进行供电,以保障用电负载不断电连续工作。
本实用新型所述的冗余电源切换装置,包括电源监测模块、逻辑判断处理模块、线路切换模块和电源模块;
所述电源监测模块用于监测主供电线路和备用供电线路的电压,该电源监测模块分别与主供电线路和备用供电线路连接;
所述逻辑判断处理模块基于电源监测模块的监测结果控制线路切换模块进行线路切换,该逻辑判断处理模块分别与电源监测模块和线路切换模块连接;
所述线路切换模块用于控制主供电线路和备用供电线路的导通和截止,该线路切换模块分别与主供电线路、备用供电线路和用电负载连接;
所述电源模块分别与电源监测模块、逻辑判断处理模块和线路切换模块连接,为各模块供电。
进一步,所述电源模块包括电源芯片U1和电源芯片U2, 其中,电源芯片U1用于产生装置所需的主工作电压5V,电源芯片U2用于产生比较器参考电压5V。
进一步,所述电源模块还包括电容C1~电容C5、电阻R1~电阻R3、二极管D1、二极管D2和电感L1,电源芯片U1的7脚接电源,电源芯片U1的1脚经电容C1与电源芯片U1的8脚连接,电容C1与电源芯片U1的8脚的连接点经二极管D1接地,电源芯片U1的8脚还依次经电感L1、电阻R1、电阻R2和电阻R3后接地,电阻R1和电阻R2的连接点与电源芯片U1的4脚连接,电容C2的一端与电感L1和电容C2的连接点连接,电容C2的另一端接地,电容C3与电容C2并联,二极管D2与电容C3并联。电源芯片U2的1脚接电源,电源芯片U2的3脚经电容C4接地,电容C5与电容C4并联。
进一步,所述电源监测模块包括比较器U3、电容C6和电阻R4~电阻R19 ;
比较器U3的1脚与电阻R11的一端连接,电阻R11的另一端与电源模块连接;比较器U3的2脚与电阻R10的一端连接,电阻R10的另一端与电源模块连接;比较器U3的3脚经电容C6后接地;电阻R4的一端与主供电线路连接,电阻R4的另一端经电阻R5接地,电阻R4和电阻R5的连接点与比较器U3的4脚连接。电阻R6的一端与主供电线路连接,电阻R6的另一端经电阻R7接地,电阻R6和电阻R7的连接点经电阻R8、电阻R9、电阻R11与电源模块连接;电阻R8和电阻R9的连接点与比较器U3的7脚连接。
所述比较器U3的13脚与电阻R13的一端连接,电阻R13的另一端与电源模块连接;比较器U3的14脚与电阻R12的一端连接,电阻R12的另一端与电源模块连接;电阻R16的一端与备用供电线路连接,电阻R16的另一端经电阻R17接地,电阻R16和电阻R17的连接点与比较器U3的8脚连接。电阻R18的一端与备用供电线路连接,电阻R18的另一端经电阻R19接地,电阻R18和电阻R19的连接点经电阻R15、电阻R14、电阻R13与电源模块连接,电阻R15和电阻R14的连接点与比较器U3的11脚连接,比较器U3的12脚接地。
进一步,所述逻辑判断处理模块包括四路逻辑与门U4、电容C7、电阻R20、电阻R21和三极管Q1;四路逻辑与门U4的1脚与比较器U3的2脚连接,四路逻辑与门U4的2脚与比较器U3的1脚连接,四路逻辑与门U4的4脚与比较器U3的14脚连接,四路逻辑与门U4的5脚与比较器U3的13脚连接,四路逻辑与门U4的3脚经电阻R20与三极管Q1的基极连接,三极管Q1的集电极经电阻R21与电源模块连接,三极管Q1的集电极还与四路逻辑与门U4的9脚连接,四路逻辑与门U4的6脚与四路逻辑与门U4的10脚连接,四路逻辑与门U4的14脚经电容C7后接地。
进一步,所述线路切换模块包括MOSFET驱动芯片U5、MOSFET驱动芯片U6、电阻R22~电阻R33、电容C8~电容C11、MOSFET管Q2~MOSFET管Q5、二极管D3和二极管D4;
所述MOSFET驱动芯片U5的3脚经电阻R23与电源模块连接,MOSFET驱动芯片U5的4脚经电阻R22与四路逻辑与门U4的3脚连接,MOSFET驱动芯片U5的2脚经电容C8接地,MOSFET驱动芯片U5的8脚依次经电容C9、二极管D3、电阻R24后与MOSFET驱动芯片U5的6脚连接,二极管D3与电阻R24的连接点经电阻R27与主供电线路的输出端连接,电阻R27与电阻R24的连接点与MOSFET管Q2的漏极连接,MOSFET管Q2的源极与MOSFET管Q3的源极连接,MOSFET管Q3的漏极接用电负载,MOSFET管Q2的栅极经电阻R25、电阻R26与MOSFET管Q3的栅极连接,电阻R25和电阻R26的连接点与MOSFET驱动芯片U5的5脚连接;
所述MOSFET驱动芯片U6的3脚经电阻R28与电源模块连接,MOSFET驱动芯片U6的4脚经电阻R29与四路逻辑与门U4的8脚连接,MOSFET驱动芯片U6的2脚经电容C10接地,MOSFET驱动芯片U6的8脚依次经电容C11、二极管D4、电阻R30后与MOSFET驱动芯片U6的6脚连接,二极管D4与电阻R30的连接点经电阻R33与备用供电线路的输出端连接,电阻R33与电阻R30的连接点与MOSFET管Q4的漏极连接,MOSFET管Q4的源极与MOSFET管Q5的源极连接,MOSFET管Q5的漏极接用电负载,MOSFET管Q4的栅极经电阻R31、电阻R32与MOSFET管Q5的栅极连接,电阻R31和电阻R32的连接点与MOSFET驱动芯片U6的5脚连接。
进一步,所述电源芯片U1的型号为TPS5430;所述电源芯片U2的型号为TLE42744。
进一步,所述比较器U3的型号为LMV339。
进一步,所述四路逻辑与门U4的型号为74HC08。
进一步,所述MOSFET驱动芯片U5和MOSFET驱动芯片U6的型号为LT1910。
本实用新型具有以下优点:
(1)本装置用于对双直流电源供电系统进行供电监控,当主供电线路出现过压或欠压时,自动切换至备用供电线路进行供电,保障了用电负载不断电连续工作,同时也能够对用电负载提供过压和欠压保护;
(2)本装置采用逻辑判断处理电路对两路供电线路进行供电电压监控;相比较采用双二极管结构进行供电冗余切换的模块,该装置能够根据用户设定过压欠压阈值快速判断供电系统过压欠压故障,并执行自动切换,对用电负载提供过压欠压保护功能;相比较采用程序控制进行供电冗余切换的模块,该装置的电路简单,无需进行程序编写;
(3)本装置采用比较器滞回区间技术进行切换点逻辑判断,相比较传统比较器逻辑判断技术,该装置能够减少切换信号在切换点附近产生的振荡现象,提高了系统工作稳定性。
(4)本装置采用“背靠背”双MOSFET进行供电线路切换,相比传统的机械弹片式继电器切换结构,具备更快的切换速度;相比传统的双二极管切换结构,驱动大电流负载时发热量更小,有利于提高系统稳定性。
附图说明
图1为本实用新型的原理框图;
图2为本实用新型中电源模块的电路图;
图3为本实用新型中电源监测模块的电路图;
图4为本实用新型中逻辑判断处理模块的电路图;
图5为本实用新型中线路切换模块的电路图;
图中:1、电源监测模块,2、逻辑判断处理模块,3、线路切换模块,4、电源模块。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
如图1所示,一种冗余电源切换装置,包括电源监测模块1、逻辑判断处理模块2、线路切换模块3和电源模块4。所述电源监测模块1用于监测主供电线路和备用供电线路的电压,该电源监测模块1分别与主供电线路和备用供电线路连接。所述逻辑判断处理模块2基于电源监测模块1的监测结果控制线路切换模块3进行线路切换,该逻辑判断处理模块2分别与电源监测模块1和线路切换模块3连接。所述线路切换模块3用于控制主供电线路和备用供电线路的导通和截止,该线路切换模块3分别与主供电线路、备用供电线路和用电负载连接。所述电源模块4分别与电源监测模块1、逻辑判断处理模块2和线路切换模块3连接,为各模块供电。
如图2所示,本实例中的电源模块4包括电源芯片U1(比如:TPS5430)和电源芯片U2(比如:TLE42744), 其中,电源芯片U1用于产生装置所需的主工作电压5V,电源芯片U2用于产生比较器参考电压5V。电源模块4还包括电容C1~电容C5、电阻R1~电阻R3、二极管D1、二极管D2和电感L1,以上各元器件的连接关系如下:电源芯片U1的7脚接电源(Power),电源芯片U1的1脚经电容C1与电源芯片U1的8脚连接,电容C1与电源芯片U1的8脚的连接点经二极管D1接地,电源芯片U1的8脚还依次经电感L1、电阻R1、电阻R2和电阻R3后接地,电阻R1和电阻R2的连接点与电源芯片U1的4脚连接,电容C2的一端与电感L1和电容C2的连接点连接,电容C2的另一端接地,电容C3与电容C2并联,二极管D2与电容C3并联。电源芯片U2的1脚接电源(Power),电源芯片U2的3脚经电容C4接地,电容C5与电容C4并联。
本实施例中,电源芯片U1通过配置外围电阻R1、电阻R2、电阻R3输出5V电压,以供其他模块进行工作。此外,为了提高比较器U3的工作精度,采用电源芯片U2为之提供5V参考电压。
如图3所示,本实施例中,电源监测模块1包括比较器U3(LMV339)、电容C6和电阻R4~电阻R19 ,以上各元器件的连接关系如下:
比较器U3的1脚与电阻R11的一端连接,电阻R11的另一端与电源模块4连接;比较器U3的2脚与电阻R10的一端连接,电阻R10的另一端与电源模块4连接;比较器U3的3脚经电容C6后接地;电阻R4的一端与主供电线路(Main)连接,电阻R4的另一端经电阻R5接地,电阻R4和电阻R5的连接点与比较器U3的4脚连接。电阻R6的一端与主供电线路(Main)连接,电阻R6的另一端经电阻R7接地,电阻R6和电阻R7的连接点经电阻R8、电阻R9、电阻R11与电源模块4连接;电阻R8和电阻R9的连接点与比较器U3的7脚连接。
比较器U3的13脚与电阻R13的一端连接,电阻R13的另一端与电源模块4连接;比较器U3的14脚与电阻R12的一端连接,电阻R12的另一端与电源模块4连接;电阻R16的一端与备用供电线路(Standby)连接,电阻R16的另一端经电阻R17接地,电阻R16和电阻R17的连接点与比较器U3的8脚连接。电阻R18的一端与备用供电线路(Standby)连接,电阻R18的另一端经电阻R19接地,电阻R18和电阻R19的连接点经电阻R15、电阻R14、电阻R13与电源模块4连接,电阻R15和电阻R14的连接点与比较器U3的11脚连接,比较器U3的12脚接地。
本实施例中,通过配置比较器U3外围电路中的电阻,分别确定主供电线路和备用供电线路的过压欠压阈值。同时,通过配置电阻R8、电阻R9及电阻R15、电阻R14建立比较器滞回区间,改善比较器输出信号振荡现象。此外,利用四路逻辑与门U4设计系统自动切换逻辑,实现主、备用供电电路的自动切换功能。
如图4所示,本实施例中,所述逻辑判断处理模块2包括四路逻辑与门U4(比如:74HC08DB)、电容C7、电阻R20、电阻R21和三极管Q1;其中:四路逻辑与门U4的1脚与比较器U3的2脚连接,四路逻辑与门U4的2脚与比较器U3的1脚连接,四路逻辑与门U4的4脚与比较器U3的14脚连接,四路逻辑与门U4的5脚与比较器U3的13脚连接,四路逻辑与门U4的3脚经电阻R20与三极管Q1的基极连接,三极管Q1的集电极经电阻R21与电源模块4连接,三极管Q1的集电极还与四路逻辑与门U4的9脚连接,四路逻辑与门U4的6脚与四路逻辑与门U4的10脚连接,四路逻辑与门U4的14脚经电容C7后接地。
如图5所示,本实施例中,所述线路切换模块3包括MOSFET驱动芯片U5、MOSFET驱动芯片U6、电阻R22~电阻R33、电容C8~电容C11、MOSFET管Q2~MOSFET管Q5、二极管D3和二极管D4,以上各元器件的连接关系如下:
MOSFET驱动芯片U5的3脚经电阻R23与电源模块4连接,MOSFET驱动芯片U5的4脚经电阻R22与四路逻辑与门U4的3脚连接,MOSFET驱动芯片U5的2脚经电容C8接地,MOSFET驱动芯片U5的8脚依次经电容C9、二极管D3、电阻R24后与MOSFET驱动芯片U5的6脚连接,二极管D3与电阻R24的连接点经电阻R27与主供电线路的输出端连接,电阻R27与电阻R24的连接点与MOSFET管Q2的漏极连接,MOSFET管Q2的源极与MOSFET管Q3的源极连接,MOSFET管Q3的漏极接用电负载,MOSFET管Q2的栅极经电阻R25、电阻R26与MOSFET管Q3的栅极连接,电阻R25和电阻R26的连接点与MOSFET驱动芯片U5的5脚连接。
MOSFET驱动芯片U6的3脚经电阻R28与电源模块4连接,MOSFET驱动芯片U6的4脚经电阻R29与四路逻辑与门U4的8脚连接,MOSFET驱动芯片U6的2脚经电容C10接地,MOSFET驱动芯片U6的8脚依次经电容C11、二极管D4、电阻R30后与MOSFET驱动芯片U6的6脚连接,二极管D4与电阻R30的连接点经电阻R33与备用供电线路的输出端连接,电阻R33与电阻R30的连接点与MOSFET管Q4的漏极连接,MOSFET管Q4的源极与MOSFET管Q5的源极连接,MOSFET管Q5的漏极接用电负载,MOSFET管Q4的栅极经电阻R31、电阻R32与MOSFET管Q5的栅极连接,电阻R31和电阻R32的连接点与MOSFET驱动芯片U6的5脚连接。
本实施例中, MOSFET驱动芯片U5和MOSFET驱动芯片U6用于接收来自逻辑判断处理模块2发出的控制信号Main故障或Change(即切换),从而控制相应的MOSFET管Q2、MOSFET管Q3、MOSFET管Q4、MOSFET管Q5的通断进行供电线路自动切换。
本实用新型的工作原理如下:
当主供电线路和备用供电线路均正常时,比较器U3的1脚、2脚、13脚和14脚均输出高电平,即四路逻辑与门U4的1脚和2脚的输入均为高电平,此时四路逻辑与门U4的3脚输出高电平,即MOSFET驱动芯片U5的4脚为高电平,此时MOSFET管Q2和MOSFET管Q3处于打开状态,由主供电线路为用电负载供电(Load接用电负载)。四路逻辑与门U4的3脚输出的高电平经电阻R20、三极管Q1后,三极管Q1的集电极输出低电平,即四路逻辑与门U4的9脚为低电平,此时四路逻辑与门U4的8脚输出低电平,即MOSFET驱动芯片U6的4脚为低电平,此时MOSFET管Q4和MOSFET管Q5均处于关闭状态,备用供电线路不启用。
当主供电线路出现异常(欠压和过压)时,比较器U3即1脚或2脚输出低电平, 四路逻辑与门U4的3脚输出低电平,此时MOSFET驱动芯片U5的4脚为低电平,MOSFET管Q2和MOSFET管Q3处于关闭状态,主供电线路停止为用电负载供电(Load接负载)。当四路逻辑与门U4的3脚输出低电平时,三极管Q1的集电极输出高电平,即四路逻辑与门U4的9脚为高电平,四路逻辑与门U4的10脚为高电平,此时四路逻辑与门U4的8脚输出高电平,MOSFET驱动芯片U6的4脚为高电平,MOSFET管Q4和MOSFET管Q5均处于开启状态,备用供电线路启用。

Claims (10)

1.一种冗余电源切换装置,其特征在于:包括电源监测模块(1)、逻辑判断处理模块(2)、线路切换模块(3)和电源模块(4);
所述电源监测模块(1)用于监测主供电线路和备用供电线路的电压,该电源监测模块(1)分别与主供电线路和备用供电线路连接;
所述逻辑判断处理模块(2)基于电源监测模块(1)的监测结果控制线路切换模块(3)进行线路切换,该逻辑判断处理模块(2)分别与电源监测模块(1)和线路切换模块(3)连接;
所述线路切换模块(3)用于控制主供电线路和备用供电线路的导通和截止,该线路切换模块(3)分别与主供电线路、备用供电线路和用电负载连接;
所述电源模块(4)分别与电源监测模块(1)、逻辑判断处理模块(2)和线路切换模块(3)连接,为各模块供电。
2.根据权利要求1所述的冗余电源切换装置,其特征在于:所述电源模块(4)包括电源芯片U1和电源芯片U2, 其中,电源芯片U1用于产生装置所需的主工作电压5V,电源芯片U2用于产生比较器参考电压5V。
3.根据权利要求2所述的冗余电源切换装置,其特征在于:所述电源模块(4)还包括电容C1~电容C5、电阻R1~电阻R3、二极管D1、二极管D2和电感L1,电源芯片U1的7脚接电源,电源芯片U1的1脚经电容C1与电源芯片U1的8脚连接,电容C1与电源芯片U1的8脚的连接点经二极管D1接地,电源芯片U1的8脚还依次经电感L1、电阻R1、电阻R2和电阻R3后接地,电阻R1和电阻R2的连接点与电源芯片U1的4脚连接,电容C2的一端与电感L1和电容C2的连接点连接,电容C2的另一端接地,电容C3与电容C2并联,二极管D2与电容C3并联;电源芯片U2的1脚接电源,电源芯片U2的3脚经电容C4接地,电容C5与电容C4并联。
4.根据权利要求1至3任一所述的冗余电源切换装置,其特征在于:所述电源监测模块(1)包括比较器U3、电容C6和电阻R4~电阻R19 ;
比较器U3的1脚与电阻R11的一端连接,电阻R11的另一端与电源模块(4)连接;比较器U3的2脚与电阻R10的一端连接,电阻R10的另一端与电源模块(4)连接;比较器U3的3脚经电容C6后接地;电阻R4的一端与主供电线路连接,电阻R4的另一端经电阻R5接地,电阻R4和电阻R5的连接点与比较器U3的4脚连接;电阻R6的一端与主供电线路连接,电阻R6的另一端经电阻R7接地,电阻R6和电阻R7的连接点经电阻R8、电阻R9、电阻R11与电源模块(4)连接;电阻R8和电阻R9的连接点与比较器U3的7脚连接;
所述比较器U3的13脚与电阻R13的一端连接,电阻R13的另一端与电源模块(4)连接;比较器U3的14脚与电阻R12的一端连接,电阻R12的另一端与电源模块(4)连接;电阻R16的一端与备用供电线路连接,电阻R16的另一端经电阻R17接地,电阻R16和电阻R17的连接点与比较器U3的8脚连接;电阻R18的一端与备用供电线路连接,电阻R18的另一端经电阻R19接地,电阻R18和电阻R19的连接点经电阻R15、电阻R14、电阻R13与电源模块(4)连接,电阻R15和电阻R14的连接点与比较器U3的11脚连接,比较器U3的12脚接地。
5.根据权利要求4所述的冗余电源切换装置,其特征在于:所述逻辑判断处理模块(2)包括四路逻辑与门U4、电容C7、电阻R20、电阻R21和三极管Q1;四路逻辑与门U4的1脚与比较器U3的2脚连接,四路逻辑与门U4的2脚与比较器U3的1脚连接,四路逻辑与门U4的4脚与比较器U3的14脚连接,四路逻辑与门U4的5脚与比较器U3的13脚连接,四路逻辑与门U4的3脚经电阻R20与三极管Q1的基极连接,三极管Q1的集电极经电阻R21与电源模块(4)连接,三极管Q1的集电极还与四路逻辑与门U4的9脚连接,四路逻辑与门U4的6脚与四路逻辑与门U4的10脚连接,四路逻辑与门U4的14脚经电容C7后接地。
6.根据权利要求5所述的冗余电源切换装置,其特征在于:所述线路切换模块(3)包括MOSFET驱动芯片U5、MOSFET驱动芯片U6、电阻R22~电阻R33、电容C8~电容C11、MOSFET管Q2~MOSFET管Q5、二极管D3和二极管D4;
所述MOSFET驱动芯片U5的3脚经电阻R23与电源模块(4)连接,MOSFET驱动芯片U5的4脚经电阻R22与四路逻辑与门U4的3脚连接,MOSFET驱动芯片U5的2脚经电容C8接地,MOSFET驱动芯片U5的8脚依次经电容C9、二极管D3、电阻R24后与MOSFET驱动芯片U5的6脚连接,二极管D3与电阻R24的连接点经电阻R27与主供电线路的输出端连接,电阻R27与电阻R24的连接点与MOSFET管Q2的漏极连接,MOSFET管Q2的源极与MOSFET管Q3的源极连接,MOSFET管Q3的漏极接用电负载,MOSFET管Q2的栅极经电阻R25、电阻R26与MOSFET管Q3的栅极连接,电阻R25和电阻R26的连接点与MOSFET驱动芯片U5的5脚连接;
所述MOSFET驱动芯片U6的3脚经电阻R28与电源模块(4)连接,MOSFET驱动芯片U6的4脚经电阻R29与四路逻辑与门U4的8脚连接,MOSFET驱动芯片U6的2脚经电容C10接地,MOSFET驱动芯片U6的8脚依次经电容C11、二极管D4、电阻R30后与MOSFET驱动芯片U6的6脚连接,二极管D4与电阻R30的连接点经电阻R33与备用供电线路的输出端连接,电阻R33与电阻R30的连接点与MOSFET管Q4的漏极连接,MOSFET管Q4的源极与MOSFET管Q5的源极连接,MOSFET管Q5的漏极接用电负载,MOSFET管Q4的栅极经电阻R31、电阻R32与MOSFET管Q5的栅极连接,电阻R31和电阻R32的连接点与MOSFET驱动芯片U6的5脚连接。
7.根据权利要求2所述的冗余电源切换装置,其特征在于:所述电源芯片U1的型号为TPS5430;所述电源芯片U2的型号为TLE42744。
8.根据权利要求4所述的冗余电源切换装置,其特征在于:所述比较器U3的型号为LMV339。
9.根据权利要求5所述的冗余电源切换装置,其特征在于:所述四路逻辑与门U4的型号为74HC08。
10.根据权利要求6所述的冗余电源切换装置,其特征在于:所述MOSFET驱动芯片U5和MOSFET驱动芯片U6的型号为LT1910。
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