CN214850555U

CN214850555U - 直流电源分流器

Info

Publication number: CN214850555U
Application number: CN202120763558.0U
Authority: CN
Inventors: 张立强; 周志勇; 朱现晔; 王祥宇; 徐玉; 王潇
Original assignee: Shandong Marine Forecasting And Disaster Reduction Center; Ocean University of China
Current assignee: Shandong Marine Forecasting And Disaster Reduction Center; Ocean University of China
Priority date: 2021-04-14
Filing date: 2021-04-14
Publication date: 2021-11-23
Anticipated expiration: 2031-04-14

Abstract

本实用新型涉及一种直流电源分流器，包括：多路直流输入电路，每个直流输入接口分别经过一理想二极管接入直流母线，形成一路直流输入电路；多路输出负载供电电路，直流母线上连接一路MOS开关电路后接至一负载接口，形成一路输出负载供电电路，为负载供电；每路MOS开关电路均连接至MOS开关管驱动电路后接入第一单片机模块。该分流器根据负载需求提供相应电压等级的输出，可以根据需要增加或替换模块，得到所需的电压等级输出，极大的扩展了该系统的应用范围。

Description

直流电源分流器

技术领域

本实用新型属于直流电源设计技术领域，尤其涉及一种直流电源分流器。

背景技术

现有海洋仪器装备中，为保障长时间稳定运行，一般必须带有电源管理系统或直流供电系统，目前常见的形式为储能电池+DCDC变换器结构。然而海洋仪器装备种类较多，供电需求也较为广泛。根据仪器设备用途特点及用电要求，对直流电源供电系统的功能与参数进行分析，将负载进行分类，分别采用多种不同等级的电压供电。

现有方案大多是用于大型船舶、水面/水下平台的直流供电系统，一般是直流微网，与陆地直流微网的结构十分类似。这类系统中一般带有完善的继电保护、监测系统，一般为成品，用户难以根据需求自由增减功能，且由于其结构复杂、体积较大，难以直接用于一般海洋仪器装备中。

小型船舶的仪器装备空间较小，且所用负载种类变化较多，可能随时进行替换。因此，需要设计直流电源分流器，将电源系统分成多种不同等级的电压，分别经过每一个电压等级的分流器引出多路接口，以供多个负载同时使用；且同时要求不同路的负载相互隔离，开通关断以及发生故障都不能影响其他路负载的正常使用，上位机能够实时分别控制每一路的开通关断并实时监控每一路的电压电流信息，以便于后期根据电压电流对整个电源系统进行故障诊断。

实用新型内容

本实用新型提供了一种直流电源分流器，可以根据负载需求提供相应电压等级的输出。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种直流电源分流器，包括：

多路直流输入电路，每个直流输入接口分别经过一理想二极管接入直流母线，形成一路直流输入电路；

多路输出负载供电电路，直流母线上连接一路MOS开关电路后接至一负载接口，形成一路输出负载供电电路，为负载供电；

每路MOS开关电路均连接至MOS开关管驱动电路后接入第一单片机模块。

优选的，直流母线设置有第一电压电流测量电路以测量直流母线电压、电流，所述第一电压电流测量电路经过一ADC模块模数转换后接入第二单片机模块。

优选的，每路直流输入电路均设置有第二电压电流测量电路以测量每路直流输入电路电压、电流，所述第二电压电流测量电路均经过一ADC模块模数转换后接入所述第二单片机模块。

优选的，每路输出负载供电电路均设置有第三电压电流测量电路以测量每路输出负载供电电路电压、电流，所述第三电压电流测量电路均经过一ADC模块模数转换后接入第三单片机模块。

优选的，所述第一单片机模块、第二单片机模块、第三单片机模块均通过一CAN通信模块连接至上位机。

优选的，所述CAN通信模块包括共模扼流圈、CAN收发器芯片，CAN总线CAN_L和CAN_H经共模扼流圈接入所述CAN收发器芯片后接入所述第一单片机模块、第二单片机模块或第三单片机模块。

优选的，所述第一电压电流测量电路、第二电压电流测量电路、第三电压电流测量电路采用仪器运放进行电压测量；采用专用电流检测放大芯片，且在专用电流检测放大芯片+In、-In引脚间连接检流电阻进行电流测量。

优选的，每路MOS开关电路包括多路并联的MOS开关管；

所述MOS开关管驱动电路包括MOS驱动芯片、光耦；

多路MOS开关管并联后接至所述MOS驱动芯片后经过光耦隔离接入所述第一单片机模块。

优选的，电源接口输入5V、12V、±12V直流电，为分流器电路中各元件供电；每一路直流电接入后均经过一LED指示灯，以判断该路直流电是否正常接入。

优选的，每路MOS开关电路连接一保险丝后接至一负载接口。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：

本实用新型提供了一种直流电源分流器，提供多路能够进行实时电压、电流测量的直流输入电路，多路输入经二极管后，构成能够进行实时电压、电流测量的直流母线；提供多路能够进行实时电压、电流测量的输出负载供电电路。多路直流输入电路采用了冗余设计的思路，可按照实际需求接入来构成直流母线，当某一路出现问题时，可以断开此路把直流输入接在其他直流输入接口，装置能够正常使用。该分流器的电压电流测量电路的测量范围按照所测量的值的范围提前进行设定，当输入或负载发生变化时，可按照实际变化进行变更。同时，每路输出负载供电电路均设置有MOS开关电路，不同路的输出负载供电电路相互隔离，开通关断以及发生故障都不影响其他路负载的正常使用，同时上位机能够实时分别控制每一路的开通关断并实时监控每一路的电压、电流信息，以便于后期根据电压、电流对整个电源系统进行故障诊断。

同时，该分流器电路板可对较宽范围的电压输入进行电压电流实时测量及MOS开关电路的实时开通关断，可兼容各种直流电压输入，不需要大幅度修改电路，通用性强；且当需要扩展电压等级的时候，需使用增加分流器电路板，扩展电路板的输入端接入所需求电压等级的直流输入，形成可扩展的多电压等级输出，可扩展性强。

附图说明

图1为本实用新型的直流电源分流器整体框图结构；

图2为电源接口原理图；

图3为电压测量电路原理图；

图4为电流测量电路原理图；

图5为MOS开关管驱动电路原理图；

图6为CAN通信电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行进一步的描述。

本申请实施例提供了一种直流电源分流器，如图1所示，包括：多路直流输入电路，每个直流输入接口分别经过一理想二极管接入直流母线，形成一路直流输入电路；多路输出负载供电电路，直流母线上连接一路MOS开关电路、及保险丝后接至一负载接口，形成一路输出负载供电电路，为负载供电；每路MOS开关电路均连接至MOS开关管驱动电路后接入第一单片机模块。

直流母线设置有第一电压电流测量电路以测量直流母线电压、电流，第一电压电流测量电路经过一ADC模块模数转换后接入第二单片机模块；每路直流输入电路均设置有第二电压电流测量电路以测量每路直流输入电路电压、电流，第二电压电流测量电路均经过一ADC模块模数转换后接入第二单片机模块。每路输出负载供电电路均设置有第三电压电流测量电路以测量每路输出负载供电电路电压、电流，第三电压电流测量电路均经过一ADC模块模数转换后接入第三单片机模块。第一单片机模块、第二单片机模块、第三单片机模块均通过一CAN通信模块连接至上位机，第一单片机模块接收来自上位机对每路MOS开关电路的开关指令，控制相应的MOS开关管引脚置高或置低电平，然后返回开关信息道上位机；第二单片机模块接收来自上位机对直流输入和直流母线进行电压、电流测量的指令，然后把从接收到的直流输入和直流母线的电压、电流数据进行处理并返回到上位机；第三单片机模块接收来自上位机对负载供电部分进行电压、电流测量的指令，然后把从接收到的负载供电部分的电压、电流数据进行处理并返回到上位机。实际设计时第一单片机模块、第二单片机模块、第三单片机模块采用基于STM32F单片机，通过CAN总线与上位机进行通信，上位机能够实时分别控制该分流器上的每一条分路的开通关断并实时监控每一条分路的电压电流信息，以便于后期根据电压电流对整个电源系统进行故障诊断。

下面将结合各部分的具体电路设置，详细说明直流电源分流器，具体如下：

电源接口部分设计原理如图2所示，其基本设计思路是用插拔式接线端子5p接入外界提供的5V、12V、±12V直流电，给分流器电路中的元件供电。5V直流电用于给电流测量电路中的电流检测放大器供电；12V直流电用于给分流器每一路MOS开关管驱动电路中的隔离电源供电，再由隔离电源生成12V直流电用于给光耦芯片及MOS驱动芯片供电；±12V直流电用于给电压检测电路的运算放大器供电。每一路直流电接入后都经过一个LED指示灯，能够方便直观判断该电路是否正常接入。整个分流器的元件供电均由电源接口输入的直流电提供。

对于直流输入、直流母线及输出负载供电部分电压电流测量部分，电压测量原理如图2所示，第一电压电流测量电路、第二电压电流测量电路、第三电压电流测量电路采用仪器运放进行电压测量，用于电压检测的仪器运放为高阻输入型，电压测量范围可根据实际需要自由调整分压电阻，输出电压U0从OUT引脚输出转换成0～2.7V电压输出给高精度ADC，ADC将采集到的模拟量电压值转换成数字量再通过SPI协议传输给单片机。对于电流测量，采用检流电阻+专用电流检测放大芯片，即在专用电流检测放大芯片+In、-In引脚间连接检流电阻进行电流测量，如图3所示，电压测量范围可根据实际需要自由调整检流电阻，输出电压从OUT引脚输出转换成0～2.7V电压输出给高精度ADC，ADC将采集到的模拟量电流值转换成数字量再通过SPI协议传输给单片机。

对于MOS开关部分设计原理如图4所示，本实施例中MOS开关电路采取冗余设计的思路，每路MOS开关电路包括多路并联的MOS开关管，多路MOS开关管并联后接至MOS驱动芯片后经过光耦隔离接入第一单片机模块。

以下对MOS驱动电路详细设计进行叙述：

由预先设定好的单片机MOS开关管控制引脚输出高低电平控制信号给MOScontrol以控制光耦芯片HCPL0501的输出信号的高低电平状态，然后把控制信号传给MOS驱动芯片UCC27211，进而控制MOS开关管的开通关断。当某一路的负载需要供电时，上位机给单片机打开MOS开关管的指令，单片机控制引脚输出高电平，NPN三极管导通，控制光耦芯片HCPL0501的Gin引脚被拉低，光耦内部发光二极管熄灭，VO输出高电平，UCC27211的HI引脚输入高电平，LI引脚输入低电平，根据控制逻辑表，HO输出高电平，MOS开关管打开，直流母线VCCM能够通过MOS开关管输出给后续电路。

本实施例中MOS开关部分采取了冗余设计的设计思路，以便在其中一个MOS开关管出现故障时，另一个MOS开关管能立即启动代替工作，从而提高整个电源系统的可靠性和安全性；冗余设计的双MOS开关管结构能够有效降低导通内阻，减少电能损耗。

对于ADC数据采集部分，电压、电流采集选用高精度、8通道单端输入、SPI接口型安富莱ADS1256模块，方便与STM32单片机模块通信。采集到的电压和电流值按照单端输入模式接入ADS1256模块的输入端，经过模块的转换，通过SPI协议把采集到的电压电流值通过数字量传输给单片机STM32F。

对于CAN通信模块，其原理如图5所示，每一个单片机模块对应一个CAN通信电路，把上位机的指令传递给单片机，把单片机处理好的数据返回给上位机。CAN通信模块包括共模扼流圈、CAN收发器芯片，CAN总线CAN_L和CAN_H经共模扼流圈接入CAN收发器芯片后接入第一单片机模块、第二单片机模块或第三单片机模块。

综上，本申请面向海洋仪器装备的直流供电应用场景，提出一种直流电源分流器，提供多路能够进行实时电压、电流测量的直流输入电路，多路输入经二极管后，构成能够进行实时电压、电流测量的直流母线；提供多路能够进行实时电压、电流测量的输出负载供电电路。多路直流输入电路采用了冗余设计的思路，可按照实际需求接入来构成直流母线，当某一路出现问题时，可以断开此路把直流输入接在其他直流输入接口，装置能够正常使用。该分流器的电压电流测量电路的测量范围按照所测量的值的范围提前进行设定，当输入或负载发生变化时，可按照实际变化进行变更。同时，每路输出负载供电电路均设置有MOS开关电路，不同路的输出负载供电电路相互隔离，开通关断以及发生故障都不影响其他路负载的正常使用，同时上位机能够实时分别控制每一路的开通关断并实时监控每一路的电压、电流信息，以便于后期根据电压、电流对整个电源系统进行故障诊断。同时，该分流器电路板可对较宽范围的电压输入进行电压电流实时测量及MOS开关电路的实时开通关断，可兼容各种直流电压输入，不需要大幅度修改电路，通用性强；且当需要扩展电压等级的时候，需使用增加分流器电路板，扩展电路板的输入端接入所需求电压等级的直流输入，形成可扩展的多电压等级输出，可扩展性强。对于分流器软件部分设置，本申请不作限制。

Claims

1.一种直流电源分流器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的直流电源分流器，其特征在于：

直流母线设置有第一电压电流测量电路以测量直流母线电压、电流，所述第一电压电流测量电路经过一ADC模块模数转换后接入第二单片机模块。

3.根据权利要求2所述的直流电源分流器，其特征在于：

每路直流输入电路均设置有第二电压电流测量电路以测量每路直流输入电路电压、电流，所述第二电压电流测量电路均经过一ADC模块模数转换后接入所述第二单片机模块。

4.根据权利要求3所述的直流电源分流器，其特征在于：

每路输出负载供电电路均设置有第三电压电流测量电路以测量每路输出负载供电电路电压、电流，所述第三电压电流测量电路均经过一ADC模块模数转换后接入第三单片机模块。

5.根据权利要求4所述的直流电源分流器，其特征在于：

所述第一单片机模块、第二单片机模块、第三单片机模块均通过一CAN通信模块连接至上位机。

6.根据权利要求5所述的直流电源分流器，其特征在于：所述CAN通信模块包括共模扼流圈、CAN收发器芯片，CAN总线CAN_L和CAN_H经共模扼流圈接入所述CAN收发器芯片后接入所述第一单片机模块、第二单片机模块或第三单片机模块。

7.根据权利要求4所述的直流电源分流器，其特征在于，所述第一电压电流测量电路、第二电压电流测量电路、第三电压电流测量电路采用仪器运放进行电压测量；采用专用电流检测放大芯片，且在专用电流检测放大芯片+In、-In引脚间连接检流电阻进行电流测量。

8.根据权利要求1所述的直流电源分流器，其特征在于：

每路MOS开关电路包括多路并联的MOS开关管；

所述MOS开关管驱动电路包括MOS驱动芯片、光耦；

9.根据权利要求1所述的直流电源分流器，其特征在于，电源接口输入5V、12V、±12V直流电，为分流器电路中各元件供电；每一路直流电接入后均经过一LED指示灯，以判断该路直流电是否正常接入。

10.根据权利要求1所述的直流电源分流器，其特征在于，每路MOS开关电路连接一保险丝后接至一负载接口。