CN218771271U - 具有电路保护功能的电加热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有电路保护功能的电加热系统，包括具有电热元件的加热装置、加热电源、输入电源控制模块、程序加热控制模块、程序加热控制保护模块以及处理模块；所述输入电源控制模块用于根据所述处理模块发射的第一信号控制所述加热电源的正极和所述电热元件之间的通断；所述程序加热控制模块用于根据所述处理模块发射的第二信号控制所述加热电源负极和所述电热元件之间的通断，所述第二信号为脉冲信号；所述程序加热控制保护模块包括输入侧保护单元，所述输入侧保护单元用于在所述第二信号出现故障时断开所述输入电源控制模块和所述电热元件之间的通路，提高了系统的可靠性和安全性。

Description

具有电路保护功能的电加热系统

技术领域

本实用新型涉及电加热控制领域，尤其涉及一种具有电路保护功能的电加热系统。

背景技术

电热元件在通电后产生热量，利用负载将热量导出可对介质进行加热。基于电热元件的加热装置应用广泛，比如加热棒和加热毯。

现有的加热棒和加热毯中，电热元件往往和加热电源直接连接，打开加热电源后电热元件进行加热，关闭加热电源后电热元件无电流通过，停止加热。但是当程序出现故障导致电热元件一直加热时，流过电热元件的电流若不及时切断，则存在电热元件一直加热而导致过温的风险，过温容易引发安全事故，因此，有必要提出一种更加安全具有电路保护功能的电加热系统。

发明内容

本申请的目的在于提供一种具有电路保护功能的电加热系统，解决了程序出现故障导致电热元件一直加热引起电热元件过温的缺陷而提高了系统的可靠性。

为实现上述目的，本实用新型提供如下的技术方案。

一种具有电路保护功能的电加热系统，其特征在于，包括具有电热元件的加热装置、加热电源、输入电源控制模块、程序加热控制模块、程序加热控制保护模块以及处理模块；

所述输入电源控制模块用于根据所述处理模块发射的第一信号控制所述加热电源的正极和所述电热元件之间的通断；

所述程序加热控制模块用于根据所述处理模块发射的第二信号控制所述加热电源负极和所述电热元件之间的通断，所述第二信号为脉冲信号；

所述程序加热控制保护模块包括输入侧保护单元，所述输入侧保护单元用于在所述第二信号出现故障时断开所述输入电源控制模块和所述电热元件之间的通路。

可选的，所述输入侧保护单元的输入连接所述程序加热控制模块，用于在所述第二信号由脉冲信号变成低电平信号之后断开所述输入电源控制模块和所述电热元件之间的通路。

可选的，所述输入侧保护单元被设置为：

当所述程序加热控制模块输入高电平时，所述输入侧保护单元充电，并控制所述输入电源控制模块和所述电热元件导通；当所述程序加热控制模块输入低电平时，所述输入侧保护单元放电至所述输入电源控制模块和所述电热元件断开；在所述第二信号的一个周期内，所述输入侧保护单元在高电平阶段的充电量能够维持所述输入电源控制模块和所述电热元件在低电平阶段为导通状态。

可选的，所述输入侧保护单元包括：

第三MOS管，所述第三MOS管的源极和漏极中的一个连接所述输入电源控制模块，另一个连接所述电热元件；

第三三极管，用于驱动所述第三MOS管；

第一充放电单元，用于在所述程序加热控制模块输入高电平时充电，及在所述程序加热控制模块输入低电平时对所述第三三极管的基极放电；

在所述第二信号的一个周期内，所述第一充放电单元在高电平阶段的充电量能够维持所述输入电源控制模块和所述电热元件在低电平阶段为导通状态。

可选的，所述第三MOS管为P沟道增强型，所述第三MOS管源极连接所述输入电源控制模块；

所述第三三极管为NPN型，所述第三三极管的发射极接地，所述第三三极管的集电极连接所述第三MOS管的栅极；

所述第一充放电单元通过第一二极管连接所述程序加热控制模块，所述第一充放电单元连接该第一二极管的阴极。

可选的，所述输入电源控制模块被设置为：当所述第一信号为高电平时能够使所述电热元件和所述加热电源正极导通，当所述第一信号为低电平时所述电热元件和所述加热电源正极断开；

所述输入电源控制模块包括：

第一MOS管，所述第一MOS管的源极连接所述加热电源的正极，漏极连接所述电热元件；

第一光电耦合器，用于控制所述第一MOS管导通和截止；

第一三极管，用于根据所述第一信号驱动所述第一光电耦合器导通和截止。

可选的，所述输入电源控制模块被设置为：所述第一信号为高电平时，所述第一三极管驱动所述第一光电耦合器导通，进一步驱动所述第一MOS管导通，所述第一信号为低电平时，所述第一三极管、所述第一光电耦合器和所述第一MOS管截止；

所述第一MOS管为P沟道增强型，所述第一光电耦合器截止时，所述第一MOS管的栅极被设置为高电平；

所述第一光电耦合器中，发射极接地，集电极连接所述第一MOS管的栅极；

所述第一三极管为NPN管，所述第一三极管的发射极接地，并通过电阻连接第一三极管的基极，所述第一三极管的集电极通过所述第一光电耦合器连接一个供电电压。

可选的，所述程序加热控制模块包括：

第二MOS管，所述第二MOS管的源极连接所述加热电源的负极，漏极连接所述电热元件；

第二光电耦合器，用于控制所述第二MOS管导通和截止；

第二三极管，用于根据所述第二信号驱动所述第二光电耦合器导通和截止。

可选的，所述第二MOS管为N沟道增强型，所述第二光电耦合器截止时，所述第二MOS管的栅极为低电平；

所述第二光电耦合器中：集电极连接有供电电压，发射极连接所述第二MOS管的栅极；

所述第二三极管为NPN管，所述第二三极管中：基极连接所述处理模块，集电极通过所述第二光电耦合器连接有供电电压，发射极接地的同时还通过一电阻连接所述第二三极管的基极。

可选的，所述加热装置为加热棒或加热毯。

与现有技术相比，本申请的有益效果在于：

本实用新型中，在电热元件和加热电源之间设置输入电源控制模块和程序加热控制模块，输入电源控制模块通过处理模块输出的第一信号进行控制，程序加热控制模块通过处理模块输出的第二信号进行控制，第二信号故障时，输入侧保护单元自动控制输入电源控制模块和电热元件之间断开，使得电热元件没有电流通过，从电路的角度对电热元件进行保护，防止了其持续加热造成过温，提高了系统的可靠性。

附图说明

通过结合附图以及参考以下详细说明更充分地理解本实用新型的技术特征和优点。

图1为本实用新型一实施例的输入电源控制模块的电路图；

图2为本实用新型一实施例的程序加热控制模块的电路图；

图3为本实用新型一实施例的输入侧保护单元和程序加热控制模块的电路图；

图4为本实用新型一实施例的程序加热控制保护模块和程序加热控制模块的电路图；

图5为本实用新型一实施例的温度检测模块的电路图，其中热敏电阻采用正温度系数；

图6为本实用新型一实施例的温度检测模块的电路图，其中热敏电阻采用负温度系数；

图7为本实用新型一实施例的温度检测保护模块的电路图，其中热敏电阻采用正温度系数；

图8为本实用新型一实施例的温度检测保护模块的电路图，其中热敏电阻采用负温度系数；

图9为本实用新型一实施例的具有电路保护功能的电加热系统的局部电路图，其中体现了输入电源控制模块、程序加热控制模块和程序加热控制保护模块。

具体实施方式

除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。说明书附图中对电路的一些位置采用若干字母组合进行标识，为便于表述，以下结合该些标识进行说明。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

一种具有电路保护功能的电加热系统，包括具有电热元件的加热装置、加热电源、加热子系统以及处理模块。处理模块用于控制加热子系统和电热元件形成加热回路。

加热装置可以为加热棒、地毯或其他需要电加热的设备，电热元件可采用电阻丝或其他品类，加热装置可设置负载，电热元件用来直接或者间接地为负载加热。以陶瓷加热棒作为加热装置为例，陶瓷加热棒包括陶瓷体、电热元件和负载，电热元件和负载分别安装在陶瓷体上，电热元件将热能直接传递给陶瓷体，然后进一步传递给负载；负载可采用金属块，也可由陶瓷材料支撑。

处理模块用来实现具有电路保护功能的电加热系统的控制功能，可包括一个或多个能够跑程序的芯片，例如CPU、MCU、DSP、SOC、单片机。处理模块包括第一控制单元和第二控制单元，第一控制单元和第二控制单元可以采用两个芯片单独实现，也可设置在一个芯片中；第一控制单元的一个管脚用于输出第一信号，第二控制单元的一个管脚用于输出第二信号，第一信号和第二信号用作加热回路的两个输入信号，第一信号和第二信号都满足条件时加热回路才能导通，电热元件才能加热，否则加热回路断开，电热元件不加热，当具有电路保护功能的电加热系统出现异常时，处理模块调节第一信号和第二信号中的一个或两个，便能断开加热回路，保证电热元件的安全，相应地保证了加热装置的安全。

加热子系统包括输入电源控制模块和程序加热控制模块；输入电源控制模块用于根据处理模块发射的第一信号控制加热电源的正极和电热元件之间的通断；程序加热控制模块用于根据处理模块发射的第二信号控制加热电源负极和电热元件之间的通断。

输入电源控制模块自身具有电源，以保证其正常运行，则通过输入电源控制模块结合微控制程序，可实现对电热元件输入电源的开关控制。当电热元件需要进行加热时，须先打开输入电源控制模块的电源，当电热元件不需要加热时，关闭输入电源控制模块的电源，实现了对电热元件的电源输入按需控制。

输入电源控制模块被设置为：当第一信号为高电平时能够使电热元件和加热电源正极导通，当第一信号为低电平时电热元件和加热电源正极断开。

参考图1进行理解。输入电源控制模块包括第一MOS管Q4、第一光电耦合器U3和第一三极管Q7。第一信号为高电平时，第一三极管Q7驱动第一光电耦合器U3导通，进一步驱动第一MOS管Q4导通，第一信号为低电平时，第一三极管Q7、第一光电耦合器U3和第一MOS管Q4截止。第一MOS管Q4的源极连接加热电源的正极，漏极连接电热元件；第一MOS管Q4的源极和漏极导通时，加热电源的正极和电热元件可以连通，否则，加热电源的正极和电热元件为断开状态，加热回路无法导通。第一光电耦合器U3用于控制第一MOS管Q4导通和截止；第一三极管Q7用于根据第一信号驱动第一光电耦合器U3导通和截止。

第一MOS管Q4为P沟道增强型，当第一MOS管Q4导通时，其漏极电压VDD(以下称为“电源VDD”)等于其源极电压，即电源VDD的电压等于加热电源的电压；第一MOS管Q4的栅极通过电阻R11连接有供电电压，以使得第一光电耦合器U3截止时，第一MOS管Q4的栅极为高电平，从而第一MOS管Q4的源极和漏极不导通，加热电源正极和电热元件没有电流通过。第一光电耦合器U3中，发射极接地，集电极连接第一MOS管Q4的栅极；当第一光电耦合器U3导通时，其发射极和集电极导通，使得第一MOS管Q4的栅极成为低电平，从而第一MOS管Q4的源极和漏极导通，在没有其他阻碍条件的情况下加热电源正极和电热元件可以通过电流。第一三极管Q7为NPN管，第一三极管Q7的发射极接地，并通过电阻R10连接第一三极管Q7的基极，第一三极管Q7的基极通过电阻R22连接处理模块，即CTRL信号来源于处理模块的控制引脚。第一三极管Q7的集电极通过第一光电耦合器U3和电阻R33(为光耦前端限流电阻)连接一个电压3V3，第一三极管Q7自身的集电极和发射极导通时，第一光电耦合器U3导通，第一三极管Q7自身的集电极和发射极截止时，第一光电耦合器U3处于截止状态。

由上述可知，通过处理模块可控制CTRL信号为高电平或低电平，当CTRL信号为高电平时，通过电阻R22和电阻R10分压，第一三极管Q7的基极和发射极电压Vbe大于0.7V(第一三极管Q7的导通电压)，则第一三极管Q7的集电极和发射极Vce导通，电压3V3、电阻R33、第一三极管Q7形成电流通路，使得第一光电耦合器U3后端集电极端导通，第一MOS管Q4的栅极为低电压，第一MOS管Q4源极和漏极导通，电源VDD电压约等于加热电源的电压VCC。反之，当CTRL信号为低电平时，第一三极管Q7的基极和发射极电压Vbe约为0，第一三极管Q7的集电极和发射极Vce截止，电压3V3、电阻R33、第一三极管Q7不能形成电流通路，第一光电耦合器U3截止，第一MOS管Q4截止，电源VDD电压约为0。

参考图2进行理解。程序加热控制模块包括第二MOS管Q1、第二光电耦合器U2和第二三极管Q6。第二MOS管Q1的源极连接加热电源的负极，漏极连接电热元件；第二光电耦合器U2用于控制第二MOS管Q1导通和截止；第二三极管Q6用于根据第二信号驱动第二光电耦合器U2导通和截止。

第二MOS管Q1为N沟道增强型，第二MOS管Q1的栅极通过电阻R8接地，以使得第二光电耦合器U2截止时第二MOS管Q1的栅极为低电平。第二MOS管Q1的栅极和第二光电耦合器U2的发射极之间设置有电阻R25，电阻R8为第二MOS管Q1的栅极和电阻R25之间的下拉电阻，第二光电耦合器U2的发射极和电阻R25之间还设置有下拉电阻R1。第二光电耦合器U2中：集电极通过电阻R21连接有供电电压，发射极连接第二MOS管Q1的栅极；第二三极管Q6为NPN管，第二三极管Q6中：基极通过电阻R20连接处理模块的第二控制单元，即HEAT信号来源于处理模块，集电极通过第二光电耦合器U2和电阻R28连接有供电电压，发射极接地的同时还通过电阻R30连接第二三极管Q6的基极。

当HEAT为高电平时，第二三极管Q6的集电极和发射极导通，电阻R20、电阻R30、第二三极管Q6、电阻R28、第二光电耦合器U2前端形成电流通路，第二光电耦合器U2的集电极和发射极也导通，电阻R21和电阻R1对第二光电耦合器U2集电极的供电电压VCC分压，第二光电耦合器U2的发射极处HEATO的电压Vheato小于第二光电耦合器U2集电极连接的供电电压并大于0，界定此时的电压Vheato为第一电压。反之，当HEAT为脉冲波形的低电平时，第二三极管Q6的集电极和发射极截止，电阻R20、电阻R30、第二三极管Q6、电阻R28、第二光电耦合器U2前端不能形成电流通路，第二光电耦合器U2的集电极和发射极截止，HEATO电压Vheato在电阻R1下拉作用下电压约为0V。电阻R25和电阻R8再对电压Vheato进行分压以控制MOS管Q1的导通和截止，即Vheato约为第一电压时，第二MOS管Q1导通，Vheato约为0V时，第二MOS管Q1截止。

小型的陶瓷加热棒的电热元件可以等效为一个额定电阻为12Ω的电阻，其工作条件为两端施加额定电压即可发热，图2中以电阻R9表示电热元件。

在一个实施例中，输入电源控制模块中第一MOS管Q4的漏极直接连接电热元件，程序加热控制模块中第二MOS管Q1的漏极直接连接电热元件，第一信号和第二信号均为高电平时，电源VDD、电热元件、第二MOS管Q1以及与第二MOS管Q1连接的GNDP构成有电流通过的加热回路，当第一信号和/或第二信号为低电平时，加热回路断开，没有电流通过。

在另外一些实施例中，第二信号采用脉冲信号，而不采用高电平信号和低电平信号，输入电源控制模块与电热元件不直接连接，以下对该些实施例详述。

加热子系统还包括程序加热控制保护模块，程序加热控制保护模块用于在第二信号出现故障时断开加热回路。其中，第二信号由脉冲信号变为常高电平信号或常低电平信号均为第二信号的故障，第二信号出现故障时，电热元件存在一直加热造成过温或其他风险，采用程序加热控制保护模块对具有电路保护功能的电加热系统进行保护，提高系统的安全性。

程序加热控制保护模块包括输入侧保护单元，输入侧保护单元用于在第二信号出现故障时断开输入电源控制模块和电热元件之间的通路，具体地，输入侧保护单元的输入连接程序加热控制模块，用于在第二信号由脉冲信号变成低电平信号之后断开输入电源控制模块和电热元件之间的通路。

当程序加热控制模块输入高电平时，输入侧保护单元充电，并控制输入电源控制模块和电热元件导通；当程序加热控制模块输入低电平时，输入侧保护单元放电至输入电源控制模块和电热元件断开，从而当第二信号由脉冲信号变成低电平信号之后，自动断开了加热回路；在第二信号的一个周期内，输入侧保护单元在高电平阶段的充电量能够维持输入电源控制模块和电热元件在低电平阶段为导通状态，从而保证第二信号为正常的脉冲信号时，输入电源控制模块和电热元件之间能够持续加热。

参考图3进行理解。输入侧保护单元包括第三MOS管Q3、第三三极管Q5和第一充放电单元。第三MOS管Q3的源极和漏极中的一个连接输入电源控制模块，另一个连接电热元件，从而通过第三MOS管Q3的状态来控制输入电源控制模块和电热元件之间的通断；第三三极管Q5用于驱动第三MOS管Q3；第一充放电单元用于在程序加热控制模块输入高电平时充电，及在程序加热控制模块输入低电平时对第三三极管Q5的基极放电；设置脉冲信号的频率和第一充放电单元的放电常数，实现在第二信号的一个周期内，第一充放电单元在高电平阶段的充电量能够维持输入电源控制模块和电热元件在低电平阶段为导通状态的功能。

第三MOS管Q3为P沟道增强型，第三MOS管Q3的栅极一方面通过电阻R27连接第三三极管Q5的集电极，另一方面通过电阻R5(阻值10KΩ)连接电源VDD，电阻R5并联有电容C4，第三三极管Q5的源极连接电源VDD，第三MOS管Q3的漏极连接电热元件；第三MOS管Q3的源极和漏极导通后，加热电源的正极才有可能和电热元件连通，第三MOS管Q3的源极和漏极截止的情况下，即便第一MOS管Q4已经导通，但是加热电源和电热元件之间依然无法通过电路。

第三三极管Q5为NPN型，第三三极管Q5的发射极接地，第三三极管Q5的基极通过电阻R19(2K4Ω)连接第一充放电电路；第一充放电单元包括第一电容C11和第一充放电电阻R6，第一电容C11选用2.2μF，第一充放电电阻R6采用10KΩ，实现快速充电，慢速放电的效果；第一充放电单元通过第一二极管D3连接程序加热控制模块，第一充放电单元连接该第一二极管D3的阴极，第一二极管D3的阳极连接第二光电耦合器U2的发射极。

当HEAT为设定频率的脉冲电压波形时，脉冲高电平时电流通过第一二极管D3，对第一充放电电阻R6、第一电容C11进行快速充电，第一电容C11两端电压升高，脉冲低电平时第一二极管D3截止，第一电容C11通过第一充放电电阻R6进行慢速放电进而电压下降，脉冲频率只需满足第一电容C11电压不低于第三三极管Q5基极和发射极Vbe的电压即可，从可靠性的角度，可设计第一电容C11两端电压不低于2Vbe，即可在脉冲电压波形时，电热元件的电源VDD即可正常导通。

当HEAT出现故障而一直为低电平时，电压Vheato约为0V，即Vheato为低电平，此时第一二极管D3截止，第一电容C11两端的电压通过第一充放电电阻R6放电，当第一充放电电阻R6电压低于第三三极管Q5基极和发射极电压Vbe时，第三三极管Q5截止，第三MOS管Q3的栅极在上拉电阻R5的作用下为高电平，此时第三MOS管Q3截止，电源VDD不可正常输出给电阻R9，电热元件不能加热，电路是安全的。

当HEAT出现故障而一直为高电平时，第二光电耦合器U2的发射极处电压Vheato约为第一电压，即电压Vheato高电平，此时电压通过第一二极管D3，向第一充放电电阻R6、第一电容C11组成的RC电路(即第一充放电单元)进行充电，当第一充放电电阻R6的电压超过第三三极管Q5基极和发射极电压Vbe时，第三三极管Q5导通，第三MOS管Q3的栅极为低电平，此时第三MOS管Q3导通，电源VDD可正常输出给电阻R9，此时电热元件工作与否，取决于第二MOS管Q1的导通状态。

程序加热控制保护模块还包括输出侧保护单元，输出侧保护单元设置在程序加热控制模块上，输出侧保护单元用于在第二信号由脉冲信号变成高电平信号时控制程序加热控制模块断开加热电源负极和电热元件之间的通路。

程序加热控制模块输入高电平时，输出侧保护单元慢速充电，程序加热控制模块输入低电平时，输出侧保护单元快速放电，在第二信号的一个周期内，输出侧保护单元在低电平阶段的放电量不低于其在高电平阶段的充电量。

参考图4进行理解。输出侧保护单元包括第四三极管Q2、第一电压比较器U1和第二充放电单元，第四三极管Q2用于控制第二MOS管Q1导通和截止，第四三极管Q2导通时，第二MOS管Q1截止；第一电压比较器U1包括第一通道，第一通道用于驱动第四三极管Q2；第二充放电单元用于驱动控制第一电压比较器U1的输出；程序加热控制模块输入高电平时，第二充放电单元慢速充电，程序加热控制模块输入低电平时，第二充放电单元快速放电，第二控制信号由脉冲信号变成高电平信号一段时间后，第二充放电单元的电压使第一电压比较器U1的输出反转，进一步通过第四三极管Q2驱动第二MOS管Q1截止。

第二充放电单元为两级RC充电，具体而言，电阻R24接入到HEATO处，电阻R24和电阻R2串联，两者之间设置有第二电容C3和第三电容C10，电阻R2的后端设置有第四电容C2，电阻R24还并联有第二二极管D2和第一充放电电阻R17，第二光电耦合器U2和第二MOS管Q1之间设置有第二充放电电阻(即为上述的下拉电阻R1)，程序加热控制模块输入低电平时，第二充放电单元依次通过第二二极管D2、第一充放电电阻R17和第二充放电电阻进行快速放电。

第一通道的反相输入连接第二充放电单元，即连接电阻R2，第一通道正相输入为第一固定电压，电阻R4和电阻R3对一电源进行分压，利用电阻R4和电阻R3的阻值关系来设定第一固定电压，使得第二控制信号为脉冲信号时，第一固定电压大于第二充放电单元的电压，第二信号变成高电平一段时间后，第一固定电压小于第二充放电单元的电压。

第四三极管Q2中：基极连接第一通道的输出，发射极一方面连接第二MOS管Q1的栅极，另一方面通过电阻R7连接基极，集电极接地；其中，第一固定电压小于第二充放电单元的电压时，第四三极管Q2的发射极和集电极导通，第二MOS截止。

当HEAT为设定频率的脉冲电压波形时，脉冲高电平时，第四电容C2两端电压通过电阻R24、电阻R2、第二电容C3、第三电容C10的慢速充电电压升高，脉冲低电平时，第四电容C2两端电压通过第二二极管D2、电阻R17、电阻R1快速放电，电压降低，设计脉冲电压的频率大于电阻R24、电阻R2、第二电容C3、第三电容C10、第四电容C2的RC充放电常数，则在脉冲高电平时设计第四电容C2端的电压低于第一电压比较器U1正向输入端电压第一固定电压，第一电压比较器U1输出为高电平，此时，第二MOS管Q1的导通状态取决于HEAT脉冲波形的高电平状态，电热元件同步在HEAT的脉冲高电平时加热。

当HEAT一直为高电平时Vheato约为第一电压，即Vheato高电平时，电压通过阻值较大的电阻R24(采用750KΩ)向第二电容C3、第三电容C10、电阻R2及第四电容C2组成的电流回路对第二电容C3、第三电容C10及第四电容C2进行慢速充电，充电时间取决于电阻R24、电阻R2、第二电容C3、第三电容C10及第四电容C2组成的RC系数，第四电容C2两端电压慢慢上升。第一电压比较器U1的第一通道中，正向输入端通过电阻R4、电阻R3对VCC进行分压，当C2两端电压上升超过第一固定电压时，第一电压比较器U1输出为低电平，第四三极管Q2导通，第二MOS管Q1因栅极为低电平而截止，电热元件R9与第二MOS管Q1、第三MOS管Q3不能形成电流回路，即电热元件不能加热。

当HEAT一直为低电平时Vheato约为0V，第一电压比较器U1输出为高电平，第四三极管Q2截止，第二MOS管Q1因栅极处下拉电阻R8的作用下为低电平而截止，电热元件R9与第二MOS管Q1、第三MOS管Q3不能形成电流回路，即电热元件不能加热。

通过上述内容对电热元件进行加热，HEAT必须为设定好的频率的脉冲电压波形，电热元件方可进行加热，可有效避免控制程序运行失效，致使HEAT信号异常一直为高电平而导致的过温危险进行电路系统保护。

以上描述了输入电源控制模块、程序加热控制模块和程序加热控制保护模块的方案及原理，图1和图2分别展示了输入电源控制模块、程序加热控制模块，图3和图4体现了程序加热控制保护模块，为了更直观地展现这三个模块之间的连接关系，在图9中将这三个模块集成在了一起。

具有电路保护功能的电加热系统还包括温度检测模块和温度检测保护模块，温度检测模块用于检测电热元件的温度，温度检测保护模块用于在电热元件的温度超出目标温度时控制电热元件无电流通过。

参考图5进行理解。温度检测模块包括热敏电阻和运算放大单元U5。热敏电阻安装于电热元件上，图5中以电阻R12进行表示。具体地，热敏电阻可以贴合电热元件设置，也可以嵌接、插接的方式设置在负载上，还可以在电热元件周围设置密封腔，热敏电阻内置在密封腔中，当热敏电阻以间接连接的方式安装到电热元件时，热敏电阻的检测结果可能存在微弱的偏差，该偏差可以通过算法进行补偿。热敏电阻的阻值随着电热元件的温度的变化而变化，热敏电阻阻值和温度的关系在出厂前已经设定好，数据预存到处理模块中。运算放大单元U5用于和热敏电阻形成恒流源监测电路，并将热敏电阻电流输出端的电压放大后形成热电信号输出。运算放大单元U5包括上部通道和下部通道，上部通道、下部通道和热敏电阻形成恒流源监测电路，下部通道用于将上部通道的输出进行放大后输出热电信号；处理模块连接下部通道的输出，并用于将电热信号转换成温度值。

热敏电阻的电流恒定，当温度变化时，其电流输出端的电压是变化的，则温度检测保护模块输入的电压是变化的，当热敏电阻为正温度系数时，例如铂热电阻PT1000A，随着温度的升高，热敏电阻的电流输出端的电压逐渐降低，当热敏电阻为负温度系数时，例如MT52A102F3950F00030，随着温度的升高，热敏电阻的电流输出端的电压逐渐增大。

上部通道中：正相输入连接第一供电电压2VREF，其中2VREF为2V的标准电压，第一供电电压的精度比较高；反相输入通过第一电阻R32连接第二供电电压3VREF，其中3VREF为3V的标准电压，第二供电电压的精度比较高；输出通过热敏电阻连接反相输入，且热敏电阻与第一电阻串联，第一供电电压小于第二供电电压，两者的差值即为第一电阻R32的电压，根据欧姆定律可计算出热敏电阻的电流，热敏电阻的阻值随温度变化时，其电流输入端TEMP+的电压恒定，电流输出端TEMP-的电压产生变化。

第一供电电压连接处设置第一滤波电容C6，第二供电电压处设置第二滤波电容C7，提高了稳定性。运算放大单元U5的正极设置有电容C5。在一个实施例中，电容C5、第一滤波电容C6、第二滤波电容C7均为纹波电容。如图5所示，温度检测模块还设置了电容C13作为反馈电路的调谐电容，电容C13为热敏电阻R12的旁路电容。另外，第一电阻R32精度为0.01Ω，以提高电流输出端TEMP-和热电信号的精度。

上部通道的输出先连接下部通道的正相输入，再连接热敏电阻；下部通道的反相输入通过第三电阻R31接地的同时还通过第四电阻R34连接下部通道的输出，通过设置第三电阻R31和第四电阻R34的阻值来设定放大倍数，放大后形成的热电信号为HTADC的电压；第四电阻R34还可并联一电容C12。

分别以热敏电阻为正温度系数和负温度系数为例进一步描述温度检测模块：

热敏电阻为正温度系数时，热敏电阻R12为PT1000A金属铂电阻，电阻值随感应温度的升高阻值变大，可安装于电热元件或电热元件所接的负载，用于实时监测电热元件或负载的温度。使用运算放大单元U5设计一个恒流源监测电路，上部通道的正向输入端为2VREF(即2V)，反向输入端VTEMP+通过电阻R32与3VREF连接(即3V)，及与下部通道的输出组成反馈电路，电阻R32两端的电压差为3VREF-2VREF，即3V-2V＝1V，电阻R32采用1KΩ，流过电阻R32的电流即为1V/1K＝1mA。此1mA的电流流过热敏电阻R12，热敏电阻R12在0℃时，额定电阻值为1KΩ，欧姆定律得出R12两端电压差为1mA*1KΩ＝1V，即VTEMP+与VTEMP-之间电压差为1V，故VTEMP-电压为1V。VTEMP-通过图中运算放大单元U5下部通道的反馈电路，HTADC的电压VHTADC＝((R31+R34)/R31)*VTEMP-＝1V*2＝2V。VHTADC连接处理模块的ADC引脚，控制程序可以读取该电压值并程序转换成为温度值，即举例的2V等同于0℃。当电热元件或负载温度升高时，热敏电阻R12电阻值变大，热敏电阻R12两端压降变大，由于VTEMP+电压与2VREF电压相同不变，故VTEMP-电压下降，同步VHTADC电压下降，程序转换后，程序检测到温度升高。

热敏电阻为负温度系数时，为便于描述，引入图6，图6和图5的区别在于，图6中采用电阻R50来表示热敏电阻。R50为MT52A102F3950F00030负温度系数热敏电阻，电阻值随感应温度的升高阻值变小，可安装于电热元件或电热元件所接的负载，用于实时监测电热元件或负载的温度。运用运算放大单元U5设计一个恒流源监测电路。图6中，运放上部通道的正向输入端为2VREF(即2V)，反向输入端VTEMP+通过电阻R32与3VREF连接(即3V)，及与运放输出(即下部通道的输出)组成反馈电路，电阻R32两端的电压差为3VREF-2VREF，即3V-2V＝1V，流过电阻R32的电流即为1V/1K＝1mA。此1mA的电流流过电阻R50，电阻R50在0℃时，额定电阻值为1KΩ，欧姆定律得出R50两端电压差为1mA*1KΩ＝1V，即VTEMP+与VTEMP-之间电压差为1V，故VTEMP-电压为1V。VTEMP-通过图6中运算放大单元U5下部通道的反馈电路，VHTADC＝((R31+R34)/R31)*VTEMP-＝1V*2＝2V。VHTADC连接处理模块的ADC引脚，控制程序可以读取该电压值并程序转换成为温度值，即举例的2V等同于0℃。当电热元件或负载温度升高时，电阻R50电阻值变小，电阻R50两端压降变小，由于VTEMP+电压与2VREF电压相同不变，故VTEMP-电压升高，同步VHTADC电压升高，程序转换后，程序检测到温度升高。

参考图4和图6、图7进行理解。温度检测保护模块的输入连接热敏电阻的电流输出端TEMP-。温度检测保护模块根据输入的电压来控制第二MOS管Q1的状态，当电热元件的温度超出预设温度(相当于下述的目标温度)时，温度检测保护模块控制第二MOS管Q1截止。

温度检测保护模块通过控制程序加热控制保护模块的输出来控制第二MOS管Q1的状态。具体地，如图4所示，第一电压比较器U1还包括第二通道，第二通道的反相输入连接温度检测保护模块的输出，第二通道的正相输入连接第二固定电压。第二通道和第一通道采用线与逻辑，其中，电热元件未过温时，第二通道的反相输入小于第二固定电压，电热元件过温时，第二通道的反相输入大于第二固定电压。

温度检测保护模块包括第二电压比较器U6、第五三极管Q8和第三光电耦合器U4。第二电压比较器U6的两个输入分别连接热敏电阻的电流输出端TEMP-和第三固定电压，第三固定电压根据热敏电阻的电阻值和温度关系设定，并与目标温度相对应；第五三极管Q8通过第二电压比较器U6驱动；第三光电耦合器U4通过第五三极管Q8驱动，第三光电耦合器U4的集电极和发射极中的一个连接一供电电压，另一个连接程序加热控制保护模块中下部通道的反相输入HT_PT_O。电热元件未过温时，第五三极管Q8和第三光电耦合器U4截止，电热元件过温时，第五三极管Q8和第三光电耦合器U4导通，并控制程序加热控制模块来断开电热元件和加热电源的负极。

热敏电阻的采用正温度系数和采用负温度系数时，温度检测保护模块会有所区别，以下结合图7、图8分别描述。

如图7所示，热敏电阻的温度系数采用正温度系数，第二电压比较器U6的反相输入连接热敏电阻的电流输出端，第二电压比较器U6的正相输入连接第三固定电压。图7中U6为第二电压比较器U6芯片，当正向输入端大于反向输入端时，第二电压比较器U6的OUT输出高电平，通过电阻R23和R15的分压，第五三极管Q8导通，第三光电耦合器U4即导通，VHT_PT_O的电压约等于VCC(该处的VCC为第三光电耦合器U4的集电极连接的供电电压)；反之，当正向输入端小于反向输入端时，第二电压比较器U6的OUT输出低电平，第五三极管Q8截止，第三光电耦合器U4即截止，VHT_PT_O的电压在电阻R16的下拉作用下约为0V。第二电压比较器U6正向输入端为固定电压VOP，为3V3通过电阻R13和电阻R35进行分压，约为1.5V，电容C8为滤波电容。第二电压比较器U6反向输入端电压通过电阻R26和电容C14滤波，连接VTEMP-，为高阻输入，电压值与VTEMP-相同。由此，当VTEMP-<VOP时，VTH_PT_O为高电平约为VCC，当VTEMP->VOP时，VTH_PT_O为低电平约为0V。结合图4中第一电压比较器U1的下部通道为比较电路(由于第一电压比较器U1两个通道的输出做了线与，故第一电压比较器U1输出端的控制电路工作过程同“加热棒的程序加热控制保护模块”中脉冲输出保护的工作过程)，当电阻R12检测到温度较高时，即VTEMP-<VOP时，VHT_PT_O为高电平约VCC，第四三极管Q2导通，第二MOS管Q1栅极为低电平而截止，电热元件不能正常加热；当R12检测到温度较低时，即VTEMP->VOP时，VHT_PT_O为低电平约0V，第四三极管Q2截止，第二MOS管Q1随脉冲控制正常通断，加热棒正常加热。

如图8所示，热敏电阻的温度系数采用负温度系数，第二电压比较器U6的正相输入连接热敏电阻的电流输出端，第二电压比较器U6的反相输入连接第三固定电压。图8中U6为第二电压比较器U6芯片，当正向输入端大于反向输入端时，第二电压比较器U6的OUT输出高电平，通过电阻R23和电阻R15的分压，第五三极管Q8导通，第四光电耦合器即导通，VHT_PT_O的电压约等于VCC；反之，当正向输入端小于反向输入端时，第二电压比较器U6的OUT输出低电平，第五三极管Q8截止，第四光电耦合器即截止，VHT_PT_O的电压在电阻R16的下拉作用下约为0V。第二电压比较器U6反向输入端为固定电压VOP，为3V3通过电阻R13和电阻R35进行分压，约为1.5V，电容C8为滤波电容。第二电压比较器U6正向输入端电压通过电阻R26和电容C14滤波，连接VTEMP-，为高阻输入，电压值与VTEMP-相同。由此，当TEMP->VOP时，VTH_PT_O为高电平约为VCC，当TEMP-<VOP时，VTH_PT_O为低电平约为0V。结合图4中第一电压比较器U1的下部通道为比较电路，当热敏电阻R50检测到温度较低时，即TEMP-<VOP时，VHT_PT_O为低电平约0V，第四三极管Q2截止，第二MOS管Q1随脉冲控制正常通断，电热元件正常加热；当热敏电阻R50检测到温度较高时，即VTEMP->VOP时，VHT_PT_O为高电平约3.3V，第四三极管Q2导通，第二MOS管Q1栅极为低电平而截止，电热元件不能正常加热。

从上述描述可知，具有电路保护功能的电加热系统利用电路对电热元件进行了多重保护，处理模块还包括PID单元，根据热电信号来对具有电路保护功能的电加热系统进行PID控制，处理模块的PID控制单元分别和温度检测模块、第一控制单元和第二控制单元电连接；电热元件达到目标温度时，PID控制单元根据热电信号对加热回路进行PID控制，PID控制的信息详见后续的描述，以下从PID控制角度进一步描述。

具有电路保护功能的电加热系统中，通过处理模块控制加热子系统对电热元件进行加热，满足加热装置的温度需求，通过温度检测模块将电热元件的温度转化成热电信号，再通过处理模块对电热信号进行解析，获取电热元件的温度值，当电热元件到达目标温度后，处理模块对电热元件进行PID控制，实现了电热元件的恒温控制，也防止了电热元件出现过热。

一种电加热温度控制方法，采用上述的具有电路保护功能的电加热系统(第二信号为脉冲波形的实施例)实现，控制方法包括如下步骤：

S071、控制处理模块运行。

S081、处理模块启动温度检测模块，并根据热电信号判断电热元件的温度是否异常，若是，则执行步骤S40，否则执行步骤S091。

S091、处理模块判断是否有加热指令，若有，则执行步骤S10，否则返回步骤S081；其中，加热指令为操作者输入，例如操作者在具有电路保护功能的电加热系统的上位机上按下加热按钮。

S10、处理模块控制加热回路运行：控制处理模块向加热子系统的输入电源控制模块输出高电平的第一信号，向加热子系统的程序加热控制模块输入脉冲波形的第二信号，使得加热元件和加热子系统的加热电源的正负极导通。

S11、处理模块判断温度是否异常，若是，则执行步骤S40，否则执行步骤S20；其中，检测到热敏电阻坏了的情况和检测到电热元件已经加热到目标温度甚至超过目标温度了，都属于温度异常的情况。

S20、处理模块判断电热元件的温度是否达到目标温度，若是，执行步骤S30，否则返回步骤S10；其中，目标温度可以是预先写入处理模块的固定值，也可以是操作者输入到系统内的。

S30、PID对电热元件的温度进行PID控制，当检测到停止指令时执行步骤S40；其中，停止指令为操作者输入的指令。

S40、控制加热回路断开，该步骤可以通过关断处理模块的电源实现，也可以是通过处理模块控制第一信号和第二信号实现。

一种电加热温度控制方法，采用上述的具有电路保护功能的电加热系统(第二信号为脉冲波形的实施例)实现，控制方法包括如下步骤：

a、启动处理模块，处理模块获取电热元件的当前温度和目标温度，计算电热元件由当前温度到达目标温度需要的时间T；当前温度可通过启动检测模块运行来获取，目标温度可以是预先写入处理模块内的数据，也可是处理模块读取的操作者输入的数据。

b、处理模块控制加热回路运行，同时记录加热回路运行的时间t；

c、当处理模块判断t≥T时执行步骤d，否则返回步骤b；

d、处理模块判断电热元件的温度是否达到目标温度，若是，则执行步骤e，否则返回步骤b；

e、处理模块判断电热元件的温度是否超出目标温度第一阈值，若是，则执行步骤g，否则执行步骤f；第一阈值可以为5℃；

f、对电热元件的温度进行PID控制，当检测到停止指令时执行步骤g；PID控制中，热电信号作为反馈，PID控制单元根据热电信号的反馈来调节第二信号的占空比来实现。

g、控制加热回路断开或对具有电路保护功能的电加热系统做异常处理，该步骤可以通过关断处理模块的电源实现，也可以是通过处理模块控制第一信号和第二信号实现。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种具有电路保护功能的电加热系统，其特征在于，包括具有电热元件的加热装置、加热电源、输入电源控制模块、程序加热控制模块、程序加热控制保护模块以及处理模块；

所述输入电源控制模块用于根据所述处理模块发射的第一信号控制所述加热电源的正极和所述电热元件之间的通断；

所述程序加热控制模块用于根据所述处理模块发射的第二信号控制所述加热电源负极和所述电热元件之间的通断，所述第二信号为脉冲信号；

所述程序加热控制保护模块包括输入侧保护单元，所述输入侧保护单元用于在所述第二信号出现故障时断开所述输入电源控制模块和所述电热元件之间的通路。

2.如权利要求1所述的具有电路保护功能的电加热系统，其特征在于，所述输入侧保护单元的输入连接所述程序加热控制模块，用于在所述第二信号由脉冲信号变成低电平信号之后断开所述输入电源控制模块和所述电热元件之间的通路。

3.如权利要求1所述的具有电路保护功能的电加热系统，其特征在于，所述输入侧保护单元被设置为：

当所述程序加热控制模块输入高电平时，所述输入侧保护单元充电，并控制所述输入电源控制模块和所述电热元件导通；当所述程序加热控制模块输入低电平时，所述输入侧保护单元放电至所述输入电源控制模块和所述电热元件断开；在所述第二信号的一个周期内，所述输入侧保护单元在高电平阶段的充电量能够维持所述输入电源控制模块和所述电热元件在低电平阶段为导通状态。

4.如权利要求1所述的具有电路保护功能的电加热系统，其特征在于，所述输入侧保护单元包括：

第三MOS管，所述第三MOS管的源极和漏极中的一个连接所述输入电源控制模块，另一个连接所述电热元件；

第三三极管，用于驱动所述第三MOS管；

第一充放电单元，用于在所述程序加热控制模块输入高电平时充电，及在所述程序加热控制模块输入低电平时对所述第三三极管的基极放电；

在所述第二信号的一个周期内，所述第一充放电单元在高电平阶段的充电量能够维持所述输入电源控制模块和所述电热元件在低电平阶段为导通状态。

5.如权利要求4所述的具有电路保护功能的电加热系统，其特征在于，所述第三MOS管为P沟道增强型，所述第三MOS管源极连接所述输入电源控制模块；

所述第三三极管为NPN型，所述第三三极管的发射极接地，所述第三三极管的集电极连接所述第三MOS管的栅极；

所述第一充放电单元通过第一二极管连接所述程序加热控制模块，所述第一充放电单元连接该第一二极管的阴极。

6.如权利要求1所述的具有电路保护功能的电加热系统，其特征在于，

所述输入电源控制模块被设置为：当所述第一信号为高电平时能够使所述电热元件和所述加热电源正极导通，当所述第一信号为低电平时所述电热元件和所述加热电源正极断开；

所述输入电源控制模块包括：

第一MOS管，所述第一MOS管的源极连接所述加热电源的正极，漏极连接所述电热元件；

第一光电耦合器，用于控制所述第一MOS管导通和截止；

第一三极管，用于根据所述第一信号驱动所述第一光电耦合器导通和截止。

7.如权利要求6所述的具有电路保护功能的电加热系统，其特征在于，所述输入电源控制模块被设置为：所述第一信号为高电平时，所述第一三极管驱动所述第一光电耦合器导通，进一步驱动所述第一MOS管导通，所述第一信号为低电平时，所述第一三极管、所述第一光电耦合器和所述第一MOS管截止；

所述第一MOS管为P沟道增强型，所述第一光电耦合器截止时，所述第一MOS管的栅极被设置为高电平；

所述第一光电耦合器中，发射极接地，集电极连接所述第一MOS管的栅极；

所述第一三极管为NPN管，所述第一三极管的发射极接地，并通过电阻连接第一三极管的基极，所述第一三极管的集电极通过所述第一光电耦合器连接一个供电电压。

8.如权利要求1所述的具有电路保护功能的电加热系统，其特征在于，所述程序加热控制模块包括：

第二MOS管，所述第二MOS管的源极连接所述加热电源的负极，漏极连接所述电热元件；

第二光电耦合器，用于控制所述第二MOS管导通和截止；

第二三极管，用于根据所述第二信号驱动所述第二光电耦合器导通和截止。

9.如权利要求8所述的具有电路保护功能的电加热系统，其特征在于，所述第二MOS管为N沟道增强型，所述第二光电耦合器截止时，所述第二MOS管的栅极为低电平；

所述第二光电耦合器中：集电极连接有供电电压，发射极连接所述第二MOS管的栅极；

所述第二三极管为NPN管，所述第二三极管中：基极连接所述处理模块，集电极通过所述第二光电耦合器连接有供电电压，发射极接地的同时还通过一电阻连接所述第二三极管的基极。

10.如权利要求1-9任一项所述的具有电路保护功能的电加热系统，其特征在于，所述加热装置为加热棒或加热毯。

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