一種寬電壓適應性的高效率智能高邊電子負載開關的製作方法

2023-06-14 09:07:21

一種寬電壓適應性的高效率智能高邊電子負載開關的製作方法
【專利摘要】一種寬電壓適應性的高效率智能高邊電子負載開關，包括供電模塊、核心控制模塊、自舉升壓模塊、電壓檢測模塊、電流檢測模塊和開關模塊；核心控制模塊用於信號採集、信息處理、存儲和邏輯控制：一是接受外部開關控制輸入信號、電流檢測模塊和電壓檢測模塊輸出的檢測信號，並按內部存儲的程序處理分析監控數據，控制開關模塊完成相應動作，二是為自舉升壓模塊提供PWM控制信號；電壓、電流檢測模塊用於檢測開關模塊的實時工作電壓、電流，並將數據傳遞給核心控制模塊處理分析；自舉升壓模塊用於為開關模塊中的開關管提供驅動電壓；開關模塊用於執行負載的通斷動作。該負載開關工作電壓範圍和工作頻率高，效率高，損耗低，安全可靠，具有可編程性。
【專利說明】一種寬電壓適應性的高效率智能高邊電子負載開關

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電子負載開關，尤其涉及一種寬電壓適應性的高效率智能高邊電子負載開關。

【背景技術】
[0002]相比機械開關，使用半導體技術實現通斷的電子負載開關具有體積小、損耗低、動作速度快、通斷可靠、有效壽命長、可實現PWM輸出等優點，是各類直流電器驅動、PWM控制不可或缺的模塊，應用十分廣泛。
[0003]雖然電子負載開關在應用上具有很多優勢，但其主要部件開關管對驅動條件要求很高，尤其對工作電壓特別敏感，不同的工作電壓下，開關管的性能會有很大的變化，導致性能下降甚至無法正常工作或發熱燒毀；為了應對這一問題，一般電子負載開關產品對其工作電壓範圍都會作出嚴格限定，不同工作電壓段的產品不允許通用；隨著電子電氣產品的發展，功能上只能單純被動受控開通關斷的電子負載開關已經難以滿足高可靠性產品的需求，具有自主監控和負載安全保護等智能化功能的電子負載開關是未來發展的方向。
[0004]負載開關按開關所處位置可分為高邊與低邊兩種，高邊是指開關位於電源正極與負載正極之間；低邊是指開關位於負載負極與電源負極之間，從負載通斷性能上看，高邊開關在安全性和耐用性上都優於低邊開關，因為高邊開關關斷後負載側不帶電，各種保護開關管的措施也易於實現；但從設計角度看，實現相同性能的前提下高邊開關就較低邊開關要更加困難；目前市面低邊開關一般採用N溝道MOS管作為開關管，結構簡單，開關速度和效率都很高；高邊開關一般多採用P溝道MOS管作為開關管，結構雖簡單，但由於使用的是P溝道MOS管，其開關速度和效率較N溝道MOS管要差很多，發熱較大，難以適用於高頻率或大電流應用場合，若改為使用N溝道MOS管，又需解決開關管驅動電壓高於負載電壓的問題。


【發明內容】

[0005]本發明要解決的技術問題是:針對現有技術存在的問題，提供一種採用N溝道MOS管作為開關管、具有寬電壓適應性的高效率智能高邊電子負載開關，目的在於拓寬電子負載開關的電壓適應範圍，提高各種工作環境下開關產品的通用性、安全性、工作頻率和開關效率，同時針對開關智能化的需求，加入多種監控保護功能，實現對負載工況的智能監控和保護，以克服上述已有技術所存在的不足。
[0006]本發明採取的技術方案是:一種寬電壓適應性的高效率智能高邊電子負載開關，包括供電模塊、核心控制模塊、自舉升壓模塊、電壓檢測模塊、電流檢測模塊和開關模塊；
所述核心控制模塊的輸入端接口分別連接外部開關控制輸入、電壓檢測模塊和電流檢測模塊的輸入端，其輸出端接口分別連接自舉升壓模塊和開關模塊；所述電壓檢測模塊和電流檢測模塊的輸入端分別與供電模塊連接，其輸出端連接核心控制模塊的輸入端接口 ；所述自舉升壓模塊的輸入端與核心控制模塊的輸出端接口連接，自舉升壓模塊的輸出端連接開關模塊；所述供電模塊輸入端與外部電源連接，輸出端分別連接所述核心控制模塊、自舉升壓模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊和開關模塊；所述供電模塊用於接受外部供電電源輸入，並為所述核心控制模塊、自舉升壓模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊和開關模塊提供相應的供電和檢測接入點。
[0007]所述核心控制模塊用於信號採集、信息處理、存儲和邏輯控制:一是接受外部開關控制輸入信號、電流檢測模塊和電壓檢測模塊輸出的檢測信號，並按內部存儲的程序處理分析監控數據，控制開關模塊完成相應動作，二是為自舉升壓模塊提供PWM控制信號；所述電壓檢測模塊用於檢測開關模塊的實時工作電壓，並將檢測數據傳遞給核心控制模塊處理分析；所述電流檢測模塊用於檢測開關模塊的實時工作電流，並將檢測數據傳遞給核心控制模塊處理分析；所述自舉升壓模塊用於接受核心控制模塊的控制，為開關模塊中的開關管提供所需的驅動電壓；所述開關模塊用於接受核心控制模塊的控制，執行負載的通斷動作。
[0008]其進一步的技術方案是:所述核心控制模塊包括數字微控制器模塊、內部電源管理模塊、PWM模塊、I/O控制器模塊、非易失性存儲器模塊、ADC模塊和內部時鐘模塊；
所述數字微控制器模塊是核心控制模塊的控制中心，用於執行各種計算或指令；所述內部電源管理模塊為所述數字微控制器模塊、非易失性存儲器模塊、I/O控制器模塊、ADC模塊、內部時鐘模塊、PWM模塊提供合適的供電管控，一是用於接受數字微控制器模塊的控制，關閉或開啟除數字微控制器模塊以外其他模塊的供電，最小化系統電力消耗，二是用於獨立執行電壓檢測:當輸入電壓過低或不穩時發送通知給數字微處理器模塊，使其及時採取措施避免出現控制紊亂；內部電源管理模塊使用I號埠作為輸入負極，使用2埠作為輸入正極；所述PWM模塊用於根據數字微控制器的設定、產生一定頻率和佔空比的穩定PWM信號，並通過6號輸出埠驅動控制自舉升壓模塊的工作；所述I/O控制器模塊用於為核心控制模塊提供與數據交換和埠驅動的服務，並通過5號輸出埠控制開關模塊的通斷，通過7號輸入埠接收外部開關控制輸入的指令:或直接將數字式指令信號傳遞給數字微控制器模塊分析，或將模擬式指令信號送ADC模塊處理轉換後再提交給數字微控制器模塊分析；所述非易失性存儲器模塊用於存貯判定閥值變量的配置數據，並在數字微控制器模塊的控制下對內數據進行寫入、擦除、讀取操作；所述ADC模塊為模數轉換模塊，用於採集採樣點電壓，將所得數字信息轉換後傳送給數字微控制器模塊處理，以監控和判斷負載開關的工作電壓電流情況是否正常；ADC模塊使用3號埠作為電流檢測輸入口，4號埠作為電壓檢測輸入口 ；所述內部時鐘模塊用於為數字微控制器提供工作所需時鐘信號。
[0009]其更進一步的技術方案是:所述供電模塊包括穩壓管DZ1、二極體D1、線性調壓器N2、電阻Rl和電容Cl ;所述線性調壓器N2用於對輸入電壓進行調整以輸出穩定的低壓直流電供其他低壓電路模塊使用；所述穩壓管DZl用於吸收直流電源中的高壓脈衝，避免線性調壓器N2被擊穿，所述二極體Dl用於防止電流逆流、防止直流電源輸入極性變化影響線性調壓器N2 ;所述電阻Rl和電容Cl組成低通濾波電路，用於濾除線性調壓器N2輸入端上的高頻紋波，以提高線性調壓器N2輸出質量。
[0010]所述電壓檢測模塊包括電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7、集成運放N3A、集成運放N3B和穩壓管DZ2 ;所述電阻R2與電阻R3組成分壓電路以產生直流電源輸入的電壓採樣值，輸入給採用正向跟隨器接法的集成運放N3B ;所述集成運放N3B用於隔離、穩定採樣信號；所述電阻R5、電阻R6、電阻R7與集成運放N3A組成差分放大器，用於對電壓採樣信號進行調整處理、並輸出給核心控制模塊進行分析；所述穩壓管DZ2和電阻R4用於為所述差分放大器提供穩定的參考電壓。
[0011]所述電流檢測模塊包括電阻R8、電阻R9、電阻R10、電阻R11、電阻R12、電阻R13、電阻R14、電阻R15、電阻R16、電阻R17、電阻R18、集成運放N3C和集成運放N3D ;所述電阻R8為採樣電阻，用於採集直流電源輸送給負載的總電流；所述電阻R9、電阻R10、電阻Rll與電阻R12組成降壓電阻網絡，與由集成運放N3C和電阻R13、電阻R14、電阻R15、電阻R16組成的差分放大器共同對電流採樣信號進行調整處理，再輸送給核心控制模塊進行分析；所述集成運放N3D和電阻R17、電阻R18為差分放大器提供靜態工作點電壓，以降低其放大失真。
[0012]所述自舉升壓模塊包括電阻R19、電阻R20、電阻R21、電阻R22、電容C3、二極體D2、三極體V1、三極體V2、三極體V3、三極體V4和穩壓管DZ3 ;所述R19為限流電阻，其一端連接核心控制模塊的6號輸出埠、即PWM模塊輸出埠，另一端連接三極體Vl和三極體V2的發射極；所述電阻R20和電阻R21組成分壓電路為PWM信號提供翻轉參考電平，提高翻轉效率；所述電容C3為自舉電容，電阻R22與電容C3串接，用於電容C3充電的限流；所述二極體D2用於阻止電容C3電流逆流、限制電容C3輸出電壓峰值，保護開關模塊；所述三極體V3和三極體V4分別通過三極體Vl和三極體V2的驅動，實現高低壓的隔離及低壓驅動高壓的通斷:
當PWM輸出高電平時，三極體Vl和三極體V3截止，三極體V2和三極體V4導通，直流電源通過D2和R22給自舉電容C3充電，電容C3充電完後保持兩端電壓與直流電源相同；
當PWM輸出變為低電平之後，三極體Vl和三極體V3導通，三極體V2三極體V4截止，直流電源強行抬高電容C3負端電壓，使電容C3正極得到2倍於直流電源電壓的電動勢，用於驅動開關模塊中的高邊N溝道MOS管。
[0013]所述開關模塊包括電阻R23、電阻R24、電阻R25、電阻R26、電阻R27、電阻R28、二極體D3、二極體D4、二極體D5、三極體V5、三極體V6、三極體V7、三極體V8、三極體V9、N溝道MOS管VlO和可調電阻器RPl ;所述R23為限流電阻，其一端連接核心控制模塊的5號輸出埠，另一端連接三極體V5和三極體V6的發射極；所述電阻R24與電阻R25組成分壓電路為核心控制模塊輸出的開關控制信號提供翻轉參考電平，提高翻轉效率；所述三極體V7和三極體V8分別通過三極體V5和三極體V6的驅動，實現高低壓的隔離、以及低壓驅動高壓的通斷:
當開關控制信號為低電平時，三極體V6和三極體V8截止，三極體V5和三極體V7導通，自舉升壓模塊輸出的高電壓通過限流電阻R26加到N溝道MOS管VlO的柵級，使得N溝道MOS管VlO導通，開始為負載供電；當開關控制信號為高電平時，三極體V6和三極體V8導通，三極體V5和三極體V7截止，N溝道MOS管VlO柵極通過二極體D3快速放電拉低電壓，N溝道MOS管VlO迅速截止，切斷對負載的供電；
所述三極體V9、電阻R27與可調電阻器RPl組成負反饋電路，用於調節N溝道MOS管VlO柵極最大輸入電壓的大小，以保護N溝道MOS管VlO柵極不被過高電壓擊穿；所述二極體D4、電阻R28與電容C4組成RC脈衝吸收電路，用於吸收由負載引發的N溝道MOS管VlO開通關斷過程中源極與漏極間的瞬時高壓脈衝，保護N溝道MOS管VlO不被擊穿；所述二極體D5用於負載為感性情況下，在N溝道MOS管VlO關斷瞬間為負載續流，保護N溝道MOS管VlO不被擊穿。
[0014]由於採用上述技術方案，與現有技術相比，本發明之一種寬電壓適應性的高效率智能高邊電子負載開關具有如下有益效果:
1.由於使用了完善的低壓控制高壓電路，提高了高壓端可允許電壓閥值，使得本發明之一種寬電壓適應性的高效率智能高邊電子負載開關具有更寬的工作電壓範圍和很高的工作頻率；
2.本發明之一種寬電壓適應性的高效率智能高邊電子負載開關採用自舉升壓驅動高邊N溝道MOS管的方式來實現開關的開通與關斷，並輔以多種輔助電路，從而實現了開關的高效率、高頻率、低損耗；
3.本發明之一種寬電壓適應性的高效率智能高邊電子負載開關使用了微控制器進行智能控制和監控，當監控發現異常的電壓、電流時，可自動關斷負載供電，避免在無人監控情況下出現危險狀況，使開關本身和負載都得到了更安全的保護，具有更高的安全性；
4.本發明之一種寬電壓適應性的高效率智能高邊電子負載開關具有可編程性，使得本負載開關的功能和適用範圍得到極大拓展:
在重負載應用情況下，為避免啟動時因快速完全導通而引起突發大電流衝擊電源，可編程使用PWM漸變佔空比方式，控制啟動過程中的輸出電流有效值，實現輸出電流由小及大的平緩過渡，完成重負載的軟啟動；
通過可編程可實現複雜條件下的自動通斷控制，如延時、定時通斷、觸發保護後的自定義再導通嘗試；可以PWM方式對負載消耗功率進行調節，實現受控或自動的負載功率控制。
[0015]下面結合附圖和實施例對本發明之一種寬電壓適應性的高效率智能高邊電子負載開關的技術特徵作進一步的說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發明之一種寬電壓適應性的高效率智能高邊電子負載開關結構框圖；
圖2為本發明之一種寬電壓適應性的高效率智能高邊電子負載開關電路圖；
圖3為核心控制模塊結構框圖；
圖4為自舉升壓模塊電路圖；
圖5為電壓檢測模塊電路圖；
圖6為電流檢測模塊電路圖；
圖7為開關模塊電路圖；
圖8為供電模塊電路圖。
[0017]圖中:00—供電模塊，11—核心控制模，110—數字微控制器模塊，111—內部電源管理模塊，112—PWM模塊，113—1/0控制器模塊，114一非易失性存儲器模塊，115—ADC模塊，116—內部時鐘模塊，12—自舉升壓模塊，13—電壓檢測模塊，14 一電流檢測模塊，15一開關模塊。

【具體實施方式】
實施例
[0018]一種寬電壓適應性的高效率智能高邊電子負載開關，所述智能高邊電子負載開關包括供電模塊00、核心控制模塊11、自舉升壓模塊12、電壓檢測模塊13、電流檢測模塊14和開關模塊15 ;所述核心控制模塊11的輸入端接口分別連接外部開關控制輸入、電壓檢測模塊和電流檢測模塊的輸入端，其輸出端接口分別連接自舉升壓模塊和開關模塊；所述電壓檢測模塊13和電流檢測模塊14的輸入端分別與供電模塊連接，其輸出端連接核心控制模塊的輸入端接口；
所述自舉升壓模塊12的輸入端與核心控制模塊的輸出端接口連接，自舉升壓模塊的輸出端連接開關模塊；所述供電模塊00輸入端與外部電源連接，輸出端分別連接所述核心控制模塊、自舉升壓模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊和開關模塊；所述供電模塊用於接受外部供電電源輸入，並為所述核心控制模塊、自舉升壓模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊和開關模塊提供相應的供電和檢測接入點。
[0019]所述核心控制模塊11用於信號採集、信息處理、存儲和邏輯控制:一是接受外部開關控制輸入信號、電流檢測模塊和電壓檢測模塊輸出的檢測信號，並按內部存儲的程序處理分析監控數據，控制開關模塊完成相應動作，二是為自舉升壓模塊提供PWM控制信號；所述電壓檢測模塊13用於檢測開關模塊的實時工作電壓，並將檢測數據傳遞給核心控制模塊處理分析；所述電流檢測模塊14用於檢測開關模塊的實時工作電流，並將檢測數據傳遞給核心控制模塊處理分析；所述自舉升壓模塊12用於接受核心控制模塊的控制，為開關模塊中的開關管提供所需的驅動電壓；所述開關模塊15用於接受核心控制模塊的控制，執行負載的通斷動作。
[0020]所述核心控制模塊11包括數字微控制器模塊110、內部電源管理模塊IlUPWM模塊112、1/0控制器模塊113、非易失性存儲器模塊114、ADC模塊115和內部時鐘模塊116 ;所述數字微控制器模塊110是核心控制模塊的控制中心，用於執行各種計算或指令；所述內部電源管理模塊111為核心控制模塊內的數字微控制器模塊、非易失性存儲器模塊、I/O控制器模塊、ADC模塊、內部時鐘模塊、PWM模塊提供合適的供電管控，一是用於接受數字微控制器模塊的控制，關閉或開啟除數字微控制器模塊以外其他模塊的供電，最小化系統電力消耗，二是用於獨立執行電壓檢測:當輸入電壓過低或不穩時發送通知給數字微處理器模塊，使其及時採取措施避免出現控制紊亂；內部電源管理模塊使用I號埠作為輸入負極，使用2埠作為輸入正極；所述PWM模塊112用於根據數字微控制器的設定、產生一定頻率和佔空比的穩定PWM信號，並通過6號輸出埠驅動控制自舉升壓模塊的工作；所述I/O控制器模塊113用於為核心控制模塊提供與數據交換和埠驅動的服務，並通過5號輸出埠控制開關模塊的通斷，通過7號輸入埠接收外部開關控制輸入的指令:或直接將數字式指令信號傳遞給數字微控制器模塊110分析，或將模擬式指令信號送ADC模塊115處理轉換後再提交給數字微控制器模塊110分析；所述非易失性存儲器模塊114用於存貯判定閥值變量的配置數據，並在數字微控制器模塊(110)的控制下對內數據進行寫入、擦除、讀取操作；所述ADC模塊115為模數轉換模塊，用於採集採樣點電壓，將所得數字信息轉換後傳送給數字微控制器模塊110處理，以監控和判斷負載開關的工作電壓電流情況是否正常；ADC模塊使用3號埠作為電流檢測輸入口，4號埠作為電壓檢測輸入口；所述內部時鐘模塊116為數字微控制器提供工作所需時鐘信號。
[0021]所述供電模塊00包括穩壓管DZ1、二極體D1、線性調壓器N2、電阻Rl和電容Cl ；所述線性調壓器N2用於對輸入電壓進行調整以輸出穩定的低壓直流電供其他低壓電路模塊使用；所述穩壓管DZl用於吸收直流電源中的高壓脈衝，避免線性調壓器N2被擊穿，所述二極體Dl用於防止電流逆流、防止直流電源輸入極性變化影響線性調壓器N2 ;所述電阻Rl和電容Cl組成低通濾波電路，用於濾除線性調壓器N2輸入端上的高頻紋波，以提高線性調壓器N2輸出質量。
[0022]所述電壓檢測模塊13包括電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7、集成運放N3A、集成運放N3B和穩壓管DZ2 ;所述電阻R2與電阻R3組成分壓電路以產生直流電源輸入的電壓採樣值，輸入給採用正向跟隨器接法的集成運放N3B ;所述集成運放N3B用於隔離、穩定採樣信號；所述電阻R5、電阻R6、電阻R7與集成運放N3A組成差分放大器，用於對電壓採樣信號進行調整處理、並輸出給核心控制模塊進行分析；所述穩壓管DZ2和電阻R4用於為所述差分放大器提供穩定的參考電壓。
[0023]所述電流檢測模塊14包括電阻R8、電阻R9、電阻R10、電阻R11、電阻R12、電阻R13、電阻R14、電阻R15、電阻R16、電阻R17、電阻R18、集成運放N3C和集成運放N3D ;所述電阻R8為採樣電阻，用於採集直流電源輸送給負載的總電流；所述電阻R9、電阻R10、電阻Rll與電阻R12組成降壓電阻網絡，與由集成運放N3C和電阻R13、電阻R14、電阻R15、電阻R16組成的差分放大器共同對電流採樣信號進行調整處理，再輸送給核心控制模塊進行分析；所述集成運放N3D和電阻R17、電阻R18為差分放大器提供靜態工作點電壓，以降低其放大失真。
[0024]所述自舉升壓模塊12包括電阻R19、電阻R20、電阻R21、電阻R22、電容C3、二極體D2、三極體V1、三極體V2、三極體V3、三極體V4和穩壓管DZ3 ;所述R19為限流電阻，其一端連接核心控制模塊的6號輸出埠、即PWM模塊輸出埠，另一端連接三極體Vl和三極體V2的發射極；所述電阻R20和電阻R21組成分壓電路為PWM信號提供翻轉參考電平，提高翻轉效率；所述電容C3為自舉電容，電阻R22與電容C3串接，用於電容C3充電的限流；所述二極體D2用於阻止電容C3電流逆流、限制電容C3輸出電壓峰值，保護開關模塊；所述三極體V3和三極體V4分別通過三極體Vl和三極體V2的驅動，實現高低壓的隔離及低壓驅動高壓的通斷:
當PWM輸出高電平時，三極體Vl和三極體V3截止，三極體V2和三極體V4導通，直流電源通過D2和R22給自舉電容C3充電，電容C3充電完後保持兩端電壓與直流電源相同；當PWM輸出變為低電平之後，三極體Vl和三極體V3導通，三極體V2三極體V4截止，直流電源強行抬高電容C3負端電壓，使電容C3正極得到2倍於直流電源電壓的電動勢；用於驅動開關模塊中的高邊N溝道MOS管。
[0025]所述開關模塊15包括電阻R23、電阻R24、電阻R25、電阻R26、電阻R27、電阻R28、二極體D3、二極體D4、二極體D5、三極體V5、三極體V6、三極體V7、三極體V8、三極體V9、N溝道MOS管VlO和可調電阻器RPl ;所述R23為限流電阻，其一端連接核心控制模塊的5號輸出埠，另一端連接三極體V5和三極體V6的發射極；所述電阻R24與電阻R25組成分壓電路為核心控制模塊輸出的開關控制信號提供翻轉參考電平，提高翻轉效率；所述三極體V7和三極體V8分別通過三極體V5和三極體V6的驅動，實現高低壓的隔離、以及低壓驅動高壓的通斷: 當開關控制信號為低電平時，三極體V6和三極體V8截止，三極體V5和三極體V7導通，自舉升壓模塊輸出的高電壓通過限流電阻R26加到N溝道MOS管VlO的柵級，使得N溝道MOS管VlO導通，開始為負載供電；當開關控制信號為高電平時，三極體V6和三極體V8導通，三極體V5和三極體V7截止，N溝道MOS管VlO柵極通過二極體D3快速放電拉低電壓，N溝道MOS管VlO迅速截止，切斷對負載的供電。
[0026]所述三極體V9、電阻R27與可調電阻器RPl組成負反饋電路，用於調節N溝道MOS管VlO柵極最大輸入電壓的大小，以保護N溝道MOS管VlO柵極不被過高電壓擊穿；所述二極體D4、電阻R28與電容C4組成RC脈衝吸收電路，用於吸收由負載引發的N溝道MOS管VlO開通關斷過程中源極與漏極間的瞬時高壓脈衝，保護N溝道MOS管VlO不被擊穿；所述二極體D5用於負載為感性情況下，在N溝道MOS管VlO關斷瞬間為負載續流，保護N溝道MOS管VlO不被擊穿。
[0027]上述實施例中:
1.所述核心控制模塊採用為單一集成晶片、如MC9S08QD2CSC晶片，作為變換，在某些特殊情況下也可採用具有相應功能的模塊集合體；
2.上述實施例中所述時鐘信號產生方式為RC電路方式，RC電路時鐘頻率和精度都較低，受溫度影響較大，如需要更高頻率，核心控制模塊可以關閉內部時鐘模塊，使用外接的外部時鐘模塊來提供高頻時鐘信號。
[0028]工作程序及原理
將本開關設置為接受外部電平信號控制工作模式，開啟過流、短路保護和自恢復功倉泛;
接通直流電源，供電模塊開始工作，核心控制模塊上電完成自檢啟動等待外部開關指令，其PWM模塊此時不工作，並保持開關模塊處於關斷狀態；
核心控制模塊接收到外部開關指令接通負載，核心控制模塊確認指令後開啟PWM模塊，使自舉升壓模塊開始工作為開關模塊提供驅動N溝道MOS管所需的電壓，短暫的延時確保自舉升壓模塊輸出穩定後，控制開關模塊開通，開始為負載供電；
開關模塊開通後，核心控制模塊持續周期性接收電壓檢測模塊、電流檢測模塊傳來的檢測信號，與自身預先存儲的設定閥值進行對比，確認當前負載工作情況:
如檢測結果電壓電流在正常範圍內，就保持開關模塊持續開通；
如檢測到電壓正常，電流超閥值，可判定為負載電流過大，激活過流保護程序，控制開關模塊關斷負載輸出，延遲一段預設時間後，重新控制開關模塊開通負載供電，檢測電壓電流情況是否恢復正常，如恢復正常，開關模塊可持續開通，如未恢復正常，開關模塊關斷，延遲一段預設時間後再次嘗試開通，如此往復；
如檢測到電壓低於電壓閥值，同時電流高於電流閥值，可判定為出現負載短路，激活短路保護程序，控制開關模塊關斷負載輸出，延遲一段預設時間後，重新控制開關模塊開通負載供電，檢測電壓電流情況是否恢復正常，如恢復正常，開關模塊可持續開通；如未恢復正常，開關模塊關斷，延遲一段預設時間後再次嘗試開通；如連續3次嘗試後電壓電流仍未恢復正常，可判定此短路故障無法自行消除，PWM模塊和自升壓模塊將停止工作，開關模塊關斷負載，核心控制模塊也不再做恢復開通的嘗試，直至本智能開關斷電後重新上電為止。
【權利要求】
1.一種寬電壓適應性的高效率智能高邊電子負載開關，其特徵在於:所述智能高邊電子負載開關包括供電模塊(00)、核心控制模塊(11)、自舉升壓模塊(12)、電壓檢測模塊(13 )、電流檢測模塊(14 )和開關模塊(15 ); 所述核心控制模塊(11)的輸入端接口分別連接外部開關控制輸入、電壓檢測模塊和電流檢測模塊的輸入端，其輸出端接口分別連接自舉升壓模塊和開關模塊； 所述電壓檢測模塊(13)和電流檢測模塊(14)的輸入端分別與供電模塊連接，其輸出端連接核心控制模塊的輸入端接口； 所述自舉升壓模塊(12)的輸入端與核心控制模塊的輸出端接口連接，自舉升壓模塊的輸出端連接開關模塊； 所述供電模塊(00)輸入端與外部電源連接，輸出端分別連接所述核心控制模塊、自舉升壓模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊和開關模塊；所述供電模塊用於接受外部供電電源輸入，並為所述核心控制模塊、自舉升壓模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊和開關模塊提供相應的供電和檢測接入點； 所述核心控制模塊(11)用於信號採集、信息處理、存儲和邏輯控制:一是接受外部開關控制輸入信號、 電流檢測模塊和電壓檢測模塊輸出的檢測信號，並按內部存儲的程序處理分析監控數據，控制開關模塊完成相應動作，二是為自舉升壓模塊提供PWM控制信號； 所述電壓檢測模塊(13)用於檢測開關模塊的實時工作電壓，並將檢測數據傳遞給核心控制模塊處理分析； 所述電流檢測模塊(14)用於檢測開關模塊的實時工作電流，並將檢測數據傳遞給核心控制模塊處理分析； 所述自舉升壓模塊(12)用於接受核心控制模塊的控制，為開關模塊中的開關管提供所需的驅動電壓； 所述開關模塊(15)用於接受核心控制模塊的控制，執行負載的通斷動作。
2.根據權利要求1所述的一種寬電壓適應性的高效率智能高邊電子負載開關，其特徵在於:所述核心控制模塊(11)包括數字微控制器模塊(110 )、內部電源管理模塊(111 )、PWM模塊(112)、I/O控制器模塊(113)、非易失性存儲器模塊(114)、ADC模塊(115)和內部時鐘模塊(116)； 所述數字微控制器模塊(110)是核心控制模塊的控制中心，用於執行各種計算或指令； 所述內部電源管理模塊(111)為數字微控制器模塊、非易失性存儲器模塊、I/O控制器模塊、ADC模塊、內部時鐘模塊、PWM模塊提供合適的供電管控，一是用於接受數字微控制器模塊的控制，關閉或開啟除數字微控制器模塊以外其他模塊的供電，最小化系統電力消耗，二是用於獨立執行電壓檢測:當輸入電壓過低或不穩時發送通知給數字微處理器模塊，使其及時採取措施避免出現控制紊亂；內部電源管理模塊使用I號埠作為輸入負極，使用2埠作為輸入正極； 所述PWM模塊(112)用於根據數字微控制器的設定、產生一定頻率和佔空比的穩定PWM信號，並通過6號輸出埠驅動控制自舉升壓模塊的工作； 所述I/O控制器模塊(113)用於為核心控制模塊提供與數據交換和埠驅動的服務，並通過5號輸出埠控制開關模塊的通斷，通過7號輸入埠接收外部開關控制輸入的指令:或直接將數字式指令信號傳遞給數字微控制器模塊(110)分析，或將模擬式指令信號送ADC模塊(115)處理轉換後再提交給數字微控制器模塊(I 10)分析； 所述非易失性存儲器模塊(114)用於存貯判定閥值變量的配置數據，並在數字微控制器模塊(110)的控制下對內數據進行寫入、擦除、讀取操作； 所述ADC模塊(115)為模數轉換模塊，用於採集採樣點電壓，將所得數字信息轉換後傳送給數字微控制器模塊(110)處理，以監控和判斷負載開關的工作電壓電流情況是否正常；ADC模塊使用3號埠作為電流檢測輸入口，4號埠作為電壓檢測輸入口 ； 所述內部時鐘模塊(116 )用於為數字微控制器提供工作所需時鐘信號。
3.根據權利要求1或2所述的一種寬電壓適應性的高效率智能高邊電子負載開關，其特徵在於:所述供電模塊(00)包括穩壓管DZ1、二極體D1、線性調壓器N2、電阻Rl和電容Cl ； 所述線性調壓器N2用於對輸入電壓進行調整以輸出穩定的低壓直流電供其他低壓電路模塊使用； 所述穩壓管DZl用於吸收直流電源中的高壓脈衝，避免線性調壓器N2被擊穿，所述二極體Dl用於防止電流逆流、防止直流電源輸入極性變化影響線性調壓器N2 ； 所述電阻Rl和電容Cl組成低通濾波電路，用於濾除線性調壓器N2輸入端上的高頻紋波，以提高 線性調壓器N2輸出質量。
4.根據權利要求3所述的一種寬電壓適應性的高效率智能高邊電子負載開關，其特徵在於:所述電壓檢測模塊(13)包括電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7、集成運放N3A、集成運放N3B和穩壓管DZ2 ； 所述電阻R2與電阻R3組成分壓電路以產生直流電源輸入的電壓採樣值，輸入給採用正向跟隨器接法的集成運放N3B ； 所述集成運放N3B用於隔離、穩定採樣信號； 所述電阻R5、電阻R6、電阻R7與集成運放N3A組成差分放大器，用於對電壓採樣信號進行調整處理、並輸出給核心控制模塊進行分析； 所述穩壓管DZ2和電阻R4用於為所述差分放大器提供穩定的參考電壓。
5.根據權利要求4所述的一種寬電壓適應性的高效率智能高邊電子負載開關，其特徵在於:所述電流檢測模塊(14)包括電阻R8、電阻R9、電阻RlO、電阻Rl 1、電阻Rl2、電阻Rl3、電阻R14、電阻R15、電阻R16、電阻R17、電阻R18、集成運放N3C和集成運放N3D ； 所述電阻R8為採樣電阻，用於採集直流電源輸送給負載的總電流； 所述電阻R9、電阻R10、電阻Rll與電阻R12組成降壓電阻網絡，與由集成運放N3C和電阻R13、電阻R14、電阻R15、電阻R16組成的差分放大器共同對電流採樣信號進行調整處理，再輸送給核心控制模塊進行分析； 所述集成運放N3D和電阻R17、電阻R18為差分放大器提供靜態工作點電壓，以降低其放大失真。
6.根據權利要求5所述的一種寬電壓適應性的高效率智能高邊電子負載開關，其特徵在於:所述自舉升壓模塊(12)包括電阻R19、電阻R20、電阻R21、電阻R22、電容C3、二極體D2、三極體V1、三極體V2、三極體V3、三極體V4和穩壓管DZ3 ； 所述R19為限流電阻，其一端連接核心控制模塊的6號輸出埠、即PWM模塊輸出埠，另一端連接三極體Vl和三極體V2的發射極； 所述電阻R20和電阻R21組成分壓電路為PWM信號提供翻轉參考電平，提高翻轉效率； 所述電容C3為自舉電容，電阻R22與電容C3串接，用於電容C3充電的限流； 所述二極體D2用於阻止電容C3電流逆流、限制電容C3輸出電壓峰值，保護開關模塊；所述三極體V3和三極體V4分別通過三極體Vl和三極體V2的驅動，實現高低壓的隔離及低壓驅動高壓的通斷:當PWM輸出高電平時，三極體Vl和三極體V3截止，三極體V2和三極體V4導通，直流電源通過D2和R22給自舉電容C3充電，電容C3充電完後保持兩端電壓與直流電源相同；當PWM輸出變為低電平之後，三極體Vl和三極體V3導通，三極體V2三極體V4截止，直流電源強行抬高電容C3負端電壓，使電容C3正極得到2倍於直流電源電壓的電動勢；用於驅動開關模塊中的高邊N溝道MOS管。
7.根據權利要求6所述的一種寬電壓適應性的高效率智能高邊電子負載開關，其特徵在於:所述開關模塊(15)包括電阻R23、電阻R24、電阻R25、電阻R26、電阻R27、電阻R28、二極體D3、二極體D4、二極體D5、三極體V5、三極體V6、三極體V7、三極體V8、三極體V9、N溝道MOS管VlO和可調電阻器RPl ； 所述R23為限流電阻，其一端連接核心控制模塊的5號輸出埠，另一端連接三極體V5和三極體V6的發射極； 所述電阻R24與電阻R25組成分壓電路為核心控制模塊輸出的開關控制信號提供翻轉參考電平，提聞翻轉效率； 所述三極體V7和三極體V8分別通過三極體V5和三極體V6的驅動，實現高低壓的隔離、以及低壓驅動高壓的通斷:當開關控制信號為低電平時，三極體V6和三極體V8截止，三極體V5和三極體V7導通，自舉升壓模塊輸出的高電壓通過限流電阻R26加到N溝道MOS管VlO的柵級，使得N溝道MOS管VlO導通，開始為負載供電；當開關控制信號為高電平時，三極體V6和三極體V8導通，三極體V5和三極體V7截止，N溝道MOS管VlO柵極通過二極體D3快速放電拉低電壓，N溝道MOS管VlO迅速截止，切斷對負載的供電； 所述三極體V9、電阻R27與可調電阻器RPl組成負反饋電路，用於調節N溝道MOS管VlO柵極最大輸入電壓的大小，以保護N溝道MOS管VlO柵極不被過高電壓擊穿； 所述二極體D4、電阻R28與電容C4組成RC脈衝吸收電路，用於吸收由負載引發的N溝道MOS管VlO開通關斷過程中源極與漏極間的瞬時高壓脈衝，保護N溝道MOS管VlO不被擊穿; 所述二極體D5用於負載為感性情況下，在N溝道MOS管VlO關斷瞬間為負載續流，保護N溝道MOS管VlO不被擊穿。
【文檔編號】H03K17/082GK104079276SQ201410302416
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月28日 優先權日:2014年6月28日
【發明者】何聖 申請人:柳州長虹機器製造公司