一種高邊智能固態繼電器的製作方法

2023-08-01 03:38:06

本發明涉及電子設備領域，尤其是一種高邊智能固態繼電器。

背景技術：

傳統的電磁繼電器具有經濟、可靠、無靜態功耗、電源利用率高和輸入和輸出迴路間高度隔離、易於實現大功率化等優點。但是，電磁繼電器存在固有缺點：

電磁繼電器的機械觸點結構具有開關瞬時抖動的缺點，使得：(1)開關延遲時間必須長達7ms限制了高速應用；(2)對環境有電火花和電磁輻射；(3)電火花腐蝕、金屬氧化和彈性疲勞使觸點可靠性下降，壽命有限；(4)不能適應繼電器智能化和數位化控制的低功耗驅動需要。

固態繼電器的輸出電路是在觸發信號的控制下，實現固態繼電器的「無觸點開關」通斷切換。輸出電路主要由輸出器件(晶片)和起瞬態抑制作用的吸收回路組成，有時還包括反饋電路。

目前，各種固態繼電器使用的輸出器件主要有晶體三極體(transistor)、單向可控矽(thyristor或scr)、雙向可控矽(triac)、mos場效應管(mosfet)、絕緣柵型雙極電晶體(igbt)等。

固體繼電器在一定程度上克服了電磁繼電器的缺點，用可控矽或巨型電晶體作為固體開關元件，提高了繼電器使用壽命和在惡劣環境中使用的適應能力；小信號驅動能力及高速開關特性容易實現智能化控制。但是，這種固體繼電器也有它的缺點：(1)輸入和輸出控制迴路之間沒有隔離，對感性負載而言輸入迴路的元器件易受破壞。(2)可控矽或巨型電晶體都具有較大的飽和壓降，使得這種固體繼電器的電源利用效率降低、自身功耗大。(3)靜態維持電流大。

固體繼電器的開關元件開始採用功率mos管，解決了大電流情況下的飽和壓降偏大/決開關管的電壓閾值損耗問題。通常的解決方法是需要引進電荷泵電路，但又帶來電磁輻射影響。

技術實現要素：

為了解決上述現有技術中存在的問題，本發明提供一種高邊智能固態繼電器。

一種高邊智能固態繼電器，包括有帶限流驅動led光mos繼電器m1和恆流驅動led光電泵m2，負載電源電壓v2經由恆流源電性串接控制於所述光mos繼電器m1和光電泵m2，所述光mos繼電器m1和光電泵m2組合形成限流驅動信號與強電隔離具有極小靜態功耗的拓撲結構；控制信號電壓v1連接於光mos繼電器m1驅動側高端，驅動側低端接地；負載電源電壓v2經由恆流源連接於光電泵m2的驅動側高端，驅動側低端連接於光mos繼電器m1的受控側高端，受控側低端與萬分之一負載電流檢測採樣電阻r、負載電阻rl的共同低端一起接電源地。負載電源電壓v2連接於功率電子開關k2高端，功率電子開關k2的低端連接於電流檢測的高端，功率電子開關k2的控制端連接於電子開關k1的高端；電子開關k1的高端電性連接於光電泵m2受控側的高端，電子開關k1的低端分別電性連接於光電泵m2受控側低端、功率電子開關k2和電流檢測的節點；電子開關k1的控制端連接於控制邏輯的輸出端，控制邏輯的輸入端電性連接於電流檢測的輸出側；電流檢測的低端連接於負載rl的高端，負載rl的低端接地；電流檢測的輸出側電性連接於萬分之一負載電流檢測採樣電阻r的高端，萬分之一負載電流檢測採樣電阻r的低端連接於負載rl的低端電源地。

作為一種優選方案的，電流檢測與運算放大器組成1/10000比例負載電流實時共地檢測部分；負載電流i-load通過r-sense在電阻r5、電阻r6兩端產生壓降，電阻r6電性連接於2號節點，2號節點經由電阻r7連接於4號節點，負載端經由電阻r5連接於1號節點，1號節點經由電阻r8連接於3號節點，3號節點和4號節點之間設有電阻r，所述4號節點經由檢測電路接地。

作為一種優選方案的，所述電阻r的阻值大小不為零。

作為一種優選方案的，當控制信號電壓v1信號為低時，整個系統關斷，當控制信號電壓v1輸入高電平(1.2v以上)時，僅需3-5ma輸入電流就可(＜2ms)打開功率電子開關k2，驅動負載rl；此時電子開關k1斷開，功率電子開關k2由光電泵m2電壓驅動打開；功率電子開關k2的驅動通過檢測元件受控制邏輯控制，檢測元件檢測到系統出現異常現象，控制邏輯即觸發電子開關k1、關斷功率電子開關k2。

本發明和現有技術相比，其優點在於：

(1)輸入輸出全隔離(隔離電壓≧1500v)，led光電耦合。驅動電流3-10ma，驅動電壓最低可至1.2v，輸出電流10a-30a(按需配置不同功率most來實現)。開關時間較電磁繼電器快2-3倍，可以工作在pwm模式下。

(2)採用n溝道mosfet功率管，內部採用集成光電泵m2，無需電荷泵電路就可以實現高邊驅動。並且具有負載電流實時檢測功能(輸出萬分之一負載電流，精度優於5％)。工作溫度範圍-40℃-+120℃.；適用於dc12-24v供電的各種阻性、感性或容性負載。

(3)具有多項保護功能：短路保護、過載保護、過壓保護、過溫保護、感性負載保護、掉地和掉電保護、靜電放電保護和電源反接保護。靜態工作電流≤10ua。可靠性和使用壽命比電磁繼電器提高二個數量級。

本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明光電隔離、耦合電壓泵觸發控制電路示意圖；

圖2為本發明負載電流實時檢測原理示意圖。

具體實施方式

下面將參照附圖更詳細地描述本公開的示例性實施例。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實施例，然而應當理解，可以以各種形式實現本公開而不應被這裡闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了能夠更透徹地理解本公開，並且能夠將本公開的範圍完整的傳達給本領域的技術人員。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語「縱向」、「橫向」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

首先，對附圖1和附圖2中的圖示進行專業術語定義：『電子開關k1』的頂上面引出線稱為電子開關k1的高端，底下面引出線稱為電子開關k1的低端，右側面引出線稱為電子開關k1的控制端。

『功率電子開關k2』的mosfet頂上面引出線稱為功率電子開關k2的高端，底下面引出線稱為功率電子開關k2的低端，左側面引出線稱為功率電子開關k2的控制端。

『光mos繼電器m1』的左側面稱為驅動側，左側面上部引出線稱為驅動側高端，左側面下部引出線稱為驅動側低端。光mos繼電器m1的右側面稱為受控側，右側面上部引出線稱為受控側高端，右側面下部引出線稱為受控側低端

『光電泵m2』的左側面稱為驅動側，左側面上部引出線稱為驅動側高端，左側面下部引出線稱為驅動側低端。光電泵m2的右側面稱為受控側，右側面上部引出線稱為受控側高端，右側面下部引出線稱為受控側低端。

『控制邏輯』頂上面引出線稱為控制邏輯的輸出端，右側面引出線稱為控制邏輯的輸入端。

『電流檢測』頂上面引出線稱為電流檢測的高端，底下面引出線稱為電流檢測的低端。電流檢測左側面稱為電流檢測的輸出側，左側面上部引出線稱為電流檢測輸出高端，左側面下部引出線稱為電流檢測輸出低端。

『負載rl』上部端子稱為負載rl的高端，負載rl下部端子稱為負載rl的低端。

『萬分之一負載電流檢測採樣電阻r上部端子稱為萬分之一負載電流檢測採樣電阻r的高端，萬分之一負載電流檢測採樣電阻r下部端子稱為萬分之一負載電流檢測採樣電阻r的低端。

『負載電源電壓v2』和『控制信號電壓v1』。

由附圖1和附圖2所示，一種高邊智能固態繼電器，包括有帶限流驅動led光mos繼電器m1和恆流驅動led光電泵m2，負載電源電壓v2經由恆流源電性串接控制於所述光mos繼電器m1和光電泵m2，所述光mos繼電器m1和光電泵m2組合形成限流驅動信號與強電隔離，具有極小靜態功耗的拓撲結構；控制信號電壓v1連接於光mos繼電器m1驅動側高端，驅動側低端接地；負載電源電壓v2經由恆流源連接於負載電源v2光電泵m2的驅動側高端，驅動側低端連接於光mos繼電器m1的受控側高端，受控側低端連接於萬分之一負載電流採樣電阻r的低端；負載電源電壓v2連接於功率電子開關k2高端，功率電子開關k2的低端連接於電流檢測的高端，功率電子開關k2的控制端連接於電子開關k1的高端；電子開關k1的高端電性連接於光電泵m2受控側的高端，電子開關k1的低端分別電性連接於光電泵m2受控側低端、功率電子開關k2和電流檢測的節點；電子開關k1的控制端連接於控制邏輯的輸出端，控制邏輯的輸入端電性連接於電流檢測的輸出側；電流檢測的低端連接於負載rl的高端，負載rl的低端接地；電流檢測的輸出側電性連接於萬分之一負載電流採樣電阻r的高端，萬分之一負載電流採樣電阻r的低端連接於負載rl的低端。

作為一種優選方案的，電流檢測與運算放大器組成1/10000比例負載電流實時共地檢測部分；負載電流i-load通過r-sense在電阻r5、電阻r6兩端產生壓降，電阻r6電性連接於2號節點，2號節點經由電阻r7連接於4號節點，r-sense另一端經由電阻r5連接於1號節點，1號節點經由電阻r8連接於3號節點，3號節點和4號節點之間設有電阻r，所述4號節點經由檢測電路接地。

作為一種優選方案的，本發明所述電阻r的阻值大小不為零。

一種高邊智能固態繼電器的工作原理：當控制信號電壓v1信號為低時，整個系統關斷，當控制信號電壓v1輸入高電平(1.2v以上)時，僅需3-5ma輸入電流就可(＜2ms)打開功率電子開關k2，驅動負載rl；此時電子開關k1斷開，功率電子開關k2由光電泵m2的泵電壓驅動打開；功率電子開關k2的驅動通過檢測元件受控制邏輯控制，檢測元件檢測到系統出現異常現象，控制邏輯即觸發電子開關k1、關斷功率電子開關k2。

實施例1

本發明採用一種限流驅動led光mos繼電器m1和恆流驅動led光電泵m2組合的電路升壓技術配合電子開關k1控制觸發電路，無需電荷泵電路就可以實現n溝功率mosfet的高邊驅動(圖1所示)，當v1信號為低時，整個系統關斷，當v1輸入高電平(1.2v以上)時，僅需3-5ma輸入電流就可以迅速(＜2ms)打開k2，驅動動負載rl，此時k1斷開，k2由m2的光電泵m2的泵電壓驅動打開。k2的驅動通過檢測元件受控制邏輯控制，一旦檢測元件檢測到系統出現過壓，過流(短路)，過溫，欠壓等現象，控制邏輯立即就觸發k1關斷k2，從而實現對系統的保護。

同時本發明具有負載電流實時共地(智能)檢測功能(輸出萬分之一負載電流)；圖2中，r_sense為採樣電阻，若電阻r＝0、r7接於節點2與「地」之間，則r5、r6、r7、r8與運放組成典型的減法器電路。

r5、r8及r6、r7的分壓將位於高邊電平的負載電流檢測信號[(i-load)×(r-sense)]降至適合一般運放的輸入電平共模範圍內。r8的負反饋使節點1的電平跟隨節點2，減法器輸出差值電壓施加於節點3、4與「地」之間的檢測採樣電阻r二端，此減法器輸出特性歸類於電壓源。

本發明中節點3與節點4之間串接入電阻r≠0，且r7改接於節點2與節點4之間；則減法器輸出差值電壓施加於節點3與節點4之間的電阻r二端。即減法器輸出流過檢測採樣電阻r的電流為(差值電壓/r)，此減法器輸出特性歸類於電流源。

為便於推演和獲簡明的定量關係，取r5＝r6＝r7＝r8、r7>>r、r8>>r則可得：減法器輸出流過檢測採樣電阻r的電流即(i-load)/10000≈(i-load)×(r-sense)/r。電路設計時，取(r-sense)/r＝1/10000，則減法器輸出萬分之一負載電流，當流過負載電阻rl的電流i_rl＝10a時，如果取r＝1kω(0.1％)，則檢測採樣電阻r二端的電壓為1v，即可實現對負載電流1/10000的共地實時監測。

若取(r-sense)/r＝1/2000，則減法器輸出二千分之一負載電流；其他輸出依次類推，

儘管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由權利要求及其等同物限定。