電子繼電器的製造方法
2023-07-09 05:55:21
電子繼電器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種電子繼電器，電子繼電器包括控制輸入裝置、輸入電路、整合電路、主控電路、驅動電路和大功率開關管；控制輸入裝置的輸出端連接主控電路；輸入電路分別連接電源和主控電路；主控電路的第一控制端通過驅動電路連接大功率開關管的被控端；第二控制端連接整合電路；大功率開關管的輸入端連接電源，輸出端連接負載；大功率開關管為NMOS管。本方案採用NMOS管且將負載連接在NMOS管下方。整合電路將電壓提升以後輸出到驅動電路，使驅動電路具有足夠大的電壓和電流來驅動NMOS管工作。主控電路控制整合電路和驅動電路的工作狀態，從而間接實現對NMOS管的控制。本實用新型適用於汽車及汽柴油機電路控制。
【專利說明】電子繼電器【技術領域】
[0001]本實用新型涉及電路控制設備，尤其是涉及一種使用在汽車上的電子繼電器及其控制方法。
【背景技術】
[0002]汽車的誕生已經具有近百年的歷史，繼電器作為汽車電器一個傳統部件，在汽車的使用過程中起著不可或缺的作用。但是，多年的實踐證明，傳統的機械式繼電器具有以下顯著的缺點:首先，功能單一，只能起到電源的開閉作用，不能實現智能化、集成化和自動化，也就不能保證完全按照汽車電器的原理或相關標準進行工作，因此給車載電器造成了很多不應有的損害。其次，就是目前汽車所使用的繼電器絕大部分都是傳統的機械式繼電器，由於經常受到高壓電弧的衝擊，機械式繼電器的觸點和導電片之間經常因燒蝕而產生粘連的現象，直接造成車載電器線圈或電路的燒毀，給汽車的使用帶來諸多不便，這是目前國內外一直未能得到根本解決的難題。第三，目前的車載電器缺乏安全保護措施，不能有效地防止不安全現象的發生。由於上述問題長期以來一直未得到有效的解決，不僅給車載電器生產廠家帶來很大損失，同時也嚴重地影響車輛的正常使用。
[0003]用電的基本原則是控制(如繼電器)在上，電器負載在下，即繼電器串接在電源正極和負載之間。通常情況下控制在上應該使用P溝道場效應管作為開關管。但是由於受P溝道場效應管技術指標和價格等因素的影響，限制了繼電器的使用渠道和範圍。而N溝道場效應管具有適應範圍廣、功率大等P溝道場效應管所不具有的優勢。但N溝道場效應管作為開關管實現控制在上，電器負載在下，需要難以實現的高於車載電源電壓的穩定驅動電壓和驅動電流。
[0004]中華人民共和國國家知識產權局於2012年01月25日公開了公布號為CN102332900A的專利文獻，名稱是一種固體繼電器，其包括一個光伏二極體陣列和一個或兩個場效應電晶體；還包括一個由光 電電晶體、電阻組成的充電電路，光電電晶體的發射極接效應電晶體的柵極，集電極接在光伏二極體陣列的第一端，電阻接在場效應電晶體的源極和光伏二極體陣列的第二端之間；一個由三極體、N溝道場效應電晶體和兩個電阻組成的加速洩放電路，三極體經一個電阻接場效應電晶體的柵極，集電極接在光伏二極體陣列的第二端，基極接光伏二極體陣列的第一端，N溝道場效應電晶體的漏極經一個電阻接場效應電晶體的柵極，源極與襯底接在場效應電晶體的源極，柵極接在光伏二極體陣列的第二端。此方案仍然無法使用N溝道場效應管作為開關管實現控制在上負載在下的布局。
【發明內容】
[0005]本實用新型主要是解決現有技術所存在的不能使用N溝道場效應管作為開關管，實現控制在上負載在下的布局的技術問題，尤其是在脈衝寬度調製模式下的大功率N溝道場效應管的應用，提供一種可以輸出較高電壓來驅動連接與負載上方的大功率N溝道場效應管的電子繼電器。[0006]本實用新型針對上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的:一種電子繼電器，包括控制輸入裝置、輸入電路、整合電路、主控電路、驅動電路和大功率開關管；所述控制輸入裝置的輸出端連接主控電路；所述輸入電路的輸入端連接電源，輸出端連接主控電路；所述主控電路的第一控制端通過驅動電路連接大功率開關管的被控端；主控電路的第二控制端連接整合電路；所述大功率開關管的輸入端連接電源，輸出端連接負載；所述整合電路包括升壓電路、整形電路和穩壓電路，所述升壓電路的輸入端連接電源，輸出端通過整形電路和穩壓電路連接到驅動電路的供電端；所述大功率開關管為N溝道場效應管。
[0007]本方案採用N溝道場效應管，並且將負載連接在N溝道場效應管下方。整合電路將電壓提升以後輸出到驅動電路，使驅動電路具有足夠大的電壓和電流來驅動N溝道場效應管工作。輸入電路為主控電路提供電源，主控電路通過輸出脈寬調製下的方波控制整合電路和驅動電路的工作狀態，從而間接實現對大功率開關管的控制。輸入控制裝置用於向主控電路輸入原始指令，使其按照設定的程序和內容進行工作。繼電器可與相關的傳感器連接，還可以與車載其它電器或控制系統進行互通互聯，交互配合使用。通過主控電路的監控，可實現相關的自動控制及監控等功能。
[0008]作為優選，所述整合電路包括電感L1、電容C9、電容C10、三極體Ql、三極體Q2、三極體Q3、電阻R2、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7、二極體Dl和穩壓二極體D2 ；電感LI的一端連接電源，另一端連接三極體Ql的集電極；三極體Ql的基極作為A埠連接主控電路的第二控制端，發射極接地；二極體Dl的正極連接三極體Ql的集電極，負極連接三極體Q3的集電極；電容ClO的一端連接電源，另一端連接三極體Q3的集電極；電阻R7跨接在三極體Q3的集電極和基極之間；三極體Q3的基極連接三極體Q2的發射極，三極體Q3的發射極連接驅動電路的供電端；電阻R4的一端連接三極體Q2的集電極，另一端連接電阻R5的一端，電阻R5的另一端接地；電阻R6跨接在三極體Q2的發射極和基極之間；穩壓二極體D2的負極連接三極體Q2的基極，正極連接負載；電容C9的一端連接三極體Q3的發射極，另一端連接負載。
[0009]升壓電路主要是升高車載電源電壓，為驅動電路提供合適的電壓，其主要包括電感L1、與三極體Ql和續流二極體Dl。
[0010]整形電路主要是對升高的電壓進行濾波整形，降低提供給驅動電路的電壓紋波，得到穩定的電壓VCC，其主要包括三極體Q2和電容C10。
[0011]穩壓電路主要是對抬升、整形的電壓進行箝位，使提供給驅動電路的電壓VCC穩定在一個範圍內，其主要包括三極體Q3和穩壓管D2。
[0012]作為優選，所述電阻R4和電阻R5的連接點為B埠，主控電路包括反饋端，B埠連接反饋端。
[0013]主控電路根據B埠判斷整合電路的輸出狀態，從而實現更精確的控制。
[0014]作為優選，所述驅動電路包括電阻R8、電阻R9、電阻RlO、電阻Rl 1、三極體Q4、三極體Q5、三極體Q6、三極體Q7和二極體D3 ;所述三極體Q5的發射極作為驅動電路的供電端，三極體Q5的基極連接三極體Q4的集電極，三極體Q5的的集電極連接電阻RlO的一端，電阻RlO的另一端連接三極體Q6的集電極，三極體Q6的發射極接地，基極連接主控電路；三極體Q4的基極連接主控電路，發射極通過電阻R9接地；電阻R8跨接在三極體Q5的基極和發射極之間；二極體D3的正極連接三極體Q5的集電極，負極連接大功率開關管的被控端；三極體Q7的基極連接二極體D3的正極，發射極連接二極體D3的負極，集電極連接大功率開關管的輸出端；電阻Rll跨接在三極體Q7的基極和集電極之間；大功率開關管的輸入端連接電源，輸出端連接負載。
[0015]驅動電路包括推挽電路和局部加速關斷電路。
[0016]推挽電路主要是提高電路帶負載能力和開關速度，快速的驅動mos管的開關，主要由三極體Q4、Q5、Q6組成。
[0017]局部加速關斷電路主要是當mos管關斷的時候，加速關斷，縮短關斷時間，降低mos管的損耗，主要由Q7和D3組成。
[0018]一種適用於前述的電子繼電器的控制方法，包括如下步驟:
[0019]一、將電源電壓VI劃分為三個區間，每個區間有一個電壓上限和電壓下限；
[0020]二、檢測電源電壓，判斷所在範圍；
[0021]三、根據公式don=(VCC+Vd_VI)/(VCC+Vd)，對VI分別取值電壓上限和電壓下限，計算最小的佔空比donmin和最大佔空比donmax ；
[0022]四；檢測B埠的電平，如果是低電平，則輸出到A埠的下一個方波的佔空比don= ( (donmin+donmax)/2+ donmin) /2 ;如果B埠是高電平，則輸出到A埠的下一個方波的佔空比為 don= ( (donmin+donmax) /2+ don.) /2 ；
[0023]VCC是整合電路輸出到驅動電路的供電端的電壓,don是主控電路輸出到A埠的方波的佔空比，Vd為二極體壓降。
[0024]第一區間為大於等於10V到小於16V，第二區間為大於等於16V到小於22V，第三區間為大於等於22V到小於等於28V，如果檢測到電源電壓不在這個範圍內，則停止工作並報警。
[0025]電源長時間工作以後輸出電壓會發生變化。主控晶片根據檢測到的車載電源電壓，給A埠輸出脈衝方波，升壓電路根據A埠的信號升高電壓VCC，當VCC電壓超過穩壓管的值後，使B埠輸出低電平，B再反饋給主控晶片。
[0026]其中A埠的方波佔空比由兩個因素決定，一個是來自檢測到的車載電源信號，另一個是通過B埠反饋過來的信號。通過這兩個信號的綜合來決定A埠的信號，從而得到穩定的VCC電壓。
[0027]本繼電器應用了脈衝寬度調製技術，這樣就使車載電器得到更加合理、更加節能的電源，因此車載負載能夠實現有調節或控制的使用，保護車載用電負載及多個負載之間均衡運行，減少負載的使用時間，延長使用壽命及強化使用效果。
[0028]本方案具有以下特點:
[0029]1.無觸點繼電:所述的無觸點繼電就是通過場效應管(M0S管)在本專利的設計原理和電路設計支持下，取代傳統機械式的觸點繼電方式，完全實現了電子繼電。因此也就杜絕了傳統磁力開關的觸點粘連及燒蝕等諸多問題。
[0030]2.功能化:所述的功能化就是該繼電器具有監控、存取、控時和安全保護等智能化功能。將這些功能預先設定在主控晶片和主控電路中，按照預定的程序，自動向驅動電路發出執行指令，從而實現以功能的自動化及智能化的控制。
[0031]監控功能:主控晶片就是通過相關傳感器傳回的信號，依據設定的要求或程序進行相關的判別，然後向驅動電路發出相應的工作指令，以完成相關的功能。如對車載電器及其它負載的電流、電壓、轉速、溫度、移動等情況進行監控。
[0032]控制功能:就是在主控晶片內預設好程序或要求，使繼電器按照規定的內容或程序工作，例如控時、控溫等等。如控制車載電器的工作時間或間隔時間可以保證車載電器按照規定或標準的條件下工作。
[0033]保護功能:就是把需要保護的內容或要求預先設置在主控晶片內，使之成為自動實現對車載電器的保護。例如，對溫度、速度、功率、電壓、電流等控制，保護負載能夠安全有效的工作，能夠起到最大限度地保護作用。以避免給車載電器造成不應有的損害。
[0034]存取功能:本技術具有記錄與儲存及提取數據的功能。即當某項功能的數據需要記錄和存儲時，該繼電器可自動完成。並通過讀取器讀取已記錄和存儲的數據。
[0035]3.自動化:就是在本專利技術的支持下，繼電器相關功能基本上實現了自動化:監控自動化、存儲自動化、安全保護自動化，自我保護自動化。例如，對水溫，油溫等溫度的監控與保護；對電流、電壓的控制與保護等等。
[0036]4.智能化:就是在本專利技術的支持下，繼電器相關功能基本上實現了智能化。僅依靠繼電器自身的技術就能實現智能操作。例如，特別是在監控與保護等功能方面，能夠實現自動判斷，自動發出相關指令。
[0037]5.可與車載其它電器或控制系統進行互通互聯，交互配合使用。
[0038]本實用新型帶來的有益效果是，使用大功率N溝道場效應管實現了控制在上負載在下的布局，極大地拓寬了繼電器的使用渠道和適用範圍，同時採用脈衝寬度調製技術使車載電器得到更加合理、更加節能的電源，車載負載能夠實現有調節或控制的使用，保護車載用電負載及多個負載之間均衡運行，延長負載使用壽命及強化使用效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0039]圖1是本實用新型的一種電路框圖；
[0040]圖2是本實用新型的一種整合電路原理圖；
[0041]圖3是本實用新型的一種驅動電路原理圖；
[0042]圖中:1、輸入電路，2、整合電路，3、主控電路，4、驅動電路，5、大功率開關管，6、電源，7、負載，8、輸入控制裝置。
【具體實施方式】
[0043]下面通過實施例，並結合附圖，對本實用新型的技術方案作進一步具體的說明。
[0044]實施例:本實施例的一種電子繼電器，如圖1所示，包括輸入電路1、整合電路2、主控電路3、驅動電路4、大功率開關管5和輸入控制裝置8。輸入電路I的輸入端連接電源6，輸出端連接主控電路3 ;主控電路3的第一控制端通過驅動電路4連接大功率開關管5的被控端；主控電路3的第二控制端連接整合電路2 ;大功率開關管5的輸入端連接電源6，輸出端連接負載7 ;整合電路2包括升壓電路、整形電路和穩壓電路，升壓電路的輸入端連接電源6，輸出端通過整形電路和穩壓電路連接到驅動電路4的供電端；大功率開關管5為N溝道場效應管。輸入控制裝置8與主控電路3連接。
[0045]本方案應用於汽車上，所以電源6為車載電源。
[0046]驅動電路兩端連接車載電源和相對應的負載。輸入電路是經過調整的電源，以滿足主控電路所需電源。整合電路主要是為驅動電路提供合適電源，並同時提供穩定和保護電路的作用，其上端連接於繼電器進項，處於常有電狀態，當主控電路向其發出工作指令後，便進行電路整合，為驅動電路提供穩定和安全的電源。輸入控制裝置向主控電路和主控晶片發出原始工作指令，並激活輸入電路和整合電路開始工作，為主控電路和驅動電路提供合適的電路及電源，保證主控電路和驅動電路的正常工作。然後由主控電路向驅動電路發出工作指令，驅動電路根據主控電路發出的所有的相關要求或程序驅動場效應管的開閉，通過切斷或接通主電源實現各項電源的開閉作用及實現各項功能。輸入控制裝置就是最原始的指令開關，包括點火、接通及傳感器等輸入控制裝置。
[0047]如圖2所示，整合電路包括電感L1、電容C9、電容C10、三極體Ql、三極體Q2、三極體Q3、電阻R2、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7、二極體Dl和穩壓二極體D2 ；電感LI的一端連接電源，另一端連接三極體Ql的集電極；三極體Ql的基極作為A埠連接主控電路的第二控制端，發射極接地；二極體Dl的正極連接三極體Ql的集電極，負極連接三極體Q3的集電極；電容ClO的一端連接電源，另一端連接三極體Q3的集電極；電阻R7跨接在三極體Q3的集電極和基極之間；三極體Q3的基極連接三極體Q2的發射極，三極體Q3的發射極連接驅動電路的供電端；電阻R4的一端連接三極體Q2的集電極，另一端連接電阻R5的一端，電阻R5的另一端接地；電阻R6跨接在三極體Q2的發射極和基極之間；穩壓二極體D2的負極連接三極體Q2的基極，正極連接負載；電容C9的一端連接三極體Q3的發射極，另一端連接負載。電阻R4和電阻R5的連接點為B埠，主控電路包括反饋端，B埠連接反饋端。
[0048]整合電路包括升壓電路、整形電路、穩壓電路。升壓電路主要是升高車載電源電壓，為驅動電路提供合適的電壓。整形電路主要是對升高的電壓進行濾波整形，降低提供給驅動電路的電壓紋波，得到穩定的電壓VCC。穩壓電路主要是對抬升、整形的電壓進行箝位，使提供給驅動電路的電壓VCC穩定在一個範圍內。
[0049]如圖3所示，驅動電路包括電阻R8、電阻R9、電阻R10、電阻R11、三極體Q4、三極體Q5、三極體Q6、三極體Q7和二極體D3 ;所述三極體Q5的發射極作為驅動電路的供電端，三極體Q5的基極連接三極體Q4的集電極，三極體Q5的的集電極連接電阻RlO的一端，電阻RlO的另一端連接三極體Q6的集電極，三極體Q6的發射極接地，基極連接主控電路；三極體Q4的基極連接主控電路，發射極通過電阻R9接地；電阻R8跨接在三極體Q5的基極和發射極之間；二極體D3的正極連接三極體Q5的集電極，負極連接大功率開關管的被控端；三極體Q7的基極連接二極體D3的正極，發射極連接二極體D3的負極，集電極連接大功率開關管的輸出端；電阻Rll跨接在三極體Q7的基極和集電極之間；大功率開關管的輸入端連接電源，輸出端連接負載。
[0050]驅動電路包括推挽電路和局部加速關斷電路。推挽電路主要是提高電路帶負載能力和開關速度，快速的驅動mos管的開關。局部加速關斷電路主要是當mos管關斷的時候，加速關斷，縮短關斷時間，降低mos管的損耗。
[0051]主控晶片根據檢測到的車載電源電壓，給PortA埠(PortA)輸出脈衝方波，升壓電路根據A埠的信號升高電壓VCC，當VCC電壓超過穩壓管的值後，使B埠(PortB)輸出低電平，PortB再反饋給主控晶片。
[0052]其中A埠的方波佔空比由兩個因素決定，一個是來自檢測到的車載電源信號，另一個是通過B埠反饋過來的信號。通過這兩個信號的綜合來決定A埠的信號，從而得到穩定的VCC電壓。
[0053]根據檢測到的車載電源電壓VI，將VI分為三段，當VI為1(T16V時為第一段，當VI為16?22V時為第二段，當VI為22到28V時為第三段。穩定工作時，三極體的每個開關周期，導通期間電感電流的增加等於關斷期間電感電流的減少得到。
[0054]VI*don/(f*L) = (VCC+Vd-VI)* (1-don)/(f*L)整理後有
[0055]don= (VCC+Vd-VI) / (VCC+Vd)
[0056]其中VI為車載電源電壓，VCC為升高後的電源電壓，don為A埠方波佔空比，f為開關頻率，Vd為二極體壓降，L為電感量。
[0057]根據計算公式得到最小的佔空比Clonmin和最大佔空比Clonmax。A埠輸入的方波佔空比為(donmin+donmax) /2，綜合B埠反饋過來的信號。
[0058]當為低電平時，A埠方波佔空為當前佔空比與最小佔空比和的一半作為下一個佔空比，即
[0059]don= ( (donmin+donmax) /2+ donmin) /2
[0060]當為聞電平時，A埠方波佔空比為當如佔空比與最大佔空比和的一半作為下一個佔空比，即
[0061]don= ( (donmin+donmax) /2+ don眶)/2
[0062]依次不斷根據檢測到的B埠信號和車載電源信號調整A埠方波的佔空比，從而得到一個動態平衡，使VCC達到穩定。
[0063]本實施例可應用於汽車各類繼電器所需，如汽車啟動機、渦流緩速器、水箱風扇、ABS系統等所有需要繼電之處。
[0064]儘管本文較多地使用了整合電路、大功率開關管等術語，但並不排除使用其它術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便地描述和解釋本實用新型的本質；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本實用新型精神相違背的。
【權利要求】
1.一種電子繼電器，其特徵在於，包括控制輸入裝置、輸入電路、整合電路、主控電路、驅動電路和大功率開關管；所述控制輸入裝置的輸出端連接主控電路；所述輸入電路的輸入端連接電源，輸出端連接主控電路；所述主控電路的第一控制端通過驅動電路連接大功率開關管的被控端；主控電路的第二控制端連接整合電路；所述大功率開關管的輸入端連接電源，輸出端連接負載；所述整合電路包括升壓電路、整形電路和穩壓電路，所述升壓電路的輸入端連接電源，輸出端通過整形電路和穩壓電路連接到驅動電路的供電端；所述大功率開關管為N溝道場效應管。
2.根據權利要求1所述的電子繼電器，其特徵在於，所述整合電路包括電感L1、電容C9、電容CIO、三極體Ql、三極體Q2、三極體Q3、電阻R2、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7、二極體Dl和穩壓二極體D2 ;電感LI的一端連接電源，另一端連接三極體Ql的集電極；三極體Ql的基極作為A埠連接主控電路的第二控制端，發射極接地；二極體Dl的正極連接三極體Ql的集電極，負極連接三極體Q3的集電極；電容ClO的一端連接電源，另一端連接三極體Q3的集電極；電阻R7跨接在三極體Q3的集電極和基極之間；三極體Q3的基極連接三極體Q2的發射極，三極體Q3的發射極連接驅動電路的供電端；電阻R4的一端連接三極體Q2的集電極，另一端連接電阻R5的一端，電阻R5的另一端接地；電阻R6跨接在三極體Q2的發射極和基極之間；穩壓二極體D2的負極連接三極體Q2的基極，正極連接負載；電容C9的一端連接三極體Q3的發射極，另一端連接負載。
3.根據權利要求2所述的電子繼電器，其特徵在於，所述電阻R4和電阻R5的連接點為B埠，主控電路包括反饋端，B埠連接反饋端。
4.根據權利要求1或2或3所述的電子繼電器，其特徵在於，所述驅動電路包括電阻R8、電阻R9、電阻R10、電阻Rl1、三極體Q4、三極體Q5、三極體Q6、三極體Q7和二極體D3 ;所述三極體Q5的發射極作為驅動電路的供電端，三極體Q5的基極連接三極體Q4的集電極，三極體Q5的的集電極連接電阻RlO的一端，電阻RlO的另一端連接三極體Q6的集電極，三極體Q6的發射極接地,基極連接主控電路；三極體Q4的基極連接主控電路，發射極通過電阻R9接地；電阻R8跨接在三極體Q5的基極和發射極之間；二極體D3的正極連接三極體Q5的集電極，負極連接大功率開關管的被控端；三極體Q7的基極連接二極體D3的正極，發射極連接二極體D3的負極，集電極連接大功率開關管的輸出端；電阻Rll跨接在三極體Q7的基極和集電極之間；大功率開關管的輸入端連接電源，輸出端連接負載。
【文檔編號】H03K17/687GK203423665SQ201320514534
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年8月22日 優先權日:2013年8月22日
【發明者】張懷君 申請人:杭州漢風電氣有限公司