一种外接开关自锁后直流上电保护控制器论文和设计

全文摘要

本实用新型公开了一种外接开关自锁后直流上电保护控制器，包括在不使用逻辑控制芯片条件下，使用分立器件搭建在开关电路内的开关通断监测电路、电源接入监测电路和放电控制回路；开关通断监测电路由第一电阻、第一电容、第一晶体管、第三二极管和第四二极管组成，电源接入监测电路由第六电阻、第三电容、第四晶体管和信号线组成，放电控制回路由第二电阻、第五电阻、第二电容和功率半导体器件组成。本实用新型实现了直流大功率电机在开关闭合后再接入电源时的上电保护功能和在接入单独无识别电源时的上电保护功能，可以防止因误操作带来的安全隐患，避免人员与作业对象的损伤，提高产品的用电安全性，而且节约能耗，延长直流电器设备的使用寿命。

主设计要求

1.一种外接开关自锁后直流上电保护控制器，其特征在于：包括开关(S1)、开关通断监测电路和放电控制回路；所述开关通断监测电路由第一电阻(R1)、第一电容(C1)、第一晶体管(Q1)、第三二极管(D3)和第四二极管(D4)组成；所述放电控制回路由第二电阻(R2)、第五电阻(R5)、第二电容(C2)和功率半导体器件(Q2)组成；所述开关(S1)的一端连接输入端正极(B+)，所述开关(S1)的另一端连接输出端正极(OUT+)；所述第一电阻(R1)、所述第三二极管(D3)连接在所述输出端正极(OUT+)与输出端负极(OUT-)之间，所述第三二极管(D3)的阳极与所述第一电阻(R1)连接，所述第三二极管(D3)的阴极与所述输出端负极(OUT-)连接，所述第一电阻(R1)、所述第四二极管(D4)、所述第一电容(C1)连接在所述输出端正极(OUT+)与接地端(GND)之间，形成对所述第一电容(C1)的充电回路，所述第四二极管(D4)的阳极与所述第一电阻(R1)连接，所述第四二极管(D4)的阴极与所述第一电容(C1)连接，所述第一晶体管(Q1)的基极连接在所述第四二极管(D4)与所述第一电容(C1)之间，所述第一晶体管(Q1)的发射极连接所述接地端(GND)，所述第一晶体管(Q1)的集电极连接所述功率半导体器件(Q2)的栅极；所述第二电阻(R2)、所述第二电容(C2)连接在所述输入端正极(B+)与所述接地端(GND)之间，形成对所述第二电容(C2)的充电回路，所述第二电阻(R2)、所述第五电阻(R5)连接在所述输入端正极(B+)与所述接地端(GND)之间，所述功率半导体器件(Q2)的栅极连接在所述第二电阻(R2)与所述第二电容(C2)之间，所述功率半导体器件(Q2)的源极连接所述接地端(GND)，所述功率半导体器件(Q2)的漏级连接所述输出端负极(OUT-)。

设计方案

1.一种外接开关自锁后直流上电保护控制器，其特征在于：包括开关(S1)、开关通断监测电路和放电控制回路；

所述开关通断监测电路由第一电阻(R1)、第一电容(C1)、第一晶体管(Q1)、第三二极管(D3)和第四二极管(D4)组成；所述放电控制回路由第二电阻(R2)、第五电阻(R5)、第二电容(C2)和功率半导体器件(Q2)组成；

所述开关(S1)的一端连接输入端正极(B+)，所述开关(S1)的另一端连接输出端正极(OUT+)；

所述第一电阻(R1)、所述第三二极管(D3)连接在所述输出端正极(OUT+)与输出端负极(OUT-)之间，所述第三二极管(D3)的阳极与所述第一电阻(R1)连接，所述第三二极管(D3)的阴极与所述输出端负极(OUT-)连接，所述第一电阻(R1)、所述第四二极管(D4)、所述第一电容(C1)连接在所述输出端正极(OUT+)与接地端(GND)之间，形成对所述第一电容(C1)的充电回路，所述第四二极管(D4)的阳极与所述第一电阻(R1)连接，所述第四二极管(D4)的阴极与所述第一电容(C1)连接，所述第一晶体管(Q1)的基极连接在所述第四二极管(D4)与所述第一电容(C1)之间，所述第一晶体管(Q1)的发射极连接所述接地端(GND)，所述第一晶体管(Q1)的集电极连接所述功率半导体器件(Q2)的栅极；

所述第二电阻(R2)、所述第二电容(C2)连接在所述输入端正极(B+)与所述接地端(GND)之间，形成对所述第二电容(C2)的充电回路，所述第二电阻(R2)、所述第五电阻(R5)连接在所述输入端正极(B+)与所述接地端(GND)之间，所述功率半导体器件(Q2)的栅极连接在所述第二电阻(R2)与所述第二电容(C2)之间，所述功率半导体器件(Q2)的源极连接所述接地端(GND)，所述功率半导体器件(Q2)的漏级连接所述输出端负极(OUT-)。

2.根据权利要求1所述的外接开关自锁后直流上电保护控制器，其特征在于：当所述开关(S1)闭合后再接入电源时，所述第一晶体管(Q1)先于所述功率半导体器件(Q2)导通，控制器处于上电保护状态；反之，当先接入电源后再闭合所述开关(S1)时，所述功率半导体器件(Q2)先于所述第一晶体管(Q1)导通，所述开关(S1)闭合后，控制器正常导通。

3.根据权利要求2所述的外接开关自锁后直流上电保护控制器，其特征在于：所述第一晶体管(Q1)先于所述功率半导体器件(Q2)导通时，所述第一晶体管(Q1)对所述第二电容(C2)电压钳位，当所述功率半导体器件(Q2)先于所述第一晶体管(Q1)导通时，所述功率半导体器件(Q2)对所述第一电容(C1)电压钳位，所述第一晶体管(Q1)和所述功率半导体器件(Q2)实现互锁。

4.根据权利要求1所述的外接开关自锁后直流上电保护控制器，其特征在于：所述外接开关自锁后直流上电保护控制器的电路内还包括一个电源接入监测电路，所述电源接入监测电路由第六电阻(R6)、第三电容(C3)、第四晶体管(Q4)和信号线(BAT)组成；所述第六电阻(R6)、所述第三电容(C3)连接在所述输入端正极(B+)与所述接地端(GND)之间，形成对所述第三电容(C3)的充电回路，所述信号线(BAT)连接在所述第六电阻(R6)和所述第三电容(C3)之间，所述第四晶体管(Q4)的基极连接在所述第六电阻(R6)和所述第三电容(C3)之间，所述第四晶体管(Q4) 的发射极连接所述接地端(GND)，所述第四晶体管(Q4)的集电极连接所述功率半导体器件(Q2)的栅极。

5.根据权利要求4所述的外接开关自锁后直流上电保护控制器，其特征在于：当接入电源时，所述信号线(BAT)将所述第三电容(C3)钳位在低电压，维持所述第四晶体管(Q4)关断，控制器正常导通；当未接入电源且电机发电时，所述第三电容(C3)充电至所述第四晶体管(Q4)导通，所述功率半导体器件(Q2)的栅极电压被钳位在导通电压以下，控制器处于上电保护状态。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于上电保护技术领域，涉及一种上电保护电路，具体涉及一种外接开关自锁后直流上电保护控制器。

背景技术

有些特殊的直流电器设备，如直流角磨处在使用时通常都会遇到以下几种情况：

1、在开关闭合的状态时直接接通直流电源；

2、在电机正常工作时，突然出现短时间、间断性重启电源；

3、在电机正常工作且开关闭合时断开直流电源，电机因惯性转动发电；

4、在开关断开的状态时，电路接入无识别直流电源；

上述这些情况不仅会对作业对象造成损伤，而且很可能会因为误操作或者其它因素给操作人员或者直流电器设备本身带来安全隐患，影响直流电器设备的使用寿命。

实用新型内容

针对上述现有技术中存在的缺陷和不足，本实用新型旨在提供一种外接开关自锁后直流上电保护控制器，以满足直流大功率产品的用电安全需求，提高用电安全性，避免造成安全隐患，延长设备的使用寿命。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种外接开关自锁后直流上电保护控制器，包括开关、开关通断监测电路和放电控制回路，所述开关通断监测电路和所述放电控制回路均在不使用逻辑控制芯片条件下，使用分立器件而搭建成的；

所述开关的一端与输入端正极连接，所述开关的另一端与输出端正极连接；

所述开关通断监测电路由第一电阻、第一电容、第一晶体管、第三二极管和第四二极管组成；所述放电控制回路由第二电阻、第五电阻、第二电容和功率半导体器件组成；

所述第一电阻、所述第三二极管连接在所述输入端正极与输出端负极之间，所述第三二极管的阳极与所述第一电阻连接，所述第三二极管的阴极与所述输出端负极连接，所述第一电阻、所述第四二极管、所述第一电容连接在所述输出端正极与接地端之间，形成对所述第一电容的充电回路，所述第四二极管的阳极与所述第一电阻连接，所述第四二极管的阴极与所述第一电容连接，所述第一晶体管的基极连接在所述第四二极管与所述第一电容之间，所述第一晶体管的发射极连接所述接地端，所述第一晶体管的集电极连接所述功率半导体器件的栅极；

所述第二电阻、所述第二电容连接在所述输入端正极与所述接地端之间，形成对所述第二电容的充电回路，所述第二电阻、所述第五电阻连接在所述输入端正极与所述接地端之间，所述功率半导体器件的栅极连接在所述第二电阻与所述第二电容之间，所述功率半导体器件的源极连接所述接地端，所述功率半导体器件的漏级连接所述输出端负极。

进一步的，当所述开关闭合后再接入电源时，所述第一晶体管先于所述功率半导体器件导通，控制器处于上电保护状态；反之，当先接入电源后再闭合所述开关时，所述功率半导体器件先于所述第一晶体管导通，所述开关闭合后，控制器正常导通。

进一步的，所述第一晶体管先于所述功率半导体器件导通时，所述第一晶体管对所述第二电容电压钳位，当所述功率半导体器件先于所述第一晶体管导通时，所述功率半导体器件对所述第一电容电压钳位，所述第一晶体管和所述功率半导体器件实现互锁。

进一步的，所述外接开关自锁后直流上电保护控制器的电路内还包括一个电源接入监测电路，所述电源接入监测电路也是在不使用逻辑控制芯片条件下，使用第六电阻、第三电容、第四晶体管和信号线等分立器件组成；所述第六电阻、所述第三电容连接在所述输入端正极与所述接地端之间，形成对所述第三电容的充电回路，所述信号线连接在所述第六电阻和所述第三电容之间，所述第四晶体管的基极连接在所述第六电阻和所述第三电容之间，所述第四晶体管的发射极连接所述接地端，所述第四晶体管的集电极连接所述功率半导体器件的栅极。

进一步的，当接入电源时，所述信号线将所述第三电容钳位在低电压，维持所述第四晶体管关断，控制器正常导通；当未接入电源且电机发电时，所述第三电容充电至所述第四晶体管导通，所述功率半导体器件的栅极电压被钳位在导通电压以下，控制器处于上电保护状态。

本实用新型的工作原理如下：

1、开关通断监测电路：

当开关断开再接入电源时，开关通断监测电路因未接入控制器输入端正极，所以第一电容无法充电，开关通断监测电路不工作，电流经第二电阻对第二电容充电至放电控制回路中的功率半导体器件导通，功率半导体器件导通后控制器输出端负极对接地端导通，输出端负极电压被钳位接近0V，电流经第一电阻、第三二极管、功率半导体器件对接地端导通，第一电阻电压被钳位接近0V，此时第一晶体管的发射极电压不足以正向偏置导通，第一晶体管维持关断，功率半导体器件维持导通，放电控制回路正常工作；

当开关闭合再接入电源时，放电控制回路中的第二电容与开关通断监测电路中的第一电容同时充电，由于开关通断监测电路中的第一晶体管导通时基极电压比放电控制回路功率半导体器件导通时栅极电压小，因此第一晶体管先于功率半导体器件导通，第一晶体管导通后功率半导体器件源极接接地端，功率半导体器件关断，同时功率半导体器件关断后将控制器输出端负极电压抬高至第三二极管反向偏置，电流经第一电阻、第四二极管向第一电容充电至第一晶体管导通，从而保证上电保护功能持续下去。

综上分析，第一晶体管与功率半导体器件实现了互锁,保证了控制器的正常导通状态或上电保护状态的持续性。同样的，使用PMOS 对偶构造电路同样可以实现与上述技术方案相同的互锁上电保护功能。

2、电源接入检测电路：

在电机正常工作且开关闭合时拔去电源使电机因惯性转动发电，或者当电路接入无识别直流电源时，控制器的输入端正极对接地端有电压，但信号线端没有电源，第六电阻接入电源接入检测电路使第三电容充电，第三电容电压被抬高至第四晶体管发射极正偏导通，第四晶体管的集电极被钳位至低电平的电压信号控制放电控制回路的功率半导体器件断开，从而实现了上电保护。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型既实现了直流大功率电机(如直流角磨)在开关闭合后再接入电源时的上电保护功能，又实现了直流大功率电机在接入单独无识别电源时的上电保护功能，不仅可以防止因误操作或者其它因素带来安全隐患，避免人员与作业对象的损伤，提高产品的用电安全性，而且节约能耗，延长直流电器设备的使用寿命。并且，本实用新型只需几个晶体管、电容和电阻即可实现，电路结构简单，易于实现，成本低廉。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本实用新型的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型外接开关自锁后直流上电保护控制器的电路图；

图2为本实用新型外接开关自锁后直流上电保护控制器的替换方案电路示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本实用新型。

参见图1所示，一种外接开关自锁后直流上电保护控制器，包括开关S1、开关通断监测电路、电源接入监测电路和放电控制回路，所述开关通断监测电路、电源接入监测电路和所述放电控制回路均在不使用逻辑控制芯片条件下，使用分立器件而搭建成的；

所述开关S1的一端与输入端正极B+连接，所述开关S1的另一端与输出端正极OUT+连接；

所述开关通断监测电路由第一电阻R1、第一电容C1、第一晶体管Q1、第三二极管D3和第四二极管D4组成；

所述电源接入监测电路由第六电阻R6、第三电容C3、第四晶体管Q4和信号线BAT等分立器件组成；

所述放电控制回路由第二电阻R2、第五电阻R5、第二电容C2和功率半导体器件Q2组成；

所述第一电阻R1、所述第三二极管D3连接在所述输出端正极 OUT+与输出端负极OUT-之间，所述第三二极管D3的阳极与所述第一电阻R1连接，所述第三二极管D3的阴极与所述输出端负极OUT- 连接，所述第一电阻R1、所述第四二极管D4、所述第一电容C1连接在所述输出端正极OUT+与接地端GND之间，形成对所述第一电容C1的充电回路，所述第四二极管D4的阳极与所述第一电阻R1 连接，所述第四二极管D4的阴极与所述第一电容C1连接，所述第一晶体管Q1的基极连接在所述第四二极管D4与所述第一电容C1 之间，所述第一晶体管Q1的发射极连接所述接地端GND，所述第一晶体管Q1的集电极连接所述功率半导体器件Q2的栅极；

所述第六电阻R6、所述第三电容C3连接在所述输入端正极B+ 与所述接地端GND之间，形成对所述第三电容C3的充电回路，所述信号线BAT连接在所述第六电阻R6和所述第三电容C3之间，所述第四晶体管Q4的基极连接在所述第六电阻R6和所述第三电容C3 之间，所述第四晶体管Q4的发射极连接所述接地端GND，所述第四晶体管Q4的集电极连接所述功率半导体器件Q2的栅极；

所述第二电阻R2、所述第二电容C2连接在所述输入端正极B+ 与所述接地端GND之间，形成对所述第二电容C2的充电回路，所述第二电阻R2、所述第五电阻R5连接在所述输入端正极B+与所述接地端GND之间，所述功率半导体器件Q2的栅极连接在所述第二电阻R2与所述第二电容C2之间，所述功率半导体器件Q2的源极连接所述接地端GND，所述功率半导体器件Q2的漏级连接所述输出端负极OUT-。

进一步的，当所述开关S1闭合后再接入电源时，所述第一晶体管Q1先于所述功率半导体器件Q2导通，控制器处于上电保护状态；反之，当先接入电源后再闭合所述开关S1时，所述功率半导体器件 Q2先于所述第一晶体管Q1导通，所述开关S1闭合后，控制器正常导通。所述第一晶体管Q1先于所述功率半导体器件Q2导通时，所述第一晶体管Q1对所述第二电容C2电压钳位，当所述功率半导体器件Q2先于所述第一晶体管Q1导通时，所述功率半导体器件 Q2对所述第一电容C1电压钳位，所述第一晶体管Q1和所述功率半导体器件Q2实现互锁。

进一步的，当接入电源时，所述信号线BAT将所述第三电容C3 钳位在低电压，维持所述第四晶体管Q4关断，控制器正常导通；当未接入电源且电机发电时，所述第三电容C3充电至所述第四晶体管Q4导通，所述功率半导体器件Q2的栅极电压被钳位在导通电压以下，控制器处于上电保护状态。

本实用新型的工作原理如下：

开关通断监测电路：

当开关S1断开再接入电源时，开关通断监测电路因未接入控制器输入端正极B+，所以第一电容C1无法充电，开关通断监测电路不工作，电流经第二电阻R2对第二电容C2充电至放电控制回路中的功率半导体器件Q2导通，功率半导体器件Q2导通后控制器输出端负极OUT-对接地端GND导通，电压为0V，电流经第一电阻R1、第三二极管D3、功率半导体器件Q2对接地端GND导通，第一电阻 C1电压被钳位在0V，此时第一晶体管Q1的发射极电压不足以正向偏置导通，第一晶体管Q1维持关断，功率半导体器件Q2维持导通，放电控制回路正常工作；

当开关S1闭合再接入电源时，放电控制回路中的第二电容C2 与开关通断监测电路中的第一电容C1同时充电，由于开关通断监测电路中的第一晶体管Q1导通时基极电压比放电控制回路功率半导体器件Q2导通时栅极电压小，因此第一晶体管Q1先于功率半导体器件Q2导通，第一晶体管Q1导通后功率半导体器件Q2源极接接地端GND，功率半导体器件Q2关断，同时功率半导体器件Q2关断后将控制器输出端负极OUT-电压抬高至第三二极管D3反向偏置，电流经第一电阻R1、第四二极管D4向第一电容C1充电至第一晶体管Q1导通，从而保证上电保护功能持续下去。

综上分析，第一晶体管Q1与功率半导体器件Q2实现了互锁, 保证了控制器的正常导通状态或上电保护状态的持续性。同样的，参见图2所示，使用PMOS对偶构造电路同样可以实现与上述技术方案相同的互锁上电保护功能。

电源接入检测电路：

在电机正常工作且开关S1闭合时拔去电源使电机因惯性转动发电，或者当电路接入无识别直流电源时，控制器的输入端正极B+ 对接地端GND有电压，但因为信号线BAT端没有对地回路，第三电容C3电压无法被钳位在低电平，所以当有电流通过第六电阻R6对第三电容C3充电时，第三电容C3电压被抬高至第四晶体管Q4发射极正偏导通，第四晶体管Q4的集电极被钳位至低电平的电压信号控制放电控制回路的功率半导体器件Q2断开，从而实现了上电保护。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

设计图

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设计说明书

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