專利名稱：短路/過流保護控制器及運行方法
技術領域：
本發明涉及電路中過流保護技術領域，具體為一種短路/過流保護控制器及運行方法。
背景技術：
電路發生故障時，可能會產生短路，瞬間工作電流趨于無窮大；或者可能電流值迅速增加超過設定的允許值，即產生過流。在短路或過流時為保護負載和電源，需要立即切斷電路，所以設計了短路/過流保護器。目前普遍應用的短路/過流保護產品主要有熔斷器、斷路器和基于微處理器的過流保護模塊。熔斷器在通過的電流大于一定值時立即熔斷， 起到保護作用時熔絲被短路電流或過流燒毀，無法重復使用，需更換熔絲、電路才能重新接通。斷路器為機械結構，因為是由運動部件實現斷路，電路斷開使電路得到保護的時間較長，保護電流也不能隨意設置，且環境指標較低。電子式的過流保護產品大多數是以單片機或微處理器為控制核心，利用專門編制的微處理器軟件的邏輯控制模塊來控制后級開關電路的開/關，實現電路的短路/過流保護。基于微處理器的過流保護產品可以用軟件實現任意設置過流保護電流，并且能重復使用，但由于其核心為微處理器，依靠編制的軟件實現短路/過流保護，因此可靠性較低，且成本較高。

發明內容
本發明的目的是設計一種短路/過流保護控制器及運行方法，本控制器為純硬件電路，包括電流采集模塊、過流判斷鎖存模塊和開關電路模塊，本控制器串聯在被保護電路中，其使用方法為實時監測被保護電路中的電流情況，當被保護電路發生短路/過流時及時切斷被保護電路連接，有效保護被保護電路負載和電源的安全。本發明設計的短路/過流保護控制器，包括電流采集模塊、過流判斷鎖存模塊和開關電路1 塊。電流采集模塊用于采集被保護電路工作回路中的電流值，并將該電流值線性轉化為規定電壓范圍內的電壓值。電流采集模塊包括霍爾電流傳感器和外圍匹配電阻電容構成的RC回路，霍爾電流傳感器的檢測線圈接在被保護電路中，其輸出經RC回路接入過流判斷鎖存模塊。開關電路模塊用于具體執行接通或關斷被保護電路，開關電路模塊為標準的繼電器或接觸器電路，可根據負載的類型選擇不同的繼電器或接觸器電路。開關電路模塊串聯在被保護電路的工作回路中，過流判斷鎖存模塊的輸出接入開關電路模塊，控制其繼電器或接觸器的接通或者斷開。當開關電路模塊的繼電器為固體繼電器，即開關電路模塊為依次連接的驅動電路、變壓器、整流濾波穩壓電路和功率開關管，開關控制電路的輸出接入驅動電路，功率開關管接在被保護電路中。當開關電路模塊的繼電器或者接觸器為電磁繼電器或者電磁接觸器，則根據負載特性直接選用相應的電磁繼電器或電磁接觸器，并配有電磁驅動電路與電磁繼電器或電磁接觸器連接，開關控制電路的輸出接入電磁驅動電路，電磁繼電器或電磁接觸器的輸出觸點接在被保護電路中。過流判斷鎖存模塊的主要功能為判斷電流采集模塊所采集的負載輸出電流的電壓信號，將該電壓信號值與預置的保護電流值換算得到的相應的保護電壓值相比較，當超過預置的保護電流值對應的電壓值時，該模塊的輸出信號控制開關電路模塊關斷，且在負載的輸出電流恢復到正常值時，該模塊仍鎖存關斷信號的輸出狀態，保持開關電路模塊關斷。過流判斷鎖存模塊包括過流判斷狀態鎖存電路和開關控制電路。過流判斷狀態鎖存電路為電壓比較器及外圍的匹配電阻，開關控制電路為開關器件，所述開關器件為場效應管、或三極管開關、或光耦開關。電流采集模塊的輸出端接入電壓比較器的負電壓比較輸入端，電壓比較器輸出端接入開關控制電路的開關器件，該開關器件接入開關電路模塊的繼電器或接觸器電路，接通或者關斷繼電器或接觸器；同時電壓比較器輸出端還經反饋電阻連接電壓比較器的正電壓比較輸入端。過流判斷鎖存模塊中還有輔助供電電路，輔助供電電路與電源連接，將電源電壓轉換為本控制器內各器件的工作電壓，分別接入電流采集模塊、過流判斷鎖存模塊和開關電路模塊。本發明的短路/過流保護控制器運行方法為本控制器上電初始瞬間，由于電流采集模塊存在RC充電回路，其輸出到過流判斷鎖存模塊電壓比較器的負電壓比較輸入端的電壓較低，該電壓值低于正電壓比較輸入端電壓，此時電壓比較器輸出為高電平控制開關控制電路的開關器件導通，接通開關電路模塊的繼電器或接觸器電路，從而接通被保護電路。當被保護電路出現短路或過流時，電流采集模塊采集到的電流變大，因此電流采集模塊輸出到電壓比較器負電壓比較輸入端的電壓變大，當該電壓值大于電壓比較器正電壓比較輸入端的預置電壓值時，電壓比較器輸出為低電平控制開關器件關斷開關電路模塊的繼電器或接觸器電路，從而開關電路模塊的繼電器或接觸器關斷被保護電路，實現了短路/過流保護的目的。通過調節電壓比較器的匹配電阻可以改變電壓比較器正電壓比較輸入端的預置電壓值，從而改變過流比較門限，即預置不同的保護電流值。實現過流保護切斷了被保護電路后，電流采集模塊采集到的電流值為0，電流采集模塊輸出到電壓比較器負電壓比較輸入端的電壓恢復到初始值，但此時電壓比較器輸出的低電平經反饋電阻正反饋到正電壓比較輸入端，在該反饋電壓與匹配電阻的作用下正電壓比較輸入端電壓仍低于負電壓比較輸入端電壓，電壓比較器的輸出仍為低電平控制開關控制電路的開關器件保持開關電路模塊的繼電器或接觸器電路關斷，保持鎖存狀態，保持開關電路模塊的繼電器或接觸器關斷被保護電路的狀態。被保護電路的故障排除后重新接通電源，本保護控制器再次上電工作時，本保護控制器自動從初始狀態開始重新接通被保護電路。本發明短路/過流保護控制器及運行方法的優點為1、本控制器串聯在被保護電路中工作，可實時監測被保護電路中的電流情況，當被保護電路發生短路時，回路電流將趨于無窮大，本控制器立即切斷電路，當被保護電路電流大于電路正常工作的電流，即大于預置的保護電流時，本控制器也會切斷被保護電路，從而有效保護被保護電路負載和電源的安全；2、本控制器為純硬件電路，電路形式簡單、元器件數量少，可靠性指標較高，可隨意設置保護電流值，啟動保護時間短，動作次數無限制；3、保護后可自動鎖存保護狀態，被保護電路再次上電正常工作時，本控制器自動重新接通電路；4、可根據用戶需求采用多種外形結構，可在許多領域代替現有的短路/過流保護產品，如用裸芯片組裝產品可以應用于宇航等聞端應用場合。


圖I為本短路/過流保護控制器實施例與被保護電路連接示意圖；圖2為本短路/過流保護控制器實施例結構框圖；圖3為本短路/過流保護控制器實施例電流采集模塊電路圖；圖4為本短路/過流保護控制器實施例過流判斷鎖存模塊的過流判斷狀態鎖存電路和開關控制電路的電路圖；圖5為本短路/過流保護控制器實施例開關電路模塊電路圖；圖6為本短路/過流保護控制器實施例開關電路模塊另一方案電路圖。
具體實施例方式短路/過流保護控制器實施例本例如圖I所示，包括電流采集模塊、過流判斷鎖存模塊和開關電路模塊。圖I右側Vin至Vout的粗實線表示本保護控制器被保護電路，其中IN+表示被保護電路在電流采集模塊和開關電路模塊之間的連接點。圖I左側為本保護器、電源及被保護電路的公共接地點。圖2所示為本例短路/過流保護控制器各模塊的結構框圖。電流采集模塊如圖3所示，包括霍爾電流傳感器Vl和外圍匹配電阻電容，霍爾電流傳感器Vl的檢測線圈接在被保護電路中，霍爾電流傳感器Vl的一個輸出端經電阻Rl引出為本電流采集模塊的輸出端Va，該輸出端Va還分別經Cl和R2接地，電阻R1、R2和電容 Cl構成RC充電回路。霍爾電流傳感器Vl的另一個輸出端經電容C3接地，霍爾電流傳感器 Vl的接電端連接輔助供電電路輸出的+5V電壓，該接電端還經電容C2接地，本電流采集模塊的輸出端Va接入過流判斷鎖存模塊。過流判斷鎖存模塊如圖2所示，包括輔助供電電路、過流判斷狀態鎖存電路和開關控制電路。輔助供電電路連接經電流采集模塊的電源電壓，將該電壓整流濾波轉換為本控制器內各模塊和電路的+5V工作電壓，輔助供電電路的+5V電壓輸出端分別接入霍爾電流傳感器Vl、過流判斷鎖存模塊和開關電路模塊。過流判斷狀態鎖存電路和開關控制電路如圖4所示，過流判斷狀態鎖存電路為電壓比較器V2及外圍的匹配電阻，開關控制電路為場效應管V3。電流采集模塊的輸出端Va 經電阻R7接入電壓比較器V2的負電壓比較輸入端in-，輸入的+5V電壓一路接入電壓比較器V2供電、另一路經電阻R8接入場效應管V3的柵極、再一路則分別經電阻R3、R5，及經電容C4接入的正電壓比較輸入端in+，電壓比較器V2的輸出端接入開關控制電路的場效應管 V3的柵極，電阻R3和R5的連接端經電阻R4接地，電壓比較器V2的輸出端經反饋電阻R6接入電壓比較器V2的正電壓比較輸入端in+。調節電阻R3、R4、R5、R6即可改變電壓比較器V2的正電壓比較輸入端in+的預置電壓值。該場效應管V3的漏極輸出Vb接入開關電路豐旲塊的驅動電路，接通或者關斷開關電路1旲塊。本例開關電路模塊如圖5所示，采用固體繼電器，開關電路模塊為依次連接的驅動電路、變壓器Tl、整流濾波穩壓電路和功率開關管V4。功率開關管V4接在被保護電路中。 過流判斷鎖存模塊的場效應管V3的輸出Vb接入驅動電路。開關電路模塊的另一方案為直接采用電磁繼電器，如圖6所示，開關電路模塊包括電磁驅動電路和電磁繼電器，過流判斷鎖存模塊的場效應管V3的輸出Vb接入電磁驅動電路，電磁繼電器的輸出觸點接在被保護電路中。短路/過流保護控制器的運行方法實施例本控制器上電初始瞬間，電流采集模塊輸出到電壓比較器的負電壓比較輸入端的電壓值低于正電壓比較輸入端電壓，此時電壓比較器輸出為高電平控制開關控制電路的場效應管導通，接通開關電路模塊的驅動電路，接通功率開關管從而接通被保護電路。當被保護電路負載出現短路或過流時，電流采集模塊采集到的電流變大，電流采集模塊輸出到電壓比較器負電壓比較輸入端的電壓值大于電壓比較器正電壓比較輸入端的預置電壓值時， 電壓比較器輸出為低電平控制場效應管關斷開關電路模塊的驅動電路，從而開關電路模塊的功率開關管關斷被保護電路。通過調節電壓比較器的匹配電阻可以改變電壓比較器正電壓比較輸入端的預置電壓值，從而改變過流比較門限，即預置不同的保護電流值。實現過流保護切斷了被保護電路后，電流采集模塊采集到的電流值為0，電流采集模塊輸出到電壓比較器負電壓比較輸入端的電壓恢復到初始值，但此時電壓比較器輸出的低電平經反饋電阻正反饋到正電壓比較輸入端，在該反饋電壓與匹配電阻的作用下正電壓比較輸入端電壓仍低于負電壓比較輸入端電壓，電壓比較器的輸出仍為低電平控制開關控制電路的場效應管保持開關電路模塊的驅動電路關斷，保持鎖存狀態，保持開關電路模塊的功率開關管關斷被保護電路的狀態。被保護電路被本保護控制器斷電后，與電源斷開排除故障，此時本保護器失電停止工作。當被保護電路的故障排除后重新接通電源，本保護控制器再次上電工作，自動從初始狀態開始重新接通被保護電路。上述實施例，僅為對本發明的目的、技術方案和有益效果進一步詳細說明的具體個例，本發明并非限定于此。凡在本發明的公開的范圍之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.短路/過流保護控制器，其特征在于包括電流采集模塊、過流判斷鎖存模塊和開關電路模塊；所述電流采集模塊包括霍爾電流傳感器和外圍匹配電阻電容構成的RC回路，霍爾電流傳感器的檢測線圈接在被保護電路中，其輸出經RC回路接入過流判斷鎖存模塊；開關電路模塊為標準的繼電器或接觸器電路，串聯在被保護電路的工作回路中，過流判斷鎖存模塊的輸出接入開關電路模塊；過流判斷鎖存模塊包括過流判斷狀態鎖存電路和開關控制電路；過流判斷狀態鎖存電路為電壓比較器及外圍的匹配電阻，電流采集模塊的輸出端接入電壓比較器的負電壓比較輸入端，電壓比較器輸出端接入開關控制電路的開關器件，該開關器件接入開關電路模塊的繼電器電路，電壓比較器輸出端還經反饋電阻連接電壓比較器的正電壓比較輸入端。
2.根據權利要求I所述的短路/過流保護控制器，其特征在于所述開關器件為場效應管、或三極管開關、或光耦開關。
3.根據權利要求I所述的短路/過流保護控制器，其特征在于所述開關電路模塊的繼電器為固體繼電器，為依次連接的驅動電路、變壓器、整流濾波穩壓電路和功率開關管，開關控制電路的輸出接入驅動電路，功率開關管接在被保護電路中。
4.根據權利要求I所述的短路/過流保護控制器，其特征在于所述開關電路模塊繼電器或者接觸器為電磁繼電器或者電磁接觸器，配有電磁驅動電路與電磁繼電器或電磁接觸器連接，開關控制電路的輸出接入電磁驅動電路，電磁繼電器或電磁接觸器輸出觸點接在被保護電路中。
5.根據權利要求I所述的短路/過流保護控制器，其特征在于所述過流判斷鎖存模塊中還有輔助供電電路，輔助供電電路與電源連接，將電源電壓轉換為本控制器內模塊和電路的工作電壓，分別接入電流采集模塊、過流判斷電路和開關電路模塊。
6.根據權利要求I至5中任一項所述的短路/過流保護控制器的運行方法，其特征在于本短路/過流保護控制器的上電初始瞬間，電流采集模塊輸出到電壓比較器的負電壓比較輸入端的電壓較低，該電壓值低于正電壓比較輸入端電壓，電壓比較器輸出的高電平控制開關控制電路的開關器件導通，接通開關電路模塊的繼電器電路，從而接通整個被保護電路；當被保護電路負載出現短路或過流時，電流采集模塊采集到的電流變大，電流采集模塊輸出到電壓比較器負電壓比較輸入端的電壓變大，當該電壓值大于電壓比較器正電壓比較輸入端的預置電壓值時，電壓比較器輸出為低電平控制開關器件關斷開關電路模塊的繼電器或接觸器電路，從而開關電路模塊的繼電器或接觸器關斷被保護電路。
7.根據權利要求6所述的短路/過流保護控制器的運行方法，其特征在于實現過流保護切斷了被保護電路后，電流采集模塊采集到的電流值為0，電流采集模塊輸出到電壓比較器負電壓比較輸入端的電壓恢復到初始值，此時電壓比較器輸出的低電平經反饋電阻正反饋到正電壓比較輸入端，在該反饋電壓與匹配電阻的作用下正電壓比較輸入端電壓仍低于負電壓比較輸入端電壓，電壓比較器的輸出仍為低電平控制開關控制電路的開關器件保持開關電路1 塊的繼電器或接觸器電路關斷，保持鎖存狀態，保持開關電路模塊的繼電器或接觸器關斷被保護電路的狀態。
8.根據權利要求7所述的短路/過流保護控制器的運行方法，其特征在于被保護電路的故障排除后重新接通電源，本短路/過流保護控制器再次上電工作，自動從初始狀態開始重新接通被保護電路。
全文摘要
本發明為短路/過流保護控制器及運行方法，本控制器的電流采集模塊串聯在被保護電路中，輸出接入過流判斷鎖存模塊。開關電路模塊為繼電器或接觸器電路，串聯在被保護電路中。過流判斷鎖存模塊包括過流判斷狀態鎖存電路和開關控制電路，其輸出接入開關電路模塊，控制繼電器或接觸器的接通或者斷開。其運行方法為上電初始，過流判斷鎖存模塊的電壓比較器輸出的高電平控制開關控制電路接通開關電路模塊的繼電器電路，接通被保護電路。出現短路或過流時，電壓比較器輸出的低電平關斷開關電路模塊的繼電器電路，并保持鎖存。本發明實時監測被保護電路，短路或過流時即切斷電路，有效保護負載和電源且自動鎖存保護狀態，可隨意設置保護電流值。
文檔編號H02H3/08GK102593788SQ201210086000
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月28日 優先權日2012年3月28日
發明者楊瑩, 陸玉芳, 黃敏 申請人:桂林航天電子有限公司