具有預充電功能的直流電源的短路保護電路

《具有預充電功能的直流電源的短路保護電路》是安徽力高新能源技術有限公司於2012年5月05日申請的發明專利，該專利申請號為2012101375335，公布號為CN102709882A，專利公布日為2012年10月3日，發明人是張殿明、劉彥君、劉新天。

《具有預充電功能的直流電源的短路保護電路》包括有MCU、霍爾電流感測器、電壓比較器、光耦、預充電開關、放電開關以及分別為霍爾電流感測器、電壓比較器、光耦供電的直流穩壓電源，在直流電源開始放電時，MCU控制放電開關導通，同時關斷預充電開關一定時間後再開啟，直流穩壓電源開始為霍爾電流感測器供電，霍爾電流感測器對直流電源輸出迴路的放電電流進行採樣，並且轉換成電壓值，此電壓值經過濾波電容濾波後送到電壓比較器的同向比較端，參考電壓接到電壓比較器的反向比較端。電壓比較器的輸出電平來驅動三極體的導通，進而使光耦開啟，控制放電開關的關斷，切斷放電迴路。該發明低功耗、精度高。

2019年5月16日，《具有預充電功能的直流電源的短路保護電路》獲得安徽省第六屆專利獎優秀獎。

（概述圖為《具有預充電功能的直流電源的短路保護電路》的摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：具有預充電功能的直流電源的短路保護電路
• 公布號：CN102709882A
• 公布日：2012年10月03日
• 申請號：2012101375335
• 申請日：2012年5月5日
• 申請人：安徽力高新能源技術有限公司
• 地址：安徽省合肥市高新區黃山路605號民創中心416室
• 發明人：張殿明、劉彥君、劉新天
• 代理機構：安徽合肥華信智慧財產權代理有限公司34112
• 代理人：余成俊
• Int.Cl.：H02H7/10(2006.01)I、H02H3/08(2006.01)I
• 類別：發明專利

專利背景

直流電源是電動汽車以及UPS設備的供電電源，當直流電源發生短路時，必須切斷放電迴路，確保電源自身及其用電設備的安全。2012年5月之前的保護電路是利用電阻採樣的方法，將電流信號轉化為電壓信號，並有某個閾值經行比較，若大於此值，我們將其視為短路，從而控制後面的開關器件切斷放電迴路。

截至2012年5月，電動汽車以及UPS設備很多是容性負載，直流電源放電瞬間電流很大，容易誤報為短路，同時由於電動汽車以及UPS設備的工作的電流達到幾十甚至幾百安培，2012年5月之前的短路保護電路就不容易選取電阻。

發明內容

專利目的

《具有預充電功能的直流電源的短路保護電路》目的在於提供一種用於鋰電池或者蓄電池的放電時，對容性負載進行預充電，並且在出現短路時進行保護的具有預充電功能的直流電源的短路保護電路。

技術方案

《具有預充電功能的直流電源的短路保護電路》包括有具有預充電功能的直流電源，所述的直流電源的兩端接入用電設備，所述的直流電源的正極與用電設備之間連線有放電開關S2，其特徵在於：還包括有微控制單元MCU、霍爾電流感測器、電壓比較器U2、光耦U1、預充電開關S1以及分別為霍爾電流感測器、電壓比較器U2、光耦U1供電的直流穩壓電源VCC，直流穩壓電源VCC通過分壓電阻分壓後得到一個電壓值賦予P端子上作為基準電壓，所述的霍爾電流感測器置於用電設備上，霍爾電流感測器的供電端與直流穩壓電源VCC的電壓輸出端之間連線有預充電開關，所述的MCU與預充電開關S1、放電開關S2控制連線，霍爾電流感測器將採集到的放電電流轉化為電壓信號從信號輸出端輸出，霍爾電流感測器的信號輸出端接入一個防反接二極體D1的正極，防反接二極體D1的負極連線有一個平衡電阻R2，霍爾電流感測器的信號輸出端與防反接二極體D1之間的節點處接有一個濾波電容C1，濾波電容C1的另一端接地，經過濾波後的電壓信號通過平衡電阻R2接入電壓比較器的同向比較端，P端子的基準電壓信號通過平衡電阻R4接入電壓比較器U2的反向比較端，電壓比較器U2的輸出端接入一個三極體Q1的基極，三極體Q1的發射極接地，三極體Q1的集電極通過一個發光二級管LED接入光耦U1的2腳，光耦U1的3腳接入放電開關S2的控制端，光耦U1的1腳、4腳與直流穩壓電源VCC之間分別連線有限流電阻R1、R3。所述的具有預充電功能的直流電源為鋰電池或蓄電池。

該發明的工作原理是：在直流電源開始放電的瞬間，MCU發出控制信號，使預充電開關S1斷開，霍爾電流感測器因沒有電源供電，故不能正常工作。同時，MCU使能放電開關S2，放電開關S2就閉合。這樣即使直流電源對其容性負載進行充電，瞬間電流很大，霍爾電流感測器也檢測不到，不會產生因為直流電源對其容性負載的預充電時瞬間電流大而誤報短路的現象。

直流電源放電一個周期後，MCU控制預充電開關S1閉合，直流穩壓電源VCC給霍爾電流感測器供電，霍爾電流感測器將檢測到的電流信號轉化為電壓信號，此電壓信號經過濾波電容C1和防反接二極體D1後送到短路檢測電路中電壓比較器U2的同向比較端，與電壓比較器U2反向比較端的基準電平進行比較，當信號超出正常範圍後，則視為短路，此時電壓比較器U2的輸出端產生一個高電平，此電平使與電壓比較器U2輸出端相連的三極體Q1導通，此時光耦U1工作。光耦U1的輸出端與放電開關S2相連，這時放電開關S2斷開，切斷放電迴路，電路對短路現象進行了保護。

改善效果

《具有預充電功能的直流電源的短路保護電路》的有益效果在於：

1）該發明解決了對容性負載放電的問題，當負載呈容性時，鋰電池放電的瞬間電流會非常大，一般的短路保護電路一般會誤認為是短路故障，此電路通過預充電電路很好地解決了這個問題。

2）該發明採用霍爾電流感測器進行無接觸的電流採樣，採樣電路功耗低（功耗可控制在0.5瓦以內），精度高（電流誤差為額定電流範圍的±1%）。

附圖說明

圖1為《具有預充電功能的直流電源的短路保護電路》的電路原理圖。

技術領域

《具有預充電功能的直流電源的短路保護電路》涉及短路保護電路領域，具體涉及一種具有預充電功能的直流電源的短路保護電路。

權利要求

1.《具有預充電功能的直流電源的短路保護電路》包括有具有預充電功能的直流電源，所述的直流電源的兩端接入用電設備，所述的直流電源的正極與用電設備之間連線有放電開關S2，其特徵在於：還包括有微控制單元MCU、霍爾電流感測器、電壓比較器U2、光耦U1、預充電開關S1以及分別為霍爾電流感測器、電壓比較器U2、光耦U1供電的直流穩壓電源VCC，直流穩壓電源VCC通過分壓電阻分壓後得到一個電壓值賦予P端子上作為基準電壓，所述的霍爾電流感測器置於用電設備上，霍爾電流感測器的供電端與直流穩壓電源VCC的電壓輸出端之間連線有預充電開關S1，所述的MCU與預充電開關S1、放電開關S2控制連線，霍爾電流感測器將採集到的放電電流轉化為電壓信號從信號輸出端輸出，霍爾電流感測器的信號輸出端接入一個防反接二極體D1的正極，防反接二極體D1的負極連線有一個平衡電阻R2，霍爾電流感測器的信號輸出端與防反接二極體D1之間的節點處接有一個濾波電容C1，濾波電容C1的另一端接地，經過濾波後的電壓信號通過平衡電阻R2接入電壓比較器的同向比較端，P端子的基準電壓信號通過平衡電阻R4接入電壓比較器U2的反向比較端，電壓比較器U2的輸出端接入一個三極體Q1的基極，三極體Q1的發射極接地，三極體Q1的集電極通過一個發光二級管LED接入光耦U1的2腳，光耦U1的3腳接入放電開關S2的控制端，光耦U1的1腳、4腳與直流穩壓電源VCC之間分別連線有限流電阻R1、R3。

2.根據權利要求1所述的具有預充電功能的直流電源的短路保護電路，其特徵在於：所述的具有預充電功能的直流電源為蓄電池。

3.根據權利要求1所述的具有預充電功能的直流電源的短路保護電路，其特徵在於：所述的具有預充電功能的直流電源為鋰電池。

實施方式

如圖1所示，《具有預充電功能的直流電源的短路保護電路》包括有具有預充電功能的直流電源1，直流電源1的兩端接入用電設備2，直流電源1的正極與用電設備2之間連線有放電開關S2，還包括有微控制單元MCU、霍爾電流感測器3、電壓比較器U2、光耦U1、預充電開關S1以及分別為霍爾電流感測器3、電壓比較器U2、光耦U1供電的直流穩壓電源VCC，直流穩壓電源VCC通過分壓電阻分壓後得到一個電壓值賦予P端子上作為基準電壓，霍爾電流感測器3置於用電設備2上，霍爾電流感測器3的供電端與直流穩壓電源VCC的電壓輸出端之間連線有預充電開關，MCU與預充電開關S1、放電開關S2控制連線，霍爾電流感測器3將採集到的放電電流轉化為電壓信號從信號輸出端輸出，霍爾電流感測器3的信號輸出端接入一個防反接二極體D1的正極，防反接二極體D1的負極連線有一個平衡電阻R2，霍爾電流感測器的信號輸出端與防反接二極體D1之間的節點處接有一個濾波電容C1，濾波電容C1的另一端接地，經過濾波後的電壓信號通過平衡電阻R2接入電壓比較器的同向比較端，P端子的基準電壓信號通過平衡電阻R4接入電壓比較器U2的反向比較端，電壓比較器U2的輸出端接入一個三極體Q1的基極，三極體Q1的發射極接地，三極體Q1的集電極通過一個發光二級管LED接入光耦U1的2腳，光耦U1的3腳接入放電開關S2的控制端，光耦U1的1腳、4腳與直流穩壓電源VCC之間分別連線有限流電阻R1、R3。具有預充電功能的直流電源1為鋰電池或蓄電池。

在直流電源1開始放電時，由MCU控制放電開關S2導通，同時關斷預充電開關S1一定時間，這樣在放電開始的一段時間內，霍爾電流感測器3不能正常工作。故當對容性負載進行放電時，瞬間電流很大，短路保護電路此時也不進行保護。在放電迴路放電一定時間之後，MCU控制預充電開關S1導通，直流穩壓電源VCC開始為霍爾電流感測器3供電，此時霍爾電流感測器3對直流電源1輸出迴路的放電電流進行採樣，並且轉換成電壓值，此電壓值經過電容C1的濾波，送到防反接二極體D1的陽極。這時的電壓經平衡電阻R2送到電壓比較器U2的同向比較端，作為短路保護電路的輸入信號。P端子經過平衡電阻R4接到電壓比較器的反向比較端，作為參考電壓。此電壓比較器的輸出電平來驅動三極體Q1的導通，進而使光耦U1開啟，這樣控制放電開關的關斷，切斷放電迴路。

MCU的預充電控制引腳與預充電開關S1相連，放電控制引腳與放電開關S2相連，霍爾電流感測器3的輸出端與電壓比較器U2的同向比較端相連，並且電壓比較器U2的輸出端與三極體Q1的基極相連，三極體Q1的集電極與LED燈相連線，LED主要是用來指示光耦的工作狀況。它連線在光耦的2腳，光耦的1腳與電阻R1相連，接在直流穩壓電源VCC上。同時光耦的4腳與電阻R3相連也接在直流穩壓電源VCC上，這時光耦的3腳來控制放電開關S2的關斷。

當給直流電源1給容性負載供電時，直流電源1開始放電的瞬間，放電迴路的電流很大，但是這時MCU控制預充電開關S1，使其關斷，直流穩壓電源VCC無法給霍爾電流感測器3供電，此時檢測不到電流，從而避免的短路保護電路由於瞬間電流過大而進行短路保護。

當直流電源1發生短路現象時，放電迴路的瞬間電流很大，霍爾電流感測器3將電流值轉換成電壓值，並將此電壓值經過濾波電容C1、防反接二極體D1、平衡電阻R3送到電壓比較器U2的同向比較端，這時霍爾電流感測器3的輸出值電壓值會比較高，它會與電壓比較器U2的反向比較端的參考電壓值進行比較。由於事先已經設定好了短路保護的閾值，短路時由霍爾電流感測器3輸出的電壓值肯定會高於設定的閾值，從而使電壓比較器U2輸出的電平為高。這個高電平將會驅動後面的三極體Q1使其導通，這樣光耦U1的輸入端的發光二級管由截止變為導通，這樣會導致光耦U1的輸出端導通，從而控制放電開關S2關斷，進而切斷放電迴路。

榮譽表彰

2019年5月16日，《具有預充電功能的直流電源的短路保護電路》獲得安徽省第六屆專利獎優秀獎。