一种高安全性的继电模组的制作方法

本发明涉及一种继电模组领域，特别是一种高安全性的继电模组。

背景技术：

继电模组作为航天领域配电系统中的核心组件，为各种负载提供与其需求相匹配的电源和功率，并负责配电状态检测，实现负载的接通、关断和保护控制。现有的继电模组不能针对特定的负载进行在线重构，难以为负载配电提供精确的保护控制，也没有直流电弧检测和保护功能，不能满足空间环境下的使用要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种高安全性的继电模组，通过高精度电流采集技术检测配电线路中的电流，用微控制器分析线路中电流的变化情况，对比真正电弧发生时电弧电流的不同特征，检测电弧故障，从而及时关断功率MOSFET，避免因电弧燃烧而造成的损失。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种高安全性的继电模组，包括串行隔离总线模块、微控制器、输入电压线性光耦隔离检测模块、门极驱动模块、低通滤波模块、比较器、放大器、功率MOSFET和四线制高边电流检测电阻；

输入电压线性光耦隔离检测模块：供电电路供电后，生成负载的电压形式模拟电压信号，并将电压形式模拟电压信号发送至微控制器；

微控制器：接收输入电压线性光耦隔离检测模块传来的电压形式模拟电压信号；将电压形式模拟电压信号发送至串行隔离总线模块；接收串行隔离总线模块传来的TTL电平的关闭功率MOSFET的指令，并将TTL电平的关闭功率MOSFET的指令发送至门极驱动模块；接收串行隔离总线模块传来的TTL电平的打开功率MOSFET的指令，并将TTL电平的打开功率MOSFET的指令发送至门极驱动模块；接收低通滤波模块传来的滤波后的电流形式模拟电压信号；并将滤波后的电流形式模拟电压信号发送至串行隔离总线模块；接收比较器传来的中断信号，将中断信号发送至门极驱动模块；

串行隔离总线模块：接收微控制器传来的电压形式模拟电压信号，将电压形式模拟电压信号转换为外部总线电平的电压形式模拟电压信号，并将外部总线电平的电压形式模拟电压信号发送至外部控制装置；接收外部控制装置传来的外部总线电平的关闭功率MOSFET的指令；并将外部总线电平的关闭功率MOSFET的指令转换为TTL电平的关闭功率MOSFET的指令，并将TTL电平的关闭功率MOSFET的指令发送至微控制器；接收外部控制装置传来的外部总线电平的打开功率MOSFET的指令；并将外部总线电平的打开功率MOSFET的指令转换为TTL电平的打开功率MOSFET的指令，并将TTL电平的打开功率MOSFET的指令发送至微控制器；接收微控制器传来的滤波后的电流形式模拟电压信号，将滤波后的电流形式模拟电压信号转换为外部总线电平的电流形式模拟电压信号，并将外部总线电平的电流形式模拟电压信号发送至外部控制装置；

外部控制装置：接收串行隔离总线模块传来的外部总线电平的电压形式模拟电压信号，对外部总线电平的电压形式模拟电压信号进行监测判断，当电压形式模拟电压信号超出预先设定电压范围时，发出外部总线电平的关闭功率MOSFET的指令至串行隔离总线模块；当电压形式模拟电压信号在预先设定电压范围内时，发出外部总线电平的打开功率MOSFET的指令至串行隔离总线模块；接收串行隔离总线模块传来的外部总线电平的电流形式模拟电压信号；

门极驱动模块：接收微控制器传来的TTL电平的关闭功率MOSFET的指令，将TTL电平的关闭功率MOSFET的指令变换为12V的门极关闭控制信号，发送至功率MOSFET；接收微控制器传来的TTL电平的打开功率MOSFET的指令，将TTL电平的打开功率MOSFET的指令变换为12V的门极打开控制信号，发送至功率MOSFET；接收微控制器传来的传来额的中断信号，将中断信号转化为12V的中断信号，将12V的中断信号发送至功率MOSFET；

功率MOSFET：接收门极驱动模块传来的12V的门极关闭控制信号，功率MOSFET关闭；接收门极驱动模块传来的12V的门极打开控制信号，功率MOSFET打开；接收门极驱动模块传来的12V的中断信号，功率MOSFET关闭；

四线制高边电流检测电阻：功率MOSFET打开后，供电电路的电流通过四线制高边电流检测电阻，产生电阻电压，并将电阻电压发送至放大器；

放大器：接收四线制高边电流检测电阻传来的电阻电压，对电阻电压进行放大处理，生成发大后的电阻电压，并将发大后的电阻电压输出至低通滤波模块；

低通滤波模块：接收放大器传来的发大后的电阻电压，对发大后的电阻电压进行滤波处理，生成滤波后的电流形式模拟电压信号，并将滤波后的电流形式模拟电压信号输出至微控制器；同时将滤波后的电流形式模拟电压信号输出至比较器；

比较器：预设过流电压值；接收低通滤波模块传来的滤波后的电流形式模拟电压信号；对滤波后的电流形式模拟电压信号和预设过流电压值进行比较，当滤波后的电流形式模拟电压信号超过预设过流电压值时，发出中断信号至微控制器；当滤波后的电流形式模拟电压信号不超过预设过流电压值时，不做处理；

微控制器：接收电压的模拟电压信号和电流的模拟电压信号；进行存储；当接收到外部控制装置发来的信号采集指令时，输出电压的模拟电压信号和电流的模拟电压信号至外部控制装置。

在上述的一种高安全性的继电模组，所述继电模组还包括第一隔离电源和第二隔离电源；

第一隔离电源：输出+5V电源为输入电压线性光耦隔离检测模块供电；

第二隔离电源：输出+12V电源为门极驱动模块供电；输出+3.3V电源为串行隔离总线模块、微控制器、低通滤波模块、比较器和放大器供电。

在上述的一种高安全性的继电模组，所述四线制高边电流检测电阻包括检测电阻、第一电阻、第一线路、第二电阻、第二线路、第一测量电流线路和第二测量电流线路；其中，检测电阻的一端分别与第一线路和第一测量电流线路连接；第一线路上串联有第一电阻；第一测量电流线路的输出端与放大器正端连接；检测电阻的另一端分别与第二线路和第二测量电流线路连接；第二线路上串联第二电阻；第二测量电流线路的输出端与放大器负端连接。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明采用电流高精度电流采集技术对状态电流进行检测，提高了配电保护的准确性；

(2)本发明具有直流电弧检测和保护功能，避免因电弧燃烧而造成的危害；

(3)本发明采用可重构设计技术，为不同负载提供个性化的保护，提高配电的安全性。

附图说明

图1为本发明继电模组系统示意图；

图2为本发明四线制精密检测电阻电流检测电路原理图；

图3为本发明直流电弧产生电路原理图；

图4为本发明典型的直流电弧电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明是一种高安全性的继电模组，其输出和输入之间电气上是隔离的，前后部分之间相互的影响小，可以实现功率开关控制、配电状态监测、故障电弧监测及保护功能、模组重构功能。

如图1所示为继电模组系统示意图，由图可知，一种高安全性的继电模组，包括串行隔离总线模块、微控制器、输入电压线性光耦隔离检测模块、门极驱动模块、低通滤波模块、比较器、放大器、功率MOSFET和四线制高边电流检测电阻；

输入电压线性光耦隔离检测模块：供电电路供电后，生成负载的电压形式模拟电压信号，并将电压形式模拟电压信号发送至微控制器；

微控制器：接收输入电压线性光耦隔离检测模块传来的电压形式模拟电压信号；将电压形式模拟电压信号发送至串行隔离总线模块；接收串行隔离总线模块传来的TTL电平的关闭功率MOSFET的指令，并将TTL电平的关闭功率MOSFET的指令发送至门极驱动模块；接收串行隔离总线模块传来的TTL电平的打开功率MOSFET的指令，并将TTL电平的打开功率MOSFET的指令发送至门极驱动模块；接收低通滤波模块传来的滤波后的电流形式模拟电压信号；并将滤波后的电流形式模拟电压信号发送至串行隔离总线模块；接收比较器传来的中断信号，将中断信号发送至门极驱动模块；

串行隔离总线模块：接收微控制器传来的电压形式模拟电压信号，将电压形式模拟电压信号转换为外部总线电平的电压形式模拟电压信号，并将外部总线电平的电压形式模拟电压信号发送至外部控制装置；接收外部控制装置传来的外部总线电平的关闭功率MOSFET的指令；并将外部总线电平的关闭功率MOSFET的指令转换为TTL电平的关闭功率MOSFET的指令，并将TTL电平的关闭功率MOSFET的指令发送至微控制器；接收外部控制装置传来的外部总线电平的打开功率MOSFET的指令；并将外部总线电平的打开功率MOSFET的指令转换为TTL电平的打开功率MOSFET的指令，并将TTL电平的打开功率MOSFET的指令发送至微控制器；接收微控制器传来的滤波后的电流形式模拟电压信号，将滤波后的电流形式模拟电压信号转换为外部总线电平的电流形式模拟电压信号，并将外部总线电平的电流形式模拟电压信号发送至外部控制装置；

外部控制装置：接收串行隔离总线模块传来的外部总线电平的电压形式模拟电压信号，对外部总线电平的电压形式模拟电压信号进行监测判断，当电压形式模拟电压信号超出预先设定电压范围时，发出外部总线电平的关闭功率MOSFET的指令至串行隔离总线模块；当电压形式模拟电压信号在预先设定电压范围内时，发出外部总线电平的打开功率MOSFET的指令至串行隔离总线模块；接收串行隔离总线模块传来的外部总线电平的电流形式模拟电压信号；

门极驱动模块：接收微控制器传来的TTL电平的关闭功率MOSFET的指令，将TTL电平的关闭功率MOSFET的指令变换为12V的门极关闭控制信号，发送至功率MOSFET；接收微控制器传来的TTL电平的打开功率MOSFET的指令，将TTL电平的打开功率MOSFET的指令变换为12V的门极打开控制信号，发送至功率MOSFET；接收微控制器传来的传来额的中断信号，将中断信号转化为12V的中断信号，将12V的中断信号发送至功率MOSFET；

功率MOSFET：接收门极驱动模块传来的12V的门极关闭控制信号，功率MOSFET关闭；接收门极驱动模块传来的12V的门极打开控制信号，功率MOSFET打开；接收门极驱动模块传来的12V的中断信号，功率MOSFET关闭；

四线制高边电流检测电阻：功率MOSFET打开后，供电电路的电流通过四线制高边电流检测电阻，产生电阻电压，并将电阻电压发送至放大器；

放大器：接收四线制高边电流检测电阻传来的电阻电压，对电阻电压进行放大处理，生成发大后的电阻电压，并将发大后的电阻电压输出至低通滤波模块；

低通滤波模块：接收放大器传来的发大后的电阻电压，对发大后的电阻电压进行滤波处理，生成滤波后的电流形式模拟电压信号，并将滤波后的电流形式模拟电压信号输出至微控制器；同时将滤波后的电流形式模拟电压信号输出至比较器；

比较器：预设过流电压值；接收低通滤波模块传来的滤波后的电流形式模拟电压信号；对滤波后的电流形式模拟电压信号和预设过流电压值进行比较，当滤波后的电流形式模拟电压信号超过预设过流电压值时，发出中断信号至微控制器；当滤波后的电流形式模拟电压信号不超过预设过流电压值时，不做处理；

微控制器：接收电压的模拟电压信号和电流的模拟电压信号；进行存储；当接收到外部控制装置发来的信号采集指令时，输出电压的模拟电压信号和电流的模拟电压信号至外部控制装置；

另外，继电模组还包括第一隔离电源和第二隔离电源；

第一隔离电源：输出+5V电源为输入电压线性光耦隔离检测模块供电；

第二隔离电源：输出+12V电源为门极驱动模块供电；输出+3.3V电源为串行隔离总线模块、微控制器、低通滤波模块、比较器和放大器供电。

如图2所示为四线制精密检测电阻电流检测电路原理图，由图可知，四线制高边电流检测电阻包括检测电阻、第一电阻、第一线路、第二电阻、第二线路、第一测量电流线路和第二测量电流线路；其中，检测电阻的一端分别与第一线路和第一测量电流线路连接；第一线路上串联有第一电阻；第一测量电流线路的输出端与放大器正端连接；检测电阻的另一端分别与第二线路和第二测量电流线路连接；第二线路上串联第二电阻；第二测量电流线路的输出端与放大器负端连接。

如图3所示为直流电弧产生电路原理图，有图可知，本发明的继电模组还具备电弧故障检测功能：一旦出现短路过流的现象时，比较器的输出状态立刻翻转，触发微控制器的外部中断输入。微控制器在外部中断的服务子函数内部，立刻就可以将发生短路故障的线路关闭。微控制器通过向门极驱动电路发送关闭信号，及时关闭了功率MOSFET，从而保护短路过流的电路，避免短路电弧的进一步发生。针对串行电弧，它发生时，线路并不会出现短路电弧发生时所特有的高过流情况，但它的线路电流会出现瞬态的电流跌落变化现象，通过软件识别出这些串行电弧的电流特征后，比较当前采样得到的电流值与内部预定义的阈值参数1/2/3的大小，一旦检测到故障，就会及时地关闭功率MOSFET，避免故障扩大。

本发明微控制器1内部的电弧保护算法理论与实现如下：

如图4所示为典型的直流电弧电流波形图，由图可知，由欧姆定律可以知道，通过电阻两端的电流大小，正比于它两端的电压大小。通过四线制精密检测电阻上的电流转化为的电压，就可以真实的反应出线路中电流的变化情况。产生的典型的电弧故障电流的波形。当没有电弧产生时，图3电路中负载电阻两端的电压就等于供电电压。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。