专利名称：直流电源开关及其实现方法
技术领域：
本发明涉及电源开关技术，具体涉及一种直流电源开关及其实现方法。
背景技术：
在人们的日常生活、工业生产及各行各业中，电源无处不在，无处不有， 而电源开关的性能将直接影响到电源的使用寿命和被供电设备的可靠运行。 目前，广泛运用在直流电源设备上的开关为传统的机械式开关和电磁式开 关。
机械式电源开关，依赖于机械力平衡原理实现开关的闭合或断开，机械
式电源开关包括钮子开关及旋转开关等。机械式电源开关具有以下缺点
(1) 由于依靠机械力量接通或断开触点，触点在闭合瞬间会产生电弧 现象，久而久之，触点氧化，其接触电阻将逐渐增大，导致开关的可靠性降 低、开关寿命受到影响；机械式电源开关不能实现电源过欠检测及自动关断 输出电压的功能。也就是，机械式电源开关的性能低。
(2) 机械式电源开关的触点常采用镀金或镀银工艺制造，成本较高、 工艺复杂。
(3) 由于受到机械式结构的局限和机械力的限制，开关的尺寸较大， 不宜作为大功率的电源开关。
电磁式电源开关，依赖于电磁铁力平衡原理实现开关的闭合或断开。电 》兹式电源开关具有以下缺点
(1)由于依靠电磁力来接通或断开触点，触点在闭合瞬间会产生电弧 现象，久而久之，触电接触电阻将逐渐增大，导致开关的可靠性降低、开关 寿命受到影响；电磁式电源开关不能实现电源过欠检测及自动关断输出电压
的功能。也就是，电磁式电源开关的性能低。
(
2) 电磁式电源开关的触点常采用镀金或镀银工艺制造，成本校高、 工艺复杂。
(3) 由于受到电磁式结构的影响，开关的尺寸较大，不宜作为大功率
的电源开关。
由以上分析可见，现有的机械式开关和电磁式开关都具有性能低，以及 成本高、工艺复杂和尺寸大等缺点。
发明内容
本发明实施例提供一种直流电源开关，该直流电源开关能够提高直流电 源开关性能。
本发明实施例提供 一 种直流电源开关的实现方法，该方法能够提高直流 电源开关性能。
一种直流电源开关，包括电压异常控制模块、延时及斜坡控制模块和功
率开关模块；
所述电压异常控制模块，用于检测出输入直流电源开关的电压为正常 时，传送导通功率开关模块的信号给延时及斜坡控制模块；检测出输入直流 电源开关的电压为异常时，传送断开功率开关模块的信号给延时及斜坡控制 模块；
所述延时及斜坡控制模块，用于接收所述导通功率开关模块的信号，延 时所述功率开关模块的导通，通过所述功率开关模块控制输出直流电源开关 的电压斜坡上升或下降到正常电压；接收所迷断开功率开关模块的信号，控 制功率开关模块断开；
所述功率开关模块，用于在所述延时及斜坡控制模块控制下，提供输入
直流电源开关的电压给供电设备，或者，断开提供给供电设备的输入直流电 源开关的电压。
一种直流电源开关的实现方法，该方法包括
检测出输入直流电源开关的电压为正常时，将提供给供电设备的输入直流
电源开关的电压延时，且斜坡上升或下降到正常电压；检测出输入直流电源开
关的电压异常时，断开提供给供电设备的输入直流电源开关的电压。
从上述方案可以看出，本发明实施例对输入直流电源开关的电压进行检 测并控制，在输入直流电源开关的电压正常时才对供电设备供电，并且对从 直流电源开关输出给供电设备的电压进行延时和斜坡处理，实现恒流及斜坡 输出电压给供电设备，这样，不会像现有技术那样产生电弧现象。从而，本 发明实施例的直流电源开关提高了电子开关的性能。
图1为本发明实施例直流电源开关的结构示意图例；
图2为本发明实施例直流电源开关的电路图一；
图3为图2中过欠压检测模块111的电路图4为图2中电压异常关闭输出控制模块112和手动控制开关模块130 的电路图5为图2中延时及斜坡控制模块120及功率开关模块140的电路图6为图2中输出电压正常显示模块150的电路图7为本发明实施例直流电源开关的电路图二。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和 附图，对本发明进一步详细说明。
参见图1，为本发明实施例直流电源开关的结构示意图，该直流电源开 关包括电压异常控制模块110、延时及斜坡控制模块120、手动控制开关模 块130和功率开关模块140。
电压异常控制模块11O，用于检测出输入直流电源开关的电压为正常时， 传送导通功率开关模块的信号给延时及斜坡控制模块120，检测出输入直流
电源开关的电压为异常时，传送断开功率开关模块的信号给延时及斜坡控制 模块120。电压异常控制模块110包括过欠压检测模块111和电压异常关闭
输出控制模块112。
过欠压检测模块111,用于对输入直流电源开关的电压进行过欠压检测， 检测出电压正常时向电压异常关闭输出控制模块112发送电压正常的指示
压异常的指示信号。
电压异常关闭输出控制模块112，用于根据接收到的由过欠压检测模块 111传送的电压正常的指示信号，传送导通功率开关模块的信号给延时及斜 坡控制模块120;根据接收到的由过欠压检测模块111传送的电压异常的指 示信号，传送断开功率开关模块的信号给延时及斜坡控制模块120。直流电 源开关的直流电源输入还可以作为电压异常关闭输出控制模块112的输入， 为电压异常关闭输出控制模块112提供供电。
电压异常控制模块IIO对输入直流电源开关的电压进行过欠压检测，避 免了因输入电压异常(过高或过低)，导致供电系统异常工作，甚至导致直 流电源开关或供电设备损坏、出现安全事故或隐患。
延时及斜坡控制模块120,置于电压异常关闭输出控制模块112和功率 开关模块140之间，用于当接收电压异常关闭输出控制模块112传送的导通 功率开关模块的信号时，延时功率开关模块140的导通，通过功率开关模块 140控制输出直流电源开关的电压斜坡上升或下降到正常电压；当接收电压 异常关闭输出控制模块112传送的断开功率开关模块的信号时，控制功率开 关模块140断开。直流电源开关的直流电源输入还可以作为延时及斜坡控制 模块120的输入，为延时及斜坡控制模块120提供供电。
延时及斜坡控制模块120可以延时功率开关模块140的导通，并且通过 对功率开关模块140的控制，使由功率开关模块141提供给供电设备的电压 斜坡上升或下降。提供给供电设备的电压斜坡上升或下降的过程，也就是功 率开关模块140从开始导通至完全导通的过程。这样，实现了恒定的电源输
出启动电流或限流启动的功能，避免了在较大容性负载条件下，产生大浪涌 启动电流现象，不会产生电弧现象，从而提高了开关器件的寿命。
手动控制开关模块130，与电压异常控制模块UO相连接，具体地，与 电压异常关闭输出控制模块112相连接，用于在电压异常控制模块IIO检测 出输入直流电源开关的电压为异常时，控制电压异常控制模块IIO处于自锁 状态，使其输出保持为断开功率开关模块的信号，通过延时及斜坡控制模块 120传送给功率开关模块40,直到通过手动地控制手动控制开关模块130 来解除电压异常控制模块112的自锁状态。
手动控制开关模块130可选，其实现的具体电路图可结合图4。图4中， 手动控制开关模块130的触点2与触点3相接时，若电压异常控制模块110 检测出输入直流电源开关的电压为异常，则电压异常控制模块UO与手动控 制开关模块130形成自锁回路，使电压异常控制模块IIO处于自锁状态，输 出断开功率开关模块的信号。之后，即使电压异常控制模块UO检测出输入 直流电源开关的电压为正常，电压异常控制模块110的输出保持为断开功率 开关模块的信号，要解除自锁状态，将图4中的手动控制开关模块130从触 点3切换至触点1即可。待输入直流电源开关的电压正常后，可再将手动控 制开关模块130从触点1切换到触点3。可见，手动控制开关模块130可防 止输入直流电源开关的电压在欠压点或过压点连续波动时使功率开关模块 反复导通、断开，而造成对直流电源开关或供电设备的损坏。
功率开关模块140，用于在延时及斜坡控制模块120的控制下，提供输 入直流电源开关的电压给供电设备，或者，断开提供给供电设备的输入直流电 源开关的电压。功率开关模块140可以采用MOS开关或三极管等实现。
输出电压正常显示模块150,与功率开关模块140相连，用于实现直流 电源开关对供电设备正常供电时的状态显示。输出电压正常显示模块150可 选。
根据实际设计情况，本发明实施例直流电源开关结构的实现方式多种多 样，这里，以图2所示的电路为例对图1所示的结构进行具体说明。其中功率开关模块140采用MOS开关实现。
参见图2，为本发明实施例直流电源开关的电路图一。图2为对应图1 的一具体实现电路，其中的各部分电路具体参见图3至图6。
参见图3，为图2中过欠压检测模块111的电路图，图3中，过欠压检 测模块的电路采用2片TL431 (Ul、 U2)和外围电阻实现，所述外围电阻 包括R1、 R2、 R3、 R4和R5。 TL431是具有基准电压的电压比较器，其基 准电压V「ef为2.5V或1.25V。由Rl、 R2和Ul实现过压检测，由R3、 R4 和U2实现欠压检测。输入过欠压检测模块电路的过压检测点为(1+R1/R2) xVref;输入过欠压检测模块电路的欠压检测点为(l+R3/R4) x vref。当输 入欠压检测模块电路的电压在欠压检测点和过欠压检测点之间时，欠压检测 模块电路输出为低电平电压，否则，输出为高电平电压。
参见图4，为图2中电压异常关闭输出控制模块112和手动控制开关模 块130的电路图，该电路输入为过欠压检测模块111的电路的输出。当电压 异常关闭控制模块112的输入为高电平电压，也就是输入直流电源开关的电 源电压异常，即低于欠压检测点或高于过压检测点时，NM0S管Q1导通， NPN三极管Q2截至，NPN三极管Q3导通，电压异常关闭输出控制模块112 的输出为低电平电压；当电压异常关闭输出控制模块112的输入为低电平电 压，也就是输入直流电源开关的电源电压为正常值，即输入直流电源开关的 电源电压在欠压检测点和过压检测点之间，电压异常关闭输出控制模块112 的输出为高电平电压。
若将手动控制开关模块SW中2连接至触点3,如果此时直流电源开关 的输入为异常电压，则电压异常关闭输出控制模块112处于自锁状态，电压 异常关闭输出控制模块112输出为低电平电压。如果之后直流电源开关的输 入变为正常电压，则电压异常关闭输出控制模块112仍然处于自锁状态，电 压异常关闭输出控制模块112输出保持低电平。这种情况下，将手动控制开 关模块SW从触点3切换至触点1，再转换到触点2，便可解除自锁。
图4中，电压异常关闭输出控制模块112的输入信号与输出信号通过二
极管D1、 D2实现与逻辑关系，电容C1为防抖动电容，用于保证输入直流 电源开关的电源电压瞬时变化时电压异常关闭输出控制模块112的输出不 变
参见图5,为图2中延时及斜坡控制模块120及MOS开关的电路图。 下面对MOS开关关断工作状况和闭合工作状况分别进行说明。
1 ) MOS开关关断工作状况。延时及斜坡控制模块120的输入为电压异 常关闭输出控制模块112的输出，当延时及斜坡控制模块120的输入为低电 平，即直流电源开关的输入电压异常时，图5中PNP三极管Q4导通，电容 C2的电压通过Q4和R14泄放，MOS开关的一册-源极电压VGS低于阈值电 压，MOS开关截至，直流电源开关的输出电压为0。
2) MOS开关闭合工作状况。当延时及斜坡控制模块120的输入为高电 平，即直流电源开关的输入电压正常时，此图5中PNP三极管Q4截至，直 流电源的输入电压通过C2、 D3、 C3、 R19和输出负载电容构成瞬时电流通 路，R19为限流电阻，通常反馈电容C3远小于其它电容，其两端电压迅速 达到直流电源开关的输入电压。
然后，R15、 R16对电容C2进行充电，当C2两端电压充电达到某一确 定电压值[Vgh (th)十Vd]时，MOS开关栅极达到导通阈值电压Vgh (th )， MOS开关开始导通，导通时间的长短由电阻R15、 R16和电容C2共同确定。 从R15、 R16对电容C2进行充电，至C2两端电压充电达到某一确定电压值 [Vgh (th)十Vd]的过程，也就是延时MOS管导通的过程。
MOS开关开始导通后，对C2继续充电使MOS开关栅源达到平台电压 (Vplt)，这时反馈电容C3、 MOS开关源/漏极、延时及斜坡控制模块120 输出电压以相同电压变化率改变；延时及斜坡控制模块120的输出电压以恒 定电压变化速率从OV到直流电源开关的输入电压值；延时及斜坡控制模块 120的输出电压达到直流电源开关的输入电压值后，R15、 R16对电容C2继 续充电达到直流电源开关的输入电压值，MOS开关的导通电阻RDS最小， 导通电压VDS也达到最低值，直流电源开关输出正常电压。从MOS开关开始导通至直流电源开关输出正常电压的过程，为MOS开关控制输出电压斜
坡上升，直至MOS开关输出正常电压的过程。
反馈电容C3大小由流过反馈电容C3的电流、延时斜坡控制模块120 的电源输出允许的浪涌电流和输出负载电容确定。延时及斜坡控制模块120 的电源输出电压变化速率为延时及斜坡控制模块120的电源输出允许的浪 涌电流与延时及斜坡控制模块120的输出负载电容的比值。
参见图6,为图2中输出电压正常显示模块150的电路示意图，电源输 出电压正常显示电路采用发光二极管LED串接限流电阻R20实现。当直流 电源开关的输入电压在欠压^r测点与过压4全测点之间时，电源输出电压正 常，发光二极管LED点亮。在直流电源开关的不同电源电压输入情况下， 通过选择串接限流电阻R20，使发光二极管LED的工作电流在5 ~ 10mA范 围内。
图2以直流正电源输入直流电源开关为例对图1的直流电源开关进行了 说明，下面以图7的电路对直流负电源输入直流电源开关的情况进行具体的 举例说明。参见图7,为本发明实施例直流电源开关的电路示意图例二，与 图2的电路相比，过欠压检测模块、电压异常关闭输出控制模块、手动控制 开关模块和输出电压正常显示模块分别类似。因为此时直流电源开关的输入 为负电源，所以延时及斜坡控制模块和MOS开关的具体实现电路有些差异， 图2中MOS开关为P型MOS开关，图7中MOS开关为N型MOS开关。 当所述延时及斜坡控制模块接收电压异常关闭输出控制模块传送的导通功 率开关模块的信号时，延时功率开关模块的导通，通过功率开关模块控制输 出直流电源开关的电压斜坡下降到正常电压；当接收电压异常关闭输出控制 模块传送的断开功率开关模块的信号时，控制功率开关模块断开。
当然，采用本发明实施例的思路能实现的直流电源开关不仅限上面所举 的电路，这里不——列举。
本发明实施例还提供一种直流电源开关的实现方法，该方法包括
检测出输入直流电源开关的电压为正常时，将提供给供电设备的输入直流
电源开关的电压延时，且斜坡上升或下降到正常电压；检测出输入直流电源开
关的电压异常时，断开提供给供电设备的输入直流电源开关的电压。
可选地，在提供给供电设备的输入直流电源开关的电压延时，且斜坡上升
或下降到正常电压之后，该方法包括显示直流电源开关给供电设备正常供电 时的状态。
本发明实施例的直流电源开关实现了对输入直流电源开关的电压进行 检测并控制，在输入直流电源开关的电压正常时才对供电设备供电，并且对 从直流电源开关输出给供电设备的电压进行延时和斜坡处理，实现恒流及斜 坡输出电压给供电设备，这样，不会像现有技术那样产生电弧现象。从而， 本发明实施例的直流电源开关提高了电子开关的性能。
并且，本发明实施例方案可采用常规、通用器件设计，其实现筒便。
需要说明的是，本发明实施例直流电源开关可以模块电路的形态出现在 相关功能需求的电路设计中，与相关设备融合在一起使用；也可以小模块部 件的以独立的形态出现在相关需求的设备中。
不仅如此，直流电源开关的功率开关模块采用MOS开关时，本发明实 施例的直流电源开关还包括以下效果
1 )直流电源开关成本主要体现为2片通用器件TL431和功率MOS管 的成本，而2片通用器件TL431和功率MOS管的成本低，这样，降低了成 本。
2)直流电源开关的调整方便，针对不同功率、电压需求，仅需要选择 不同规格的MOS开关，即可满足设计要求。
3 )直流电源开关的功率开关模块为MOS开关时，本发明实施例直流电 源开关的主回路中仅串接了 MOS开关，是直流电源开关中唯一耗能元件， 因而本发明实施例直流电源开关的体积主要体现在MOS开关上，而开关闭 合时功率MOS开关管的内阻很小，因而直流电源开关的体积较小。这样， 减小了直流电源开关的体积，也便于安装，可制作成大功率的电源开关。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任 何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种直流电源开关，其特征在于，包括电压异常控制模块、延时及斜坡控制模块和功率开关模块；所述电压异常控制模块，用于检测出输入直流电源开关的电压为正常时，传送导通功率开关模块的信号给延时及斜坡控制模块；检测出输入直流电源开关的电压为异常时，传送断开功率开关模块的信号给延时及斜坡控制模块；所述延时及斜坡控制模块，用于接收所述导通功率开关模块的信号，延时所述功率开关模块的导通，通过所述功率开关模块控制输出直流电源开关的电压斜坡上升或下降到正常电压；接收所述断开功率开关模块的信号，控制所述功率开关模块断开；所述功率开关模块，用于在所述延时及斜坡控制模块控制下，提供所述输入直流电源开关的电压给供电设备，或者，断开提供给供电设备的所述输入直流电源开关的电压。
2、 如权利要求1所述的直流电源开关，其特征在于，所述直流电源开关进 一步包括手动控制开关模块，用于在所述电压异常控制模块检测出输入直流电 源开关的电压为异常时，控制所述电压异常控制模块处于自锁状态，使其输出 保持为断开功率开关模块的信号给所述功率开关模块，直到通过手动地控制手 动控制开关模块来解除所述电压异常控制模块的自锁状态。
3、 如权利要求1所述的直流电源开关，其特征在于，所述电压异常控制模 块包括过欠压检测模块和电压异常关闭输出控制模块；所述过欠压检测模块，用于对输入直流电源开关的电压进行过欠压检测， 检测出电压正常时向所述电压异常关闭输出控制模块发送电压正常的指示信 号，检测出电压为过压或欠压时向所述电压异常关闭输出控制模块发送电压异 常的指示信号；所述电压异常关闭输出控制模块，用于根据接收到的由所述过欠压检测模 块传送的电压正常的指示信号，传送导通功率开关模块的信号给所述延时及斜坡控制模块；根据接收到的由所述过欠压检测模块传送的电压异常的指示信号，传送断开功率开关模块的信号给所述延时及斜坡控制模块。
4、 如权利要求1所述的直流电源开关，其特征在于，所述直流电源开关还包括输出电压正常显示模块，与所述功率开关模块相连，用于实现直流电源开 关对供电设备正常供电时的状态显示。
5、 如权利要求1所述的直流电源开关，其特征在于，所述功率开关模块为 MOS开关或三极管。
6、 一种直流电源开关的实现方法，其特征在于，该方法包括检测出输入直流电源开关的电压为正常时，将提供给供电设备的输入直流 电源开关的电压延时，且斜坡上升或下降到正常电压；检测出输入直流电源开 关的电压异常时，断开提供给供电设备的输入直流电源开关的电压。
7、 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述将提供给供电设备的输入 直流电源开关的电压延时，且斜坡上升或下降到正常电压之后，该方法包括 显示直流电源开关给供电设备正常供电时的状态。
全文摘要
本发明实施例公开了一种直流电源开关，包括电压异常控制模块、延时及斜坡控制模块和功率开关模块；所述电压异常控制模块，用于传送导通功率开关模块的信号给延时及斜坡控制模块，传送断开功率开关模块的信号给延时及斜坡控制模块；所述延时及斜坡控制模块，用于延时所述功率开关模块的导通，通过所述功率开关模块控制输出直流电源开关的电压斜坡上升或下降到正常电压；所述功率开关模块，用于在所述延时及斜坡控制模块控制下，提供输入直流电源开关的电压给供电设备，或者，断开提供给供电设备的输入直流电源开关的电压。本发明实施例还公开了一种直流电源开关的实现方法。本发明实施例的直流电源开关方案提高了直流电源开关的性能。
文档编号H02M3/02GK101202500SQ200710165108
公开日2008年6月18日 申请日期2007年10月29日 优先权日2007年10月29日
发明者李华福, 陈继高, 马立宾 申请人:华为技术有限公司