专利名称：一种28v直流固态功率控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种运用固态功率开关和计算机技术实现配电控制的装置，尤其涉及一种固态功率控制器，用于飞机、舰船、车辆、工业自动化等领域直流电源系统的配电控制。
背景技术：
现代飞机、船舶、车辆已趋于多电控制或全电控制，用电设备日趋增多，对供配电系统的要求也越来越高。传统配电方式采用配电板、熔断器、机械式继电器、断路器及馈电导线形成供电回路，属于集中配电方式。在负载数量较多的情况下，存在以下缺点操作繁琐复杂，占用机组人员较多的任务时间；供电线圈功耗大；触点拉弧，极易产生电磁干扰，且有寿命限制；不智能，无法实现自动控制、冗余供电和容错供电；断路器过流保护特性只 适用于特定电流值的负载；整个配电系统维修性差，维护费用高；供电电缆数量多，贯穿长，致使供电系统重量大，影响飞机的机动特性和载重。功率MOSFET是一种以栅源极间电压控制漏源极间电流的功率控制器件，其所需驱动功率小、开关速度快、导通电阻小且为正温度系数，易并联，可用作固态功率开关。随着功率MOSFET制造工艺快速发展，器件在满足通流量的情况下导通电阻可低至几毫欧，可显著降低导通压降和功率损耗。无触点开关的利用存在一个显著优点无机械动作，不会产生电弧，无寿命限制。另一方面，嵌入式计算机控制技术飞速发展，一个很小封装的微控制器就能达到几十兆赫兹的运算频率，并且包含了多种串行通信总线接口、I/o 口和AD采集端口，为实现智能功率控制提供了条件。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是提供一种28V直流固态功率控制器，将计算机控制技术及功率电子技术结合起来，辅以其他集成电路，形成具有独立功能的28V直流固态功率控制器。为了解决上述技术问题，本实用新型采取的技术方案为一种28V直流固态功率控制器，其特征在于，包括控制模块和功率开关回路；其中，所述控制模块连接上位机，用于接收上位机的控制指令并对控制指令进行处理，然后根据处理后的控制指令控制所述功率开关回路；所述功率开关回路连接所述控制模块，用于在控制模块的控制下对负载进行功率操作。进一步地，所述功率开关回路包括依次电性连接的功率汇流条输入引脚、功率开关、功率输出引脚、负载和功率电源回线引脚。进一步地，所述功率开关为N沟道绝缘栅型场效应管。进一步地，所述控制模块包括依次电性连接的微控制器、逻辑阵列和驱动电路；所述微控制器与上位机连接，接收上位机指令，进行处理后发送至逻辑阵列完成逻辑运算，然后输出至驱动电路(4)以驱动所述功率开关回路的功率开关。进一步地，还包括有依次连接的采样电阻、电流采样电路、短路电流比较电路；所述采样电阻连接功率开关和功率输出引脚，所述短路电流比较电路连接逻辑阵列。进一步地，还包括限制功率开关回路的短路电流的限流电路，所述限流电路一端连接于所述采样电阻和电流采样电路之间，另一端连接于所述驱动电路和功率开关之间。进一步地，还包括有作为续流回路的超快恢复功率二级管，与负载相并联，用于使断开负载时产生的反向感应电流可以持续消耗在负载上。进一步地，还包括有与所述微控制器相连接的电源状态监控电路和电压采样电路；所述电源状态监控电路实时监测功率汇流条输入电压，当电压等于或大于设定阀值时，电源状态监控电路产生有效信号传输至微控制器；反之，则产生无效信号传输至微控制器；所述电压采样电路实时采集负载电压，并将结果传输至微控制器的AD端口进行转换，转换后的结果上报给上位机。进一步地，所述28V直流固态功率控制器的额定电流不固定，能在一预定范围内
配置调整。进一步地，所述28V直流固态功率控制器分为正常状态和超控状态；当位于超控状态时，用户可通过外部超控开关直接对功率开关进行控制。本实用新型在用电设备较为集中的区域，通过串行通信总线接收上位机控制指令，就近将28V供电汇流条的电能分配给用电设备，大大降低馈电线缆的长度和重量；多个固态功率控制器可共用一条通信总线，省却了传统继电器供电线圈的导线，大大降低了控制功耗。本实用新型以导通电阻非常小的N沟道绝缘栅型场效应管作为固态功率开关，显著降低导通线路压降。同时使28V直流固态功率控制器的漏电流在I微安以下。固态开关还避免了传统继电器在开通或断开负载时机械触点动作产生的电弧，彻底消除了电磁干扰。本实用新型28V直流固态功率控制器具有软开关功能，即慢开通和慢关断功能。缓慢接通大容性负载，降低冲击电流的危害；缓慢关断感性负载，防止反向电动势损坏供电回路和供电电源；28V直流固态功率控制器还具有续流回路，防止关断感性负载时对固态开关造成损伤。本实用新型28V直流固态功率控制器通过三种可选择的串行通信总线接收上位机的开关命令，可在短时间内接通或断开负载，这个时间小于传统继电器和断路器的响应时间。将用户所期望的负载通断方式按通信协议设计在上位机内，完全可以实现自动供电、远程供电和智能供电，避免机组人员手动扳动供电开关。本实用新型28V直流固态功率控制器实时采集回路电流，并计算采集值与设定的额定电流值的比值，根据反时限保护曲线(即I2t曲线)进行过流保护。该28V直流固态功率控制器具有跳闸指示和复位功能。当电路因短路、过流或过热进入保护状态时，28V直流固态功率控制器通过离散量状态告知外部供电开关跳闸。跳闸后可接受上位机复位指令，清除跳闸状态，对负载再次进行控制。本实用新型28V直流固态功率控制器的过载保护特性可编程，满足20% 100%额定电流范围负载的过流保护要求。I2t曲线也可编程，编程范围为初始设置值的80% 180%，如此可适应各种不同电流和保护要求的负载，避免了种类繁多的断路器。本实用新型28V直流固态功率控制器内部的微控制器还可监控总线运行状态、正常开通或断开状态、过流或短路保护状态、汇流条开路或断路状态和输出电压，通过总线反馈BIT结果，便于机组人员实时监控和记录设备状态以采取有效措施，在地面时，也方便维修人员快速定位故障，显著降低维修成本和提升效率。本实用新型28V直流固态功率控制器开展了鲁棒性设计，具有超控功能，在外部通信总线或内部微控制器失效的情况下，可通过超控输入引脚对功率开关进行超越控制，即强行开通或关断负载。此外，在维护模式下，本实用新型28V直流固态功率控制器可接受上位计算机设置产品身份识别码、串行通信波特率、默认开关状态，便于系统集成商进行集成和管理。
图I是本实用新型28V直流固态功率控制器的原理框图；图2是本实用新型的运行流程图。其中1功率开关；2负载；3功率电源回线引脚；4驱动电路；5采样电阻；6超快恢复功率二级管；7功率输出引脚；8隔离接口 ；9电压基准；10电源状态监控电路；11微控制器；12逻辑阵列；13电流采样电路；14电压采样电路；15短路电流比较电路；16限流电路。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。如图I所示，本实用新型28V直流固态功率控制器，包括控制模块和功率开关回路；控制模块连接上位机，用于接收上位机的控制指令并对控制指令进行处理，然后根据处理后的控制指令控制所述功率开关回路；功率开关回路连接所述控制模块，用于在控制模块的控制下对负载2进行功率操作。优选地，功率开关回路包括依次电性连接的功率汇流条输入引脚、功率开关I、功率输出引脚7、负载2和功率电源回线引脚3。需要特别指出的是，尽管功率开关可供选择的范围很多，但最好采用N沟道绝缘栅型场效应管。控制模块包括依次电性连接的微控制器11、逻辑阵列12和驱动电路4 ;微控制器11与上位机连接，接收上位机指令，进行处理后发送至逻辑阵列12完成逻辑运算，然后输出至驱动电路4以驱动功率开关回路的功率开关I。功率开关回路的作用是响应驱动电路4的输出信号，将功率汇流条输入功率分配给用电负载2，分配主要有两种形式接通或断开。由于用电负载2类型多种多样，常见的有阻性、容性、感性及电动机、灯负载等，实际上纯阻性的用电设备极少，往往是阻容性或阻感性的较多。容性负载接通时产生很大的di/dt，极易产生电磁发射，干扰整个电源系统。功率开关I是靠改变栅源极间电压来控制漏源导电沟道的宽度，从而控制导通电流，即可利用栅源电压上升速率来控制负载2回路的电流上升速率。由于功率开关I存在栅源输入电容，只需调整驱动电路4中的栅极电阻改变驱动信号的上升时间常数，即可改变栅极电压上升速率。相对缓慢开通容性负载2的另一个目的是防止瞬时接通很多容性负载造成电源系统的欠压浪涌，本28V直流固态功率控制器的负载2电压上升时间为200微秒左右。另一方面，调整驱动电路4中的栅极电压下降时间常数以达到缓慢关断的目的可减小du/dt，本28V直流固态功率控制器的负载2电压下降时间为100微秒左右。此外，虽然功率MOSFET比机械触点式开关有很多优势，但因其靠载流子导电，不是物理断开的方式，所以其在关断状态下会存在不同程度的漏电流，在本实用新型中负载2上的漏电流在I微安以下。优选地，本实用新型还可包括有依次连接的采样电阻5、电流采样电路13、短路电流比较电路15 ;所述采样电阻5连接功率开关I和功率输出引脚7，所述短路电流比较电路15连接逻辑阵列12。此外，还可包括限制功率开关回路的回路电流的限流电路16，限流电路16 —端连接于采样电阻5和电流采样电路13之间，另一端连接于驱动电路4和功率开关I之间。传统断路器利用双金属片的热膨胀系数不一致来断开触点，在过流情况下为功率回路设备提供保护。而本实用新型28V直流固态功率控制器是基于功率开关回路电流进行精确保护控制的，属于数字处理方式，所以，回路电流是极其重要的特征量，本实用新型中采用高精密、低阻值的采样电阻5及与其相连接的采样电路采集回路电流。驱动电路4收到接通信号将功率开关I打开后，功率开关回路便产生电流，电流在采样电阻5上形成电压，该电压直接进入短路电流比较电路15用于判断功率开关回路是否存在短路，若存在短路，则短路电流比较电路15产生短路信号并送至逻辑阵列12，内部逻辑将短路信号锁存并触发短路保护机制，输出关断信号至驱动电路4以切断功率开关I ;若小于电压基准9，则电流采样电路13将该电压信号采集后输入到微控制器11采集端口，微控制器11内部的AD转换模块进行模拟一数字转换后得到功率开关回路电流的准确数字值，计算相对于额定电流的倍数，判断是否启用过流保护程序。过流保护程序的数学模型是反时限保护曲线(I2t曲线)。当实际电流为额定电流的I. 25倍以上时，28V直流固态功率控制器进入延时程序，若在延时过程中电流采样值持续不变，则在按I2t曲线的时间延时到达的时刻，发出关断信号至驱动电路4以切断功率开关I ;若在延时过程中，实际电流增大，则延时时间缩短；若在延时过程中，实际电流降到额定电流的I. 25倍以下，则跳出反时限保护。短路情况下，回路电流取决于电源内阻和线路阻抗，回路电流值很大，本实用新型中运用限流电路16限制功率开关回路短路电流。当固态功率开关I因短路或过流而关断后，微控制器11采集短路信号、过流信号、驱动信号和控制指令，根据逻辑输出跳闸信号至隔离接口 8，外部可接告警指示灯指示或用离散量采集接口采集。此时，若要再次接通负载2，只需先向28V直流固态功率控制器发送断开命令，再发送一次接通命令即可对28V直流固态功率控制器完成复位动作。优选地，本实用新型还可包括有作为续流回路的超快恢复功率二级管6，与负载2相并联，用于使断开负载2时产生的反向感应电流可以持续消耗在负载2上。因为感性负载断开时产生较大的反向电动势du/dt，极易损伤电源系统。采用超快恢复功率二极管6作为续流回路，使断开感性负载时产生的反向感应电流可持续消耗在负载2上，起到了对电源系统的保护作用。优选地，本实用新型还包括有与所述微控制器11相连接的电源状态监控电路10和电压采样电路14 ;电源状态监控电路10实时监测功率汇流条输入电压，当电压等于或大于设定阀值时，电源状态监控电路10产生有效信号传输至微控制器11 ;反之，则产生无效信号传输至微控制器11 ;所述电压采样电路14实时采集负载2电压，并将结果传输至微控制器11的AD端口进行转换，转换后的结果上报给上位机。用电设备数量巨大的情况下，供电系统的可靠性和维修性显得尤为重要。如果配电开关能够提供冗余供电或者容错供电，可以极大程度的提高设备的任务可靠性。同样，在供电系统维修时，靠人工排查进行定位故障，势必造成效率低下，影响飞机的派遣率，这一切都依赖于产品自检测(BIT)。本28V直流固态功率控制器提供三种BIT方式上电BIT、连续BIT和维护BIT，提供原位检测和离位检测。除了上述的短路、过流故障检测外，本实用新型还能提供总线通信状态检测、驱动电路4检测、功率汇流条状态检测和功率输出检测。微控制器11实时采集驱动电路4输出的控制信号电平，结合上位机命令，反馈有效/无效接通及有效/无效断开状态。电源状态监控电路10实时监测功率汇流条输入电压，电压等于或大于设定阀值，电源状态监控电路10产生有效信号输出到微控制器11，反之，汇流条输入电压小于阀值，电源状态监控电路10产生有无效信号输出到微控制器11。电压米样电路14实时米集负载2输出端功率输出引脚 7的电压，结果送至微控制器11的AD端口进行转换，转换后的结果通过通信总线上报。基于这些，两个或多个28V直流固态功率控制器可以并联使用给负载2供电，其中一路失效可以启用另外的28V直流固态功率控制器持续给负载2供电。优选地，所述28V直流固态功率控制器的额定电流不固定，能在一预定范围内配置调整。传统断路器只能对额定电流的负载提供有效的过流保护，本实用新型28V直流固态功率控制器则可根据负载保护特性需求提供适应性调整。例如，额定电流为5安培的断路器用于额定电流为5安培的负载，当负载回路电流为10安培(2倍过载)，保护时间为10秒，能恰好提供有效保护。如果将该断路器应用于额定电流为2安培的负载，负载回路电流为10安培(5倍过载)，因为断路器的保护时间是由双金属片的物理特性决定的，其保护时间仍为10秒，显然，5倍过载情况下的过流保护时间应比2倍过载短，所以，此断路器无法为2安培负载回路提供有效保护。面对这种情况，如果断路器的额定电流或者保护特性可供用户配置的话，它的适用范围就很广了。而本实用新型真正做到了这一点。用户可将真实额定电流值通过总线配置到28V直流固态功率控制器内部，上电后即可基于真实额定电流值计算过流倍数，提供精确保护。在本实用新型中，5安培的28V直流固态功率控制器可编程配置的范围为I安培至5安培。另外，同为5安培的负载，有的需要快速保护，有的需要慢速保护，需要功率开关I的反时限保护曲线按需调整，传统断路器是无法做到的，除非增加双金属片，而本实用新型做到了这一点，如负载2需快速保护，只需从上位机发送“80%”到微控制器11中，如负载2需慢速保护，只需发送“180%”到微控制器11，同理，保护特性在这两者间的均可配置。优选地，所述28V直流固态功率控制器分为正常状态和超控状态；当位于超控状态时，用户可通过外部超控开关直接对功率开关I进行控制。相对正常使用状态，超控状态主要用于在通信线路失效或微控制器11失效的情况下，方便用户直接对功率开关I进行控制，超控信号通过隔离接口 8与外部隔离。超控的控制优先级高于总线通信控制，微控制器11收到上位机控制指令后进行解析，然后输出到逻辑阵列12进行逻辑综合。逻辑综合结果输出至驱动电路4。此外，在正常使用状态下，本实用新型控制模块内部的微控制器11通过串行通信总线接收外部上位机的控制指令。通信总线配置为三选一形式，可供选择的通信方式有SCI、SPI和I2C。默认配置为SCI，通信的波特率为19200bps，奇校验。用户若需配置其他工作方式，则需按照通信协议输入相应的配置命令，配置成功后才可使用。内外部通信之间用隔离接口 8隔离。为便于在电气负载管理中心中集成控制管理多路固态功率控制器，可采用总线型拓扑结构组成通信网络。上位机可通过总线在线配置本28V直流固态功率控制器的身份识别码、通信波特率。图2所示为本实用新型28V直流固态功率控制器的运行主流程图，分为以下几
I K
少步骤101，本实用新型28V直流固态功率控制器接到上位机发出的命令后，判断是否是功率操作命令，若是，则打开功率开关1，若非，则转入其它命令处理程序；步骤102，判断是否存在短路现象，若是，则进入短路处理，若非，则直接进入下一
I K
少;步骤103，判断是否过载，若是，则进入过载处理，若非，则本次功率操作完成。以上所述实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。
权利要求1.一种28V直流固态功率控制器，其特征在于，包括控制模块和功率开关回路；其中， 所述控制模块连接上位机，用于接收上位机的控制指令并对控制指令进行处理，然后根据处理后的控制指令控制所述功率开关回路； 所述功率开关回路连接所述控制模块，用于在控制模块的控制下对负载进行功率操作。
2.根据权利要求I所述的28V直流固态功率控制器，其特征在于，所述功率开关回路包括依次电性连接的功率汇流条输入引脚、功率开关(I)、功率输出引脚(7)、负载(2)和功率电源回线引脚(3)。
3.根据权利要求2所述的28V直流固态功率控制器，其特征在于，所述功率开关(I)为N沟道绝缘栅型场效应管。
4.根据权利要求2所述的28V直流固态功率控制器，其特征在于，所述控制模块包括依次电性连接的微控制器(11)、逻辑阵列(12)和驱动电路⑷； 所述微控制器(11)与上位机连接，接收上位机指令，进行处理后发送至逻辑阵列(12)完成逻辑运算，然后输出至驱动电路(4)以驱动所述功率开关回路的功率开关(I)。
5.根据权利要求4所述的28V直流固态功率控制器，其特征在于，还包括有依次连接的采样电阻(5)、电流采样电路(13)、短路电流比较电路(15);所述采样电阻(5)连接功率开关(I)和功率输出引脚(7)，所述短路电流比较电路(15)连接逻辑阵列(12)。
6.根据权利要求5所述的28V直流固态功率控制器，其特征在于，还包括限制功率开关回路的短路电流的限流电路(16)，所述限流电路(16) —端连接于所述采样电阻(5)和电流采样电路(13)之间，另一端连接于所述驱动电路(4)和功率开关(I)之间。
7.根据权利要求5所述的28V直流固态功率控制器，其特征在于，还包括有作为续流回路的超快恢复功率二级管(6)，与负载(2)相并联，用于使断开负载(2)时产生的反向感应电流可以持续消耗在负载(2)上。
8.根据权利要求4所述的28V直流固态功率控制器，其特征在于，还包括有与所述微控制器(11)相连接的电源状态监控电路(10)和电压采样电路(14)； 所述电源状态监控电路(10)实时监测功率汇流条输入电压，当电压等于或大于设定阀值时，电源状态监控电路(10)产生有效信号传输至微控制器(11);反之，则产生无效信号传输至微控制器(11); 所述电压采样电路(14)实时采集负载(2)电压，并将结果传输至微控制器(11)的AD端口进行转换，转换后的结果上报给上位机。
9.根据权利要求4所述的28V直流固态功率控制器，其特征在于，所述28V直流固态功率控制器的额定电流不固定，能在一预定范围内配置调整。
10.根据权利要求4所述的28V直流固态功率控制器，其特征在于，所述28V直流固态功率控制器分为正常状态和超控状态；当位于超控状态时，用户可通过外部超控开关直接对功率开关(I)进行控制。
专利摘要本实用新型公开了一种28V直流固态功率控制器，其特征在于，包括控制模块和功率开关回路；其中，所述控制模块连接上位机，用于接收上位机的控制指令并对控制指令进行处理，然后根据处理后的控制指令控制所述功率开关回路；所述功率开关回路连接所述控制模块，用于在控制模块的控制下对负载进行功率操作。本实用新型要解决的技术问题是提供一种28V直流固态功率控制器，将计算机控制技术及功率电子技术结合起来，通过串行通信总线接收上位机控制指令，就近将28V供电汇流条的电能分配给用电设备，大大降低馈电线缆的长度和重量；多个固态功率控制器可共用一条通信总线，省却了传统继电器供电线圈的导线，大大降低了控制功耗。
文档编号H02H3/093GK202524293SQ20122015065
公开日2012年11月7日 申请日期2012年4月11日 优先权日2012年4月11日
发明者朱军 申请人:上海尊瑞电子有限公司