一种直流供电的保护装置及系统的制作方法

本实用新型涉及直流供电领域，具体涉及一种直流供电的保护装置及系统。

背景技术：

目前POE采用集中直流供电方式，拓扑结构如图1所示。所有支路终端设备120供电都直接从同一个功率变换器110输出的母线上取电，为防止某一支路出现短路或过流故障，从而影响到母线电压，进而影响其他连接到母线的终端设备120的正常工作，一般在每一支路都会串联一个自恢复保险丝130。

其中，其中，POE(Power Over Ethernet)指的是在现有的以太网Cat.5布线基础架构不作任何改动的情况下，在为一些基于IP的终端(如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等)传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的技术。

自恢复保险丝130工作原理是当线路发生短路或过载时，流经自恢复保险丝130的大电流产生的热量，使其形成高阻状态，工作电流减小，从而对电路进行限制和保护。当故障排除后，自恢复保险丝130恢复为低阻状态，从而完成对电路的保护。

从其原理可以看出，首先过流后，接着产生高温，然后形成高阻，才实现保护。因此，发生过流，是不能立即产生保护，必须等温度上升以后，才可保护。在实际应用中，经常一条支路出现故障，由于保护不及时，会导致功率变换器110重启，影响所有连接到母线上的支路终端设备120正常工作。

为了降低一条故障支路对母线上连接的其他终端设备120的影响，业界提出了集中式直流分组供电拓扑结构，如图2所示。这样，一条支路出现问题，只会影响同组的其他支路，而不影响其他组的支路，大大降低受影响支路数目。

但采取这种拓扑结构会导致每一组都必须增加一个功率变换器110，不仅成本、体积都大大增加，也不能从根本上解决问题，还是有支路受到影响。

所以这种结构是不经济，不环保，但是又不得而为之。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种直流供电的保护装置及系统，解决现有拓扑结构的不经济、不环保、控制效果不理想的问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种直流供电的保护装置，所述保护装置包括主控单元、开关单元和电流检测单元，所述主控单元分别与开关单元和电流检测单元连接，所述开关单元还分别与电源正极母线和电源正极支线连接；其中，所述开关单元根据主控单元的控制对电源正极母线和电源正极支线进行通路、断开操作，所述电流检测单元获取经过开关单元的电流信息，并在在电流信息异常时发送电流异常信号至主控单元，所述主控单元根据电流异常信号控制开关单元进行断开操作。

其中，较佳方案是：所述开关单元包括第一功率开关管，所述第一功率开关管的漏极与电源正极母线连接，其源极与电源正极支线连接，其栅极与主控单元连接，并根据主控单元的驱动，控制漏极和源极的通路或断开。

其中，较佳方案是：所述电流检测单元包括第二功率开关管、第一电阻和第一OP放大器，所述第二功率开关管的漏极与第一电阻串联后接入第一功率开关管的漏极，其源极与第一功率开关管的源极连接，其栅极与主控单元连接，所述第一OP放大器的输入端分别与第一电阻的两端连接，其输出端与主控单元连接，所述第一OP放大器的基准端通过第二电阻与电源正极母线连接。

其中，较佳方案是：所述第二功率开关管的尺寸小于第一功率开关管的尺寸。

其中，较佳方案是：所述保护装置还包括设置在主控单元与第一功率开关管的栅极之间的驱动模块，所述驱动模块根据主控单元的控制驱动第一功率开关管的通路或断开。

其中，较佳方案是：所述保护装置还包括与驱动模块连接的电荷泵，所述电荷泵还与电源正极母线连接，并将电源正极母线的电压值提高至可供第一功率开关管通路的电压值，并通过驱动模块提供至第一功率开关管的栅极。

其中，较佳方案是：所述保护装置还包括电压检测单元，所述电压检测单元的信号输出端与主控单元连接，其电压输入端分别通过一电阻并入电源正极母线和电源负极母线，并获取电源正极母线和电源负极母线之间的供电电压，且在供电电压异常时发送电压异常信号至主控单元，所述主控单元根据电压异常信号控制开关单元进行断开操作。

其中，较佳方案是：所述电压检测单元还包括第一比较器和第二比较器，所述第一比较器的反相输入端和第二比较器的正向输入端均与电压输入端连接，所述第一比较器的正向输入端接入第一基准电压，所述第二比较器的反相输入端接入第二基准电压，所述第一比较器的输出端和第二比较器的输出端均与信号输出端连接；其中，第一基准电压的电压值大于第二基准电压的电压值。

其中，较佳方案是：所述保护装置还包括监测开关单元温度的温度检测单元，所述温度检测单元与主控单元连接，并在温度异常时发送温度异常信号至主控单元，所述主控单元根据异常信号控制开关单元进行断开操作。

其中，较佳方案是：所述保护装置还包括与主控单元连接的显示驱动单元，所述显示驱动单元包括驱动外部LED灯工作的第一输出控制端和第二输出控制端，所述显示驱动单元根据主控单元的控制通过第一输出控制端和第二输出控制端驱动外部LED灯工作。

其中，较佳方案是：所述保护装置封装在一芯片中，所述芯片至少包括OD端口、OS端口、iset端口和gnd端口，所述开关单元分别与OD端口和OS端口连接，所述电流检测单元分别与OD端口、OS端口和iset端口连接，所述芯片通过OD端口与电源正极母线连接，其通过OS端口与电源正极支线连接，其通过iset端口与一电阻连接再进入电源正极母线，其gnd端口接地。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种直流供电的保护系统，输入电源通过电源正极母线和电源负极母线将电能传输至对应的终端设备中，所述保护系统包括多个用于控制电源正极母线的通断的保护装置。

本实用新型的有益效果在于，与现有技术相比，本实用新型通过一种能够精确设定过流、过压、欠压值，同时具备过流、过压、欠压、过温保护与监测母线供电状态，监测负载状态，显示故障状态的智能恢复保护电路；进一步地，其还具有成本低，稳定性强，对其他支路影响性低，体积小等优势。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是现有直流供电系统的结构示意图；

图2是现有局部式直流供电系统的结构示意图；

图3是本实用新型保护装置的结构示意图；

图4是本实用新型基于保护装置的直流供电系统的结构示意图；

图5是本实用新型开关单元的结构示意图；

图6是本实用新型电流检测单元实施例一的结构示意图；

图7是本实用新型电流检测单元实施例二的结构示意图；

图8是本实用新型驱动模块的结构示意图；

图9是本实用新型电荷泵与驱动模块的结构示意图；

图10是本明发基于电压检测单元的保护装置的结构示意图；

图11是本实用新型电压检测单元的结构示意图；

图12是本实用新型温度检测单元的结构示意图；

图13是本实用新型显示驱动单元的结构示意图；

图14是本实用新型保护装置构成芯片实施例一的结构示意图；

图15是本实用新型保护装置构成芯片实施例二的结构示意图。

具体实施方式

现结合附图，对本实用新型的较佳实施例作详细说明。

如图3和图4所示，本实用新型提供一种直流供电的保护装置的优选实施例。

一种直流供电的保护装置230，所述保护装置230包括主控单元231、开关单元232和电流检测单元233，所述主控单元231分别与开关单元232和电流检测单元233连接，所述开关单元232还分别与电源正极母线241和电源正极支线251连接；其中，所述开关单元232根据主控单元231的控制对电源正极母线241和电源正极支线251进行通路、断开操作，所述电流检测单元233获取经过开关单元232的电流信息，并在在电流信息异常时发送电流异常信号至主控单元231，所述主控单元231根据电流异常信号控制开关单元232进行断开操作。

其中，主控单元231可以通过现有的芯片或逻辑电路实现，只要可实现根据电流异常信号控制开关单元232进行断开操作的芯片或逻辑电路均属于本实用新型的保护范围。

具体地，电流检测单元233获取经过开关单元232的电流信息，即经过保护装置230并流入终端设备220为其供电的电流信息，电流信息包括电流的电流值，当电流值过大，即过流，主控单元231根据电流异常信号控制开关单元232进行断开操作。例如，当电流值过大时，经过保护装置230的电流处理过流，电流检测单元233发送过流信号至主控单元231中，主控单元231根据过流信号控制开关单元232进行断开操作，切断电源正极母线241和电源正极支线251的连接，即切断电源正极母线241和终端设备220的供电线路。

以及，本实用新型还提供一种直流供电的保护系统，并参考图4，输入电源通过电源正极母线241和电源负极母线242将电能传输至对应的终端设备220中，所述保护系统包括多个用于控制电源正极母线241的通断的保护装置230。其中，直流供电系统包括电源输入端，并通过功率变换器210与电源正极母线241和电源负极母线242连接，并通电源正极母线241和电源负极母线242为终端设备220供电，每一终端设备220的电源正极支线251和电源负极支线252分别与对应的电源正极母线241和电源负极母线242连接，同时在电源正极母线241和电源正极支线251之间设置保护装置230，用于控制电源正极母线241的通断，即控制终端设备220的通断。

这样，不需要增加功率变换器210，只需一功率变换器210以及对应的保护装置230，大大降低成本，同时，也降低整个直流供电系统的体积。

如图5所示，本实用新型提供一种开关单元的较佳实施例。

所述开关单元232包括第一功率开关管K1，所述第一功率开关管K1的漏极与电源正极母线241连接，其源极与电源正极支线251连接，其栅极与主控单元231连接，并根据主控单元231的驱动，控制漏极和源极的通路或断开。

优选地，第一功率开关管K1类型采用NMOS，起到通路及断开电源正极母线241与电源正极支线251的作用；并且采用NMOS管类型可以有效降低芯片面积，降低成本。其中，NMOS器件参与导电的载流子是电子，PMOS器件参与导电的载流子是空穴，由于电子的迁移率是空穴的3-5倍，因此要到达同样的电流驱动能力，PMOS器件的面积就远远大于NMOS器件的面积，成本就跟随上升。

当然，若不在乎成本，采用PMOS器件作为第一功率开关管K1的驱动MOS管，也是可行的，也属于本申请的保护范围。

如图6和图7所示，本实用新型提供一种电流检测单元的较佳实施例。

所述电流检测单元233包括第二功率开关管K2、第一电阻R1和第一OP放大器OP1，所述第二功率开关管K2的漏极与第一电阻R1串联后接入第一功率开关管K1的漏极，其源极与第一功率开关管K1的源极连接，其栅极与主控单元231连接，所述第一OP放大器OP1的输入端分别与第一电阻R1的两端连接，其输出端与主控单元231连接，所述第一OP放大器OP1的基准端通过第二电阻R2与电源正极母线241连接。并且，通过基准端输入的偏置电压调整过流数值，满足不同设备的需求。

优选地，第二功率开关管K2类型采用sense FET的NMOS，采用sense FET技术(使用场效应晶体管检测)，其流过的电流为第一功率开关管K1的N分之一，N的值为第一功率开关管K1与第二功率开关管K2的尺寸比，即第二功率开关管K2的尺寸小于第一功率开关管K1的尺寸，所以流过第二功率开关管K2的电流就非常小，产生的功耗损失也比较小。

具体地，通过监控第一电阻R1的电流，实现对经过第二功率开关管K2的电流的监控，OP1可精准获取第一电阻R1的电流值，并判断管第二功率开关管K2是否过流，若过流从输出端产生过流信号至主控单元231。以及，通过第二电阻R2的调节，设定过流保护值，根据不同支路终端设备220的连接情况，可灵活设定过流保护值。

并参考图7，通过第二OP放大器OP2监测第二功率开关管K2上的电流，判断终端设备220的工作状态，并将判断结果发送至主控单元231，若通电，则发送通电信号至主控单元231，若不通电，则不发送信号至主控单元231，主控单元231根据发送的通电信号或没法送通电信号识别第二功率开关管K2是否通路，从而识别第一功率开关管K1是否通路，从而判断终端设备220的工作状态，即通路或断路。

如图8和图9所示，本实用新型提供一种驱动模块的较佳实施例。

所述保护装置230还包括设置在主控单元231与第一功率开关管K1的栅极之间的驱动模块234，所述驱动模块234根据主控单元231的控制驱动第一功率开关管K1的通路或断开。

以及，驱动模块234还与第二功率开关管K2的栅极连接，并根据主控单元231的控制驱动第二功率开关管K2的通路或断开；控制可以同时驱动，也可以分别驱动。

进一步地，所述保护装置230还包括与驱动模块234连接的电荷泵235，所述电荷泵235还与电源正极母线241连接，并将电源正极母线241的电压值提高至可供第一功率开关管K1通路的电压值，并通过驱动模块234提供至第一功率开关管K1的栅极，或者，所述电荷泵235将电源正极母线241的电压值提高至可供第二功率开关管K2通路的电压值，并通过驱动模块234提供至第二功率开关管K2的栅极。

其中，电荷泵235采用电荷泵235技术将从电源正极母线241接进来的电压(VOD)提高到至少在第一功率开关管K1和第二功率开关管K2的阈值电压Vthn+VOD以上，最高是5V+VOD；提升的电压主要是供驱动模块234使用，以驱动第一功率开关管K1和第二功率开关管K2。

如图10和图11所示，本实用新型提供一种电压检测单元的较佳实施例。

所述保护装置230还包括电压检测单元236，所述电压检测单元236的信号输出端与主控单元231连接，其电压输入端分别通过一电阻(R3和R4)并入电源正极母线241和电源负极母线242，并获取电源正极母线241和电源负极母线242之间的供电电压，且在供电电压异常时发送电压异常信号至主控单元231，所述主控单元231根据电压异常信号控制开关单元232进行断开操作。

具体地，并参考图11，所述电压检测单元236还包括第一比较器COM1和第二比较器COM2，所述第一比较器COM1的反相输入端和第二比较器COM2的正向输入端均与电压输入端连接，所述第一比较器COM1的正向输入端接入第一基准电压2362，所述第二比较器COM2的反相输入端接入第二基准电压2361，所述第一比较器COM1的输出端和第二比较器COM2的输出端均与信号输出端连接；其中，第一基准电压2362的电压值大于第二基准电压2361的电压值。

当电压输入端的电压值小于第二基准电压2361，即电源正极母线241和电源负极母线242处于欠压状态，只有第一比较器COM1输出信号，主控单元231至只获取第一比较器COM1输出的信号认为电源正极母线241和电源负极母线242处于欠压状态；当电压输入端的电压值大于第一基准电压2362及，即电源正极母线241和电源负极母线242处于过压状态，只有第二比较器COM2输出信号，主控单元231只至获取第二比较器COM2输出的信号认为电源正极母线241和电源负极母线242处于过压状态。

进一步地，电压输入端与电源正极母线241之间设置第三电阻，电压输入端与电源负极母线242之间设置第四电阻，通过调节第三电阻和第四电阻的阻值，控制电压输入端的电压值。

如图12所示，本实用新型提供一种温度检测单元的较佳实施例。

所述保护装置230还包括监测开关单元232温度的温度检测单元237，所述温度检测单元237与主控单元231连接，并在温度异常时发送温度异常信号至主控单元231，所述主控单元231根据异常信号控制开关单元232进行断开操作。

具体的，温度检测单元237优选为温度传感器，并且邻近开关单元232设置，获取贴近开关单元232设置，监控开关单元232的温度情况，并在开关单元232温度异常时，如温度过高，发送温度异常信号至主控单元231。

优选地，温度检测单元237还具有带温度迟滞功能，可通过迟滞电路实现。

如图13所示，本实用新型提供一种显示驱动单元的较佳实施例。

所述保护装置230还包括与主控单元231连接的显示驱动单元238，所述显示驱动单元238包括驱动外部LED灯工作的第一输出控制端和第二输出控制端，所述显示驱动单元238根据主控单元231的控制通过第一输出控制端和第二输出控制端驱动外部LED灯(LED1和LED2)工作。

优选地，外部LED灯包括红灯和绿灯，只有绿色LED灯亮：标识母线供电正常，且为空载或轻载；只有红色LED灯常亮：标识母线供电异常或温度过高；只有红色LED灯闪烁亮：标识支路出现短路或过流故障状态；红色与绿色LED都亮，呈橙色：标识母线供电正常，且为有载或重载状态。

如图14和图15所示，本实用新型提供一种保护装置封装的较佳实施例。

在本实施例中，并参考图14，所述保护装置230封装在一芯片中，所述芯片至少包括OD端口、OS端口、iset端口和gnd端口，所述开关单元232分别与OD端口和OS端口连接，所述电流检测单元233分别与OD端口、OS端口和iset端口连接，所述芯片通过OD端口与电源正极母线241连接，其通过OS端口与电源正极支线251连接，其通过iset端口与第二电阻R2连接再进入电源正极母线241，其gnd端口接地。

进一步地，将芯片与外部电路结构构成一电路主板或电路模组。整体体积非常小，远远小于自恢复保险丝的体积，因此采用上述芯片构成的保护模块，可以优化集中式直流供电系统的结构，缩小体积，同时使系统更加安全、可靠、经济、环保。

在本实施例中，并参考图15，在上述图14实施例的基础上，所述芯片还包括uvp端口、BV端口、DG端口和DR端口，所述电压检测单元236的电压输入端与uvp端口连接，所述显示驱动单元238的第一输出控制端与DG端口连接，其第二输出控制端与DR端口连接，所述电荷泵235与BV端口连接，进一步，所述BV端口通过一电容与电源负极母线242，为内部功率开关提供驱动电压。

在本实施例中，芯片优选地为ZS3012模块。

在本实用新型中，还提供一种保护装置230的较佳实施例。

所述保护装置230还包括调整器和时钟模块，所述调整器接入电源正极母线241的电能，并产生不同、稳定、精确的偏置电流与电压为其他模块使用，如主控单元231、电荷泵235、时钟模块、电流检测单元233、电压检测单元236、显示驱动单元238和温度检测单元237。

同时，时钟模块产生时钟信号，并提供电荷泵235和主控单元231使用。

在本实用新型中，还提供一种控制方法的优选实施例。

一种控制方法，所述控制方法应用在所述的保护装置230中，所述控制方法的步骤包括：

步骤S11、根据故障信号或异常信号控制开关单元232进行断开操作；

步骤S12、每次断开操作后，延时预设时间控制开关单元232进行通路操作；

步骤S13、根据不同的重启次数设置不同延时的预设时间。

线段包括多个时间段(如T1、T2、...、T8)，重启延时时间T1、T2、T3、T4的数值大小依次增加，最后定格在T4。也可以将延时时间到T5、T6、T7、T8…都可以。采取延时递增的目的是为防止故障状态长期存在，系统频繁的重启与过流保护，引起较大的功耗。例如，第1次主控单元231的重启时间间隔1.28s；第2、3次主控单元231的重启时间间隔为10.24s；第4、5、6、7次主控单元231的重启时间间隔为81.92s；第8次以后主控单元231的重启时间间隔定为327.68s，不再变化。

优选地，上述故障信号或异常信号可以为过流信号。

在进一步地，提供一种控制流程：

1、启动及初始化保护装置230，优选关闭第一功率开关管K1和LED灯；

2、检测电源正极母线241和电源负极母线242的供电电压；

3、若供电电压异常时，红灯常亮并且返回至步骤2；若供电电压正常时，启动电荷泵235；进一步地，检测电荷泵235的供电电压是否正常，若正常进入步骤4，否者不断重新检测电荷泵235的供电电压是否正常；

4、开启第一功率开关管K1和使绿灯常亮；

5、同时进行三种检测操作，分别包括监测电源正极母线241的电压(步骤6-8)、监测第一功率开关管K1的导通电流(步骤12-11)、监测终端设备220的工作状态(步骤9-11)；

6、进入监测电源正极母线241的电压操作流程，检测电源正极母线241的电压是否正常，若正常进入步骤7，若不正常进入步骤8；

7、实现开启第一功率开关管K1，绿灯常亮和红灯关闭，并重回步骤6；

8、实现关闭第一功率开关管K1，绿灯关闭和红灯常亮，并重回步骤6；

9、进入监测终端设备220的工作状态操作流程，检测是否接入终端设备220，若接入进入步骤10，反则进入步骤11；

10、关闭红灯，并重回步骤9；

11、红灯常亮，并重回步骤9；

12、检测第一功率开关管K1导通电流；若过流进入步骤13；

13、关闭第一功率开关管K1，频闪红灯及关闭绿灯，并延时T1，重启第一功率开关管K1；

14、再次检测第一功率开关管K1导通电流；若过流进入步骤14；若正常进入步骤12；

15、关闭第一功率开关管K1，频闪红灯及关闭绿灯，并延时T2，重启第一功率开关管K1；

16、再次检测第一功率开关管K1导通电流；若过流进入步骤17；若正常关闭红灯并常亮绿灯后进入步骤12；

17、关闭第一功率开关管K1，频闪红灯及关闭绿灯，并延时T3，重启第一功率开关管K1；

18、再次检测第一功率开关管K1导通电流；若过流进入步骤19；若正常关闭红灯并常亮绿灯后进入步骤12；

19、关闭第一功率开关管K1，频闪红灯及关闭绿灯，并延时T4，重启第一功率开关管K1；

20、再次检测第一功率开关管K1导通电流；若过流进入步骤19；若正常关闭红灯并常亮绿灯后进入步骤12。

其中，上述流程在第四次延时T4与后续的延时时间T5、T6等时间段的时间相同，因此在第四次延时检测后，不断重复步骤19和步骤20；若是不相同，则进一步进行后续时间段的延时，知道最后一个与后续时间段相同的时间段出现。

以上所述者，仅为本实用新型最佳实施例而已，并非用于限制本实用新型的范围，凡依本实用新型申请专利范围所作的等效变化或修饰，皆为本实用新型所涵盖。