一种电子保险丝的控制方法及装置与流程

本发明涉及电子电路领域，具体涉及一种电子保险丝的控制方法及装置

背景技术：

保险丝是电系统中用于防范过大电流的电装置。如果耦合到电力电子供应器的负载从电力供应器汲取过大电流，那么保险丝会使所述负载与电力电子供应器断开连接以防止由此过大电流导致的电系统内的损坏。保险丝通常包含其物理尺寸经选择以将电流限制于阈值的导体。在电流超过此阈值的情况下，导体熔化以防止过大电流损坏电系统。

现有保险丝多利用发热熔断原理，熔断体部分是保险丝的核心，通过熔断体熔断时起到切断电流的作用，保险丝的熔体加工工艺要求较高，而且现有的保险丝响应速度较慢，熔断电流大小难以控制到准确数值。现有的保险丝熔断后即报废，不能二次使用。

保险丝逐渐被断路器取代。断路器是一种自动操作的电气开关，其被设计成保护电路免受由过电流或过载或短路导致的损坏。在很多应用中，可以使用电子开关(例如，mos晶体管、igbt等)来实现断路器以在过电流的情况下将受保护电路与电源断开。这样的电子断路器也可以被称为电子保险丝(电子保险丝e-fuse、智能保险丝、电子熔丝等)。

但是现有电子保险丝存在以下缺陷：

保险丝的控制、工作状态单一，不能实现多功能的状态显示和控制。

在不同环境下由于控制信号的稳定性差，容易出现保险丝工作的误动作。

电子保险丝处于常断状态，需要控制电源供电(上电)后才能正常工作；

对保险丝的状态监测简单且不准确，导致保护不够。

技术实现要素：

为解决上述问题：本发明提出了看一种可灵活控制且可以方便得知内部状态的保险丝控制方法及其装置。

在本发明的第一方面，提供了一种电子保险丝的控制方法，

包括以下步骤：

步骤s1：电子保险丝未供电时，设置为通路状态；

步骤s2：电子保险丝供电，依据电流是否超过预设值以及外部信号的状态设置为通路或断开状态。

根据本发明第一方面的一个优选实施方案，所述步骤s2还包括：

步骤s21：检测电流是否超过预设值；

如果超过预设值，电子保险丝设置为断开状态；

如果没有超过预设值，执行下述步骤s22；

步骤s22：检测外部信号；

外部信号为关断命令，电子保险丝设置为断开状态；

否则，外部信号为打开命令，电子保险丝设置为通路状态；

根据本发明第一方面的一个优选实施方案，所述外部信号可以为电平信号或脉冲控制信号。

电平信号时，为高电平信号或低电平信号；

脉冲信号时，为持续一定时间的高电平脉冲或低电平脉冲。

根据本发明第一方面的一个优选实施方案，所述外部信号串行输入或输出时，电平信号的关断命令和打开命令分别为相反的电平状态。

根据本发明第一方面的一个优选实施方案，所述外部信号串行输入或输出时，脉冲信号的关断命令和打开命令分别为相反的电平状态。

根据本发明第一方面的一个优选实施方案，所述步骤s22中外部信号为控制信号；

根据本发明第一方面的一个优选实施方案，所述步骤s22中控制信号为一组，这一组信号通过一个端口输入；控制信号为串行输入形式。

根据本发明第一方面的一个优选实施方案，所述控制信号为一组为并行输入形式；所述控制信号的关断命令和打开命令分别通过各自的端口输入。

根据本发明第一方面的一个优选实施方案，所述控制信号可以为多组形式分别输入。

根据本发明第一方面的一个优选实施方案，所述控制信号为两组：

一组为进行串行输入的控制信号；

另一组为并行输入的控制信号分别控制通路单元导通或断开状态；并行输入控制信号的导通和断开信号单独输入。

根据本发明第一方面的一个优选实施方案，所述步骤s22中的外部信号还可以包括内部的状态输出信号。

根据本发明第一方面的一个优选实施方案，所述输出信号为的串行输出或并行输出。

根据本发明第一方面的一个优选实施方案，所述并行输出通路单元导通或断开状态的信号，通过单独各自的信号输出。

在本发明的第二方面，提供了一种电子保险丝的控制装置，包括：

第一电源域、第二电源域、第一连接端vin、第二连接端vout、隔离单元、控制与保护单元、通路单元、和电流检测单元；

所述第一电源域是指外部信号的传输和隔离单元的工作电源域；所述第二电源域是隔离单元、控制与保护单元的工作电源域；

所述隔离单元用于隔离第一电源域和第二电源域的之间的信号；并对信号进行解、译码处理；所述信号为外部信号和内部信号；

所述第一连接端vin、通路单元、第二连接端vout、电流检测单元依次串联连接；所述通路单元处于导通或断开状态，用于控制所述第一连接端vin到第二连接端vout的导通状态；

所述电流检测单元用于检测流过所述通路单元电流；

所述控制与保护单元用于对所述通路单元的状态进行控制；

所述外部信号连接隔离单元，用于控制通路单元的状态或显示保险丝的内部状态。

根据本发明第二方面的一个优选实施方案，所述外部信号为电平信号或脉冲信号。

根据本发明第二方面的一个优选实施方案，所述外部信号为控制信号，控制信号用于控制通路单元的导通或断开状态。

根据本发明第二方面的一个优选实施方案，所述控制信号为串行控制信号；所述串行控制信号通过一个端口与隔离单元连接。

根据本发明第二方面的一个优选实施方案，所述控制信号为并行控制信号；所述并行控制信号包括并行控制-开信号、并行控制-关信号；所述并行控制-开信号、并行控制-关信号通过两个端口(各自的端口)与隔离单元连接。

根据本发明第二方面的一个优选实施方案，所述控制信号包括串行控制信号和并行控制信号；所述串行控制信号通过一个端口与隔离单元连接；所述并行控制信号包括并行控制-开信号、并行控制-关信号；所述并行控制-开信号、并行控制-关信号通过两个端口(各自的端口)与隔离单元连接。

根据本发明第二方面的一个优选实施方案，所述外部信号还包括状态输出信号；所述状态输出信号为串行状态输出信号；所述状态输出信号通过一个端口与隔离单元连接。

根据本发明第二方面的一个优选实施方案，所述外部信号还包括状态输出信号；所述状态输出信号为并行状态输出信号；并行状态输出信号包括并行状态输出-通路状态信号和并行状态输出-保护状态信号；所述状态输出信号通过两个端口(各自的端口)与隔离单元连接。

根据本发明第二方面的一个优选实施方案，所述的隔离单元为变压器隔离的形式或光耦隔离的形式。

本发明具有以下优点：

保险丝的控制工作状态有多种形式，实现多功能的状态显示和控制。

对保险丝的状态监测准确，稳定性强；

在不同环境下控制可靠性高，有效避免保险丝工作的误动作。

电子保险丝在未供电时便处于导通状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本发明电子保险丝总体框图。

图2本发明外部信号实施例之一；

图3本发明外部信号实施例之二；

图4本发明外部信号实施例之三；

图5本发明外部信号实施例之四；

图6本发明外部信号实施例之五；

图中标号说明：

1-第一电源域、2-第二电源域、11-隔离单元、12-控制与保护单元、13-通路单元、14-电流检测单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细、完整地说明。

基本知识介绍：

″熔断积分(meltingintegral)：保险丝的熔断积分，是熔断这一保险丝的熔丝元件所需的能量，也称之为熔断值i2t。熔丝元件的结构、材料和横截面积决定了这个值。每一系列保险丝根据额定电流值不同，使用了不同的材料和元件配置，因此确定每只保险丝的i2t非常必要。通常在直流电路中，采用10倍的额定电流作为故障电流，使保险丝在极短的时间内断开，通过高速示波仪和积分程序来测得非常精确的i2t″。

“i2t表示导体上所通过的电流产生的能量。i2t为焦耳积分值，若是作为极限参数，则不能超，若为额定值，可略超一点(必需小于极限值)；i2t对变频器而言，为热积累值，如果变频器设置热保护的话，就会出现跳闸，反之，没有影响，但变频器如果一直处于过热状态，对变频器不好。″

本发明电子保险丝是结合了高耐压、低阻抗的功率开关管以及电流侦测的功能，并且可以实时的监控电子保险丝的状态。它的设计在最小的散热器下进行操作。即本发明中功率开关管阻抗很小，即使是大电流，发热也很小，需要的散热器小。

如图1本发明电子保险丝总体框图所示，电子保险丝包括第一电源域1、第二电源域2、第一连接端vin、第二连接端vout、隔离单元11、控制与保护单元12、通路单元13和电流检测单元14。

这里的电源域是指保险丝中相关模块的整体或部分工作在一定的供电电压下。需要特别说明的是这里的供电电压不仅包括供电电源还包括供电地；供电地不一定是0v电压；它也可以是正电压或负电压；只是相对于供电电源的电压值低而已。例如在通常的电路中有模拟电路的电源和模拟电路的地；数字电路的电源和数字电路的地。

在本发明中第一电源域1的供电电源和供电地分别为第一电压、第一地；第二电源域2的供电电源和供电地分别为第二电压、第二连接端vout；

外部信号的传输和隔离单元11的工作在第一电源域1；隔离单元11、控制与保护单元12工作在第二电源域2；隔离单元11用于隔离第一电源域1和第二电源域2的之间的信号；其实隔离单元11就是为了隔离不同电源域之间的信号，以避免因为不同电源域之间信号的工作电源电压不同而导致信号传送错误，甚至导致不同电源域中的电路功能不正常。

隔离单元11通过对不同电源域的信号进行解、译码(或者称为调制、解调)处理而进行不同电源域之间信号的隔离传输。而这里提到的信号可以分为外部信号和内部信号；即是外部信号为第一电源域1下的信号；内部信为第二电源域2下的信号。

外部信号是电子保险丝和外部进行交互控制的信号。内部信号工作在电子保险丝内部，是相对于外部信号经隔离单元11隔离的在第二电源域2下工作的信号。

第一连接端vin、通路单元13、第二连接端vout和电流检测单元14依次串联连接。不同状态下，通路单元13处于导通或断开状态。这里需要说明的是前述依次串联的第一连接端vin、通路单元13、第二连接端vout和电流检测单元14就类似于传统的保险丝功能。

当通路单元13处于导通状态时，第一连接端vin到第二连接端vout形成通路，处于导通(或称之为通路)状态；

当通路单元13处于断开状态时，第一连接端vin到第二连接端vout形成断路(或称之为开路)，处于断开状态。

通路单元13处于导通状态时，第一连接端vin到第二连接端vout形成通路，电流就会流过这个通路。电流检测单元14用于检测流过通路单元的电流大小。

依据流过电路的大小，电流检测单元14就会给控制与保护单元12发出信号，同时，电流检测单元14实现i2t的功能曲线，以i2t的曲线来触发保护。进一步的电流检测单元14通过拟合实现i2t的功能曲线，也还可以通过其他方式实现i2t的功能曲线。这样的保护方式比传统的保险丝来的更安全更准确，它可以依据不同的产品来设定不同的过流倍数以及过流时间。

电流检测单元14可以用电阻实现，也可以是电流互感器，例如霍尔，tmr，磁通门，罗氏线圈等电流互感器。

在第一电源域1和第二电源域2没有上电(即供电)时，通路单元13处于导通状态；在第一电源域和第二电源域上电后，通路单元13处于导通还是断开状态由控制与保护单元控制决定。

在第一电源域1和第二电源域12正常上电之后，如果流过通路单元13的电流超过预定的值，电流检测单元14发出信号给控制与保护单元12；控制与保护单元12同时结合外部信号的状态控制通路单元13变成断开状态。

反之，如果第一电源域1和第二电源域2没有正常上电，即使流过通路单元13的电流超过预定的值，控制与保护单元12也不会控制通路单元13处于何种状态。

当外部信号给出关断的命令时，通过隔离单元11处理后变成内部信号。内部信号通过控制与保护单元12控制通路单元13处于断开状态；反之，当外部信号给出导通的命令时，通路单元13处于导通状态。

通路单元13包括驱动单元和功率开关管；驱动单元用于驱动功率开关管；功率开关管的导通状态决定了通路单元的导通或关断状态。

驱动单元有3个端口；第一端口131连接控制与保护单元、第二端口132连接功率开关管(这里为了便于说明，图中用功率mos管示意)的栅极、第三端口133连接功率mos管源级和电流检测单元；功率mos管的漏极134连接第一连接端vin。这里需要说明的是这里的功率mos只是功率开关管的一种优选示意形式。

特别的通路单元中的功率开关管可以为：结型场效应管(junctionfet-jfet)和金属氧化物半导体场效应管(metal-oxidesemiconductorfet，简称mos-fet)。

同时，功率开关管也可以为晶阀管、可控硅、继电器、接触器等电控开关器件。功率开关管具体采用哪种形式依据实际需要进行选择。

对于结型场效应管还可以为n沟道结型场效应管和p沟道结型场效应管；

对于金属氧化物半导体场效应管也可以为n沟道结型场效应管和p沟道结型场效应管；同时还可以为增强型绝缘栅场效应管、耗尽型绝缘栅场效应管。

上述功率开关管只要在相应的工作状态下进行实现不同的导通或关断状态即可。

例如：对于n型jfet与n型功率mos管的主要区别是阈值电压不同，jfet的阈值电压是负值，功率nmos管是正值，所以jfet的栅极电压与源级电压短接的时候就导通了。即jfet需要0v电压就可以导通；jfet需要负压(例如：-15v)就可以关断。

而功率nmos管需要一个正电压，所以功率mos管需要0v电压就可以关断；功率nmos管需要正压(例如：10v)，就可以导通。

驱动单元主要就是实现上述使功率开关管进行导通或关断的作用，这里就不做详细介绍了。

下面重点介绍外部信号的不同实施方式：

外部信号还可以有其它实现方式，为了便于介绍描述说明，在外部信号实施例的附图中，只示意与外部信号相关的单元，图中其它未示意部分与图1本发明电子保险丝总体框图中类似。

本发明的实施例之一：

如图2本发明外部信号实施例之一所示，外部信号(这里为控制信号，图中示意控制信号为串行控制信号)输入给隔离单元11，这里串行控制信号用于控制通路单元13的状态(导通或断开)。

这里需要特别说明的是串行控制信号可以为电平信号，例如串行控制信号为第一电平信号时(例如为：高电平或低电平)，通过隔离单元11处理后，转换为内部信号；内部信号通过控制与保护单元12使通路单元13处于导通状态；反之，控制信号为第二电平信号时(与前面第二电平信号相反，例如为：低电平或高电平)，通路单元13处于断开状态。

更需要特别说明的是，在某些领域中，例如电力控制等某些工业领域甚至是航空宇航级别的应用中，对可靠性要求很高，电平控制信号不足可能因为噪声、抖动、干扰等原因不能稳定的控制电子保险丝的状态。

因此这里的(外部)信号会被设置为脉冲信号。具体工作时：串行控制信号为第一脉冲信号时(例如为：持续一定时间的高电平脉冲或低电平脉冲，即：一定脉冲宽度的信号)。通过隔离单11元处理后，转换为内部信号；内部信号通过控制与保护单元12使通路单元13处于导通状态；反之，串行控制信号为第二脉冲信号时(与前面第二电平信号相反，例如为：低电平脉冲或高电平脉冲)，通路单元13处于断开状态。

本发明的实施例之二：

如图3本发明外部信号实施例之二所示，这里外部信号(这里即控制信号，图中示意为并行控制-开、并行控制-关)输入给隔离单元11，用于控制通路单元13的状态(导通或断开)。

不像前述实施例一中串行控制信号类似分时复用的情况通过一个信号端口输入。这里并行控制-开、并行控制-关的作用是将用于控制通路单元13导通或断开状态的信号分开进行输入。这里分开控制的好处是电子保险丝工作的可靠性更高。

当控制通路单元13的状态为导通时，通过并行控制-开信号端口输入相应的信号；

当控制通路单元13的状态为断开时，通过并行控制-关信号端口输入相应的信号。

与前面实施例一的信号类似，这里可以为电平信号，也可以为脉冲信号；同样，脉冲信号的可靠性更高。具体就不做详细介绍了。只是需要强调的是并行控制-开、并行控制-关不同同时输入。

控制与保护单元会对控制信号进行判断。如果并行控制-开、并行控制-关同时输入时，判断为异常工作状态，不会对通路单元13发出相应的控制信号，即通路单元13状态保持不变。

本发明的实施例之三：

如图4本发明外部信号实施例之三所示，实施例三类似于实施例一和二的组合。这里控制信号输入为串行控制信号、并行控制-开、并行控制-关输入脉冲控制信号；这样的好处是能够针对不同的应用环境使用不同的外部信号，从而在不同外部环境的不同工作状态下达到不同的可靠性要求。

为了能够提高电子保险丝的使用灵活性、使用智能程度；对于外部信号，还可能包括电子保险丝内部不同工作情况的状态显示信号。

本发明的实施例之四：

如图5本发明外部信号实施例之四所示，说明图中的控制信号可以为前述实施例一至三任意一种形式，这里只是为了便于说明简化示意。外部信号(图中的串行控制信号和串行状态输出信号)中的状态输出由隔离单元11输出。这里的状态输出是指表明通路单元13处于何种状态(导通或断开)。通路单元的状态由控制与保护单元12检测得知，同时控制与保护单元12将检测结果通过内部信号、隔离单元13依次传输输出给外部信号，即，这里的状态输出信号。

状态输出信号的不同状态代表着通路单元的导通或断开，即代表着电子保险丝的导通或断开状态。

为了更清楚的了解电子保险丝的不同工作情况，以便更可靠的控制它。状态输出信号可以进一步的进行优化或改进。

本发明的实施例之五：

如图6本发明外部信号实施例之五所示，说明图中的控制信号可以为前述实施例一至三任意一种形式，这里只是为了便于说明简化示意。

外部信号(图中的串行控制信号、并行状态输出-通路状态、并行状态输出-保护状态)中的并行状态输出-通路状态和并行状态输出-保护状态由隔离单元输出。

这里的并行状态输出-通路状态与实施例四中状态输出信号的作用相似，这里就不再做介绍了。并行状态输出-保护状态是指表明通路单元13中的电流是否超过预定的值。

当通路单元13中的电流超过预定的值时，电流检测单元14会给控制与保护单元12发出一个状态信号，控制与保护单元12通过内部信号、隔离单元11依次传输输出给外部信号；即，这里的状态并行输出-保护状态信号。

当通路单元13中的电流没有超过预定的值时，电流检测单元14会给控制与保护单元12发出另外一个状态信号，控制与保护单元12通过内部信号、隔离单元11依次传输输出给外部信号；即，这里的状态并行输出-保护状态信号。

从而，在实施例五中可以得知，电子保险丝既能够显示通路单元的导通或断开状态；又能够显示电子保险丝中电流是否超过预定的值的情况。

实际应用中，这些表明电子保险丝不同状态的信号会发送给外部的处理模块(mcu、控制器单元等)进行处理分析。

对于本发明中的隔离单元，可以为多种形式。需要说明的是不论何种形式，隔离单元需要满足前述本发明外部信号不同的实施例中外部信号的传输功能。可以为变压器隔离的形式，也可以为光耦隔离的形式。

对于隔离单元，实际中对于本发明可以是从外部信号到内部信号或者从内部信号到外部信号，也可以包含多个信号的传输。即依据前述外部信号的不同实施例，它们可以有多个不同的信号传输，且可以实现单向传输(外部信号到内部信号或者从内部信号到外部信号)，也可以实现双向传输(外部信号到内部信号同时从内部信号到外部信号)，只不过是输入输出信号的不同和方向不同而已。

依据前述保险丝的结构特点，本发明还提供出了一种电子保险丝的控制方法：具体包括以下步骤：

步骤s1：电子保险丝未供电时，设置为通路状态；

步骤s2：电子保险丝供电，依据外部信号和电流是否超过预设值的情况处于通路或断开状态。

步骤s2还具体包括：

步骤s21：检测电流是否超过预设值；

如果超过预设值，电子保险丝设置为断开状态；

如果没有超过预设值，执行下述步骤s22；

步骤s22：检测外部信号；外部信号为关断命令，电子保险丝设置为断开状态；否则，外部信号为打开命令，电子保险丝设置为通路状态；

特别的，步骤s22中外部信号为控制信号；

步骤s22中外部信号可以有多种实施例

本发明的方法实施例之一：

步骤s22中输入控制信号只有一组：

这一组信号通过一个端口输入；此时控制信号为串行输入形式。

本发明的方法实施例之二：

为了加强控制信号的稳定性，控制信号还可以为一组为并行输入形式。

即：关断命令和打开命令分别通过各自的端口输入。

本发明的方法实施例之三：

正如前面所述，在某些特殊用途(航空、航天等)中为了更可靠，加强控制信号的稳定性。

控制信号还可以为多组形式并行输入。例如两组控制信号同时控制。

一组为进行串行输入的控制信号；

另一组为并行输入形式控制通路单元不同状态(导通或断开)；它的导通和断开信号单独输入。

即当串行输入的控制信号和并行的控制信号为同一命令(例如：串行输入″关断命令″和并行输入″关断命令″时，保险丝才会执行关断的操作)时才会执行相应的操作，否则，会认为是非法命令。

这里即为上述两种形式的组合。

本发明的方法实施例之四：

同时，为了能够更清楚的显示保险丝的状态，步骤s22中的外部信号还可以包括内部的状态输出信号；这里的内部状态主要为保险丝的电流是否超过预设值的情况显示。

状态输出信号也可以为单一的串行输出。

也可以为并行输出，此时通路单元不同状态(导通或断开)的状态通过单独各自的信号输出。前述方法中控制信号可以为电平信号或脉冲控制信号。

电平信号时，为高电平″1″信号或低电平″0″信号；

脉冲控制信号时，为持续一定时间的高电平脉冲(向上的脉冲)或低电平脉冲(向下的脉冲)。

控制信号串行输入时，电平信号的关断命令和打开命令分别为相反的电平状态。即一个状态为高电平″1″，另一个状态为低电平″0″。只要它们的电平状态相反而已，并不是说关断命令就是固定的高电平或低电平。但是在具体的信号控制时，设定好后就不在改变。

脉冲控制的串行输入与电平信号类似，只是高电平或低电平变成了高电平脉冲或低电平脉冲信号。

前述方法中状态输出信号与控制信号类似，可以为电平信号或脉冲控制信号。其具体状态就不在详述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。