一种脉冲匹配负载故障检测电路及方法与流程

本发明涉及脉冲匹配负载技术领域，具体涉及一种脉冲匹配负载故障检测电路及方法。

背景技术：

电子对抗等设备的用电功率呈宽频段、脉冲变化特性，为消除脉冲用电功率对供电发电机闭环控制系统稳定性的影响，最简单有效地措施是采取脉冲匹配负载，通过脉冲匹配负载与脉冲用电设备互补工作，来消除脉冲用电设备的用电功率变化。

在脉冲匹配负载电路中，一般设置有大功率电阻器和开关管元件，开关管元件的工作状态会影响整个脉冲匹配负载电路的工作状况，当开关管元件出现问题损坏时，脉冲匹配负载电路中的大功率电阻器存在被过大电流通过导致损坏的风险。及时检测出开关管的故障将有利于及时排除隐患，避免大功率电阻器被损坏。

而目前对于脉冲匹配负载的规模化应用，还没有专门根据电路特点、故障模式简单有效地进行故障检测的方法，因此需要对此进行优化改进，提出合理的技术方案，解决当前存在的技术问题。

技术实现要素：

为了克服上述内容中提到的现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种脉冲匹配负载故障检测电路及方法，旨在通过改进的故障检测电路对脉冲匹配负载电路进行故障检测，能够自动快速地发现脉冲匹配负载电路中出现故障，及时进行报警，保护脉冲匹配负载电路中的大功率电阻器。

为了实现上述目的，本发明具体采用的技术方案是：

一种脉冲匹配负载故障检测电路，与脉冲匹配负载电路相连，脉冲匹配负载电路由脉动用电母线供电，包括沿电势降低方向串联的大功率电阻模块和开关模块，开关模块连接有独立为其提供脉冲控制的脉冲模块和驱动模块。

所述的检测电路包括电源模块，电源模块依次连接电信号输送模块和检测模块，当电信号输送模块被激发时电源模块对检测模块充电，检测模块包括并联的分压放电单元和电容单元，电容单元的两端接入检测单元。

所述的开关模块两端并联有激发模块，激发模块设置一支路与电信号输送模块相连并用于激发驱动电信号输送模块。

上述公开的故障检测电路，通过与脉冲匹配负载电流组合，通过实时监测脉冲匹配负载电路的电流电压，能够反应出脉冲匹配负载电路中开关模块的通断情况，进一步分析得出开关模块为短路直通状态或正常工作状态，当开关模块为短路直通时则表示出现故障，大功率电阻模块在大电流通过的情况下易发热损坏，故障检测电路在检测出开关模块的短路直通故障后及时发出报警信号能够避免大功率电阻模块的损坏。

本发明中，通过检测电路进行故障检测的原理如下：

脉动用电母线为脉冲匹配负载电路供电，脉冲模块和驱动模块对开关模块进行脉冲控制，使开关模块循环导通和断开。在开关模块的导通和断开过程中，有电流经过激发模块时检测电路被激发，电源模块为电容单元充电，电容单元的电压等于分压放电单元的电压并在检测单元处体现为高电平；无电流经过激发模块时，电容单元与分压放电单元组成放电回路且电容单元的电压降低，在检测单元处体现为低电平。

其中，当开关模块导通时，脉冲匹配负载电路正常工作，脉动用电母线的电压施加在大功率电阻模块两端，开关模块两端的电压为零，则激发模块的电压值为零，电信号传输模块无法被激发驱动，检测模块进行放电，电容单元的电压值逐渐降低至零，检测单元处的检测结果显示为低电平。

当开关模块关断时，脉冲匹配电路不工作，开关模块两端分配一定的电压并同步提供给激发模块，激发模块通电后能够驱动电信号输送模块导通，电源模块、检测模块组成充电电路，电源模块对检测模块的电容单元进行充电，电容单元的最高电压可增加至分压放电单元两端的电压，检测单元处的检测结果显示为高电平。

由于脉冲模块和驱动模块的控制，开关模块在正常工作的过程中是间断性导通的，其两端电压值体现出脉动变化，故脉冲匹配负载电路存在工作时间段和非工作时间段的间隔循环，工作时间段内电容单元进行放电，非工作时间段内电容单元得到充电。

当开关模块未出现故障时，电容单元进行充电和放电循环，检测单元处的检测结果为电压值的动荡变换，但经过充电常数、放电常数以及脉冲匹配负载电路的工作占空比设定，使电容单元的充电时间小于脉冲匹配负载电路的非工作时间，电容单元的放电时间大于脉冲负载电路的最大工作时间，最终电容单元的充电量大于放电量，电容单元最终得到充分充电，检测单元检测的整体显示结果体现为高电平。

当开关模块出现断路故障时，电容单元持续充电，检测单元处的检测结果为电压值的持续攀升并最终攀升至分压放电单元在充电电路中的分压值，检测单元检测的最终显示结果体现为高电平。

当开关模块出现短路故障时，脉冲匹配负载电路持续工作，大功率电阻模块持续通电发热最终将会损坏，在此过程中，激发模块中无电流通过，电容单元进行放电且最终电压值降为零，通过放电常数以及脉冲匹配负载电路的工作占空比设定，使得电容单元的放电时间小于大功率电阻模块的可持续工作时间，在大功率电阻模块发热损坏之前电容单元已经放电完毕，检测单元处检测的结果显示为低电平，此时即可判断脉冲匹配负载电路出现开关模块短路故障，及时报警并采取措施可有效避免大功率电阻模块损坏。

进一步的，本发明中所采取的电源模块，主要作用是在开关模块断开的情况下为检测模块的电容单元充电，电源模块可采用多种可行的方案，此处进行优化，举出如下一种方案：所述的电源模块包括电源单元与第一限流单元，第一限流单元连接在电源单元和电信号输送模块之间。

再进一步，第一限流单元的作用是在充电电路中承担分压的作用，对电容单元处的充电电压进行调节限制，以实现电容单元在充电过程中的电压极值，第一限流单元可采用多种可行的方案，此处进行优化，举出如下可行的方案：所述的第一限流单元至少包括电阻。

进一步的，本发明中公开的电信号传输模块的作用是导通或关断充电电路，为了实现自动导通和关断，此处对电信号传输模块进行优化，举出如下具体可行的方案：所述的电信号输送模块包括三极管或光耦合器。

再进一步，采用不同的元件作为电信号传输模块时，对应的激发模块有所不同，此处进行优化并举出其中一种可行的方案：当电信号输送模块为三极管时，所述的激发模块至少包括两个串联的第二限流单元，所述的支路一端接入相邻的两个第二限流单元之间，另一端连接三极管。设置多个第二限流单元的意义在于，通过限流单元对激发模块内的电压进行分压，采用部分电压分配至电信号传输模块进行激发驱动，便于保护电信号传输模块。

再进一步，此处对电信号传输模块继续优化，举出另外一种可行的方案：当电信号输送模块为光耦合器时，所述的激发模块至少包括一个第二限流单元；且当激发模块通电时，第二限流单元的电动势高于光耦合器的电动势。

再进一步，本发明中采用的第二限流单元可以是多种可用的元件，此处进行优化并举出如下方案：所述的第二限流单元至少包括电阻。当电阻的数量为多个时，可根据分压需求调整电阻的阻值。

进一步的，本发明中公开的脉冲匹配负载电路，数量可以为多个，每个脉冲匹配负载电路单独设置即可，相互之间不关联，此处进行优化并举出如下具体可行的方案：所述的脉冲匹配负载电路数量若干，所述的电信号输送模块的数量与脉冲匹配负载电路的数量一一对应，且电信号输送模块依次串联在电源模块和检测模块之间。采用如此的方案时，即可通过1个检测模块同时检测多路脉冲匹配负载电路的故障，任意一路脉冲匹配负载电路故障后均可通过检测单元检测到并上报故障信号。

进一步的，本发明中所公开的电容单元可采用多种方案，此处进行优化并举出如下一种可行的方案：所述的电容单元包括若干个并联的电容。

上述内容阐述了脉冲匹配负载故障检测电路，本发明还公开了运用上述故障检测电路的故障检测方法，现进行说明如下，包括：

配置第一限流单元与电容单元并使电容单元的充电时间常数小于脉冲匹配负载电路的最小非工作时间；

配置充电放电单元与电容单元并使电容单元的放电时间常数大于脉冲匹配负载电路的最大工作时间且小于大功率电阻模块的可持续工作时间；

通过脉动用电母线为大功率电阻模块和开关模块供电，故障检测电路接入脉冲匹配负载电路实时监测；当检测单元发出高电平信号时表示脉冲匹配负载电路的未出现开关模块的短路直通故障，当检测单元发出低电平信号时表示脉冲匹配负载电路的开关模块发生短路直通故障。

脉冲匹配负载电路的主要故障源即为开关模块，采用本方法进行故障检测时，利用开关模块的不同状态对故障检测电路的影响，导致故障检测电路出现持续充电、持续放电或充电放电震荡循环的现象，可判断出开关模块的当前状况以及是否出现故障，从而可及时采取补救措施保护大功率电阻模块。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明通过故障检测电路的充电、放电检测结果，能够逆向推断出脉冲匹配负载电路中开关模块的当前状态，可及时发现开关模块短路直通的情况，避免出现开关模块短路直通后，脉冲匹配负载电路电流过大损坏大功率电阻模块的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅表示出了本发明的部分实施例，因此不应看作是对范围的限定，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它相关的附图。

图1为本发明实施例1中故障检测电路与脉冲匹配负载电路的示意图。

图2为本发明实施例2中故障检测电路与脉冲匹配负载电路的示意图。

图3为本发明实施例3中故障检测电路与脉冲匹配负载电路的示意图。

图4为本发明实施例4中故障检测电路与脉冲匹配负载电路的示意图。

图5为故障检测电路仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。

在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。

实施例1

针对脉冲匹配负载电路中开关模块容易短路直通，进而造成大功率电阻模块损坏的情况，本实施例提出一种与脉冲匹配负载电路配合的检测电路，能够实时监测脉冲匹配负载电路的工作情况，实现故障的监测和报警。

具体的，如图1所示，本实施例中公开的技术方案如下：

一种脉冲匹配负载故障检测电路，与脉冲匹配负载电路相连，脉冲匹配负载电路由脉动用电母线vss供电(供电电压为28v)，包括沿电势降低方向串联的大功率电阻模块和开关模块，开关模块连接有独立为其提供脉冲控制的脉冲模块和驱动模块。

所述的检测电路包括电源模块，电源模块依次连接电信号输送模块和检测模块，当电信号输送模块被激发时电源模块对检测模块充电，检测模块包括并联的分压放电单元和电容单元，电容单元的两端接入检测单元。

所述的开关模块两端并联有激发模块，激发模块设置一支路与电信号输送模块相连并用于激发驱动电信号输送模块。

优选的，在本实施例中，所述的大功率电阻模块采用大功率电阻器，且至少并联两个10ω电阻；大功率电阻器的可持续工作时间td＝2s，其中，td为脉冲匹配负载电路热设计边界参数。

开关模块采用irfp150n的开关管，脉冲模块的脉冲周期t＝1ms～1s，导通占空比d＝0.1～0.2。

本实施例中，分压放电单元采用20kω电阻，电容单元采用10μf电容。

上述公开的故障检测电路，通过与脉冲匹配负载电流组合，通过实时监测脉冲匹配负载电路的电流电压，能够反应出脉冲匹配负载电路中开关模块的通断情况，进一步分析得出开关模块为短路直通状态或正常工作状态，当开关模块为短路直通时则表示出现故障，大功率电阻模块在大电流通过的情况下易发热损坏，故障检测电路在检测出开关模块的短路直通故障后及时发出报警信号能够避免大功率电阻模块的损坏。

本实施例中，通过检测电路进行故障检测的原理如下：

如图5所示，脉动用电母线为脉冲匹配负载电路供电，脉冲模块和驱动模块对开关模块进行脉冲控制，使开关模块循环导通和断开。在开关模块的导通和断开过程中，有电流经过激发模块时检测电路被激发，电源模块为电容单元充电，电容单元的电压等于分压放电单元的电压并在检测单元处体现为高电平；无电流经过激发模块时，电容单元与分压放电单元组成放电回路且电容单元的电压降低，在检测单元处体现为低电平。

其中，当开关模块导通时，脉冲匹配负载电路正常工作，脉动用电母线的电压施加在大功率电阻模块两端，开关模块两端的电压为零，则激发模块的电压值为零，电信号传输模块无法被激发驱动，检测模块进行放电，电容单元的电压值逐渐降低至零，检测单元处的检测结果显示为低电平。

当开关模块关断时，脉冲匹配电路不工作，开关模块两端分配一定的电压并同步提供给激发模块，激发模块通电后能够驱动电信号输送模块导通，电源模块、检测模块组成充电电路，电源模块对检测模块的电容单元进行充电，电容单元的最高电压可增加至分压放电单元两端的电压，检测单元处的检测结果显示为高电平。

由于脉冲模块和驱动模块的控制，开关模块在正常工作的过程中是间断性导通的，其两端电压值体现出脉动变化，故脉冲匹配负载电路存在工作时间段和非工作时间段的间隔循环，工作时间段内电容单元进行放电，非工作时间段内电容单元得到充电。

当开关模块未出现故障时，电容单元进行充电和放电循环，检测单元处的检测结果为电压值的动荡变换，但经过充电常数(τ1＝r1c，此处r1为第一限流单元的电阻值，c为电容单元的电容量)、放电常数(τ2＝r2c，此处r2为分压放电单元的电阻值，c为电容单元的电容量)以及脉冲匹配负载电路的工作占空比设定，使电容单元的充电常数小于脉冲匹配负载电路的非工作时间(toff＝t1×(1-d)，其中t1为脉冲匹配电路的最小工作周期，d为脉冲匹配电路的最大工作占空比)，电容单元的放电常数大于脉冲负载电路的最大工作时间(ton＝t2×d，t2为脉冲匹配电路的最大工作周期)，由于d小于0.5造成电容单元c的充电时间大于放电时间，且τ2大于ton，最终电容单元的充电量大于放电量，电容单元最终得到充分充电，检测单元检测的整体显示结果体现为高电平。

当开关模块出现断路故障时，电容单元持续充电，检测单元处的检测结果为电压值的持续攀升并最终攀升至分压放电单元在充电电路中的分压值，检测单元检测的最终显示结果体现为高电平。

当开关模块出现短路故障时，脉冲匹配负载电路持续工作，大功率电阻模块持续通电发热最终将会损坏，在此过程中，激发模块中无电流通过，电容单元进行放电且最终电压值降为零，通过放电常数以及脉冲匹配负载电路的工作占空比设定，使得电容单元的放电时间小于大功率电阻模块的可持续工作时间，在大功率电阻模块发热损坏之前电容单元已经放电完毕，检测单元处检测的结果显示为低电平，此时即可判断脉冲匹配负载电路出现开关模块短路故障，及时报警并采取措施可有效避免大功率电阻模块损坏。

本实施例中所采取的电源模块，主要作用是在开关模块断开的情况下为检测模块的电容单元充电，电源模块可采用多种可行的方案，此处进行优化，举出如下一种方案：所述的电源模块包括电源单元vcc与第一限流单元，第一限流单元连接在电源单元和电信号输送模块之间。

本实施例中，电源单元vcc的供电电压为3.3v。

优选的，第一限流单元的作用是在充电电路中承担分压的作用，对电容单元处的充电电压进行调节限制，以实现电容单元在充电过程中的电压极值，第一限流单元可采用多种可行的方案，此处进行优化，举出如下可行的方案：所述的第一限流单元为电阻。在本实施例中，第一限流单元采用10ω的电阻。

本实施例中公开的电信号传输模块的作用是导通或关断充电电路，为了实现自动导通和关断，此处对电信号传输模块进行优化，举出如下具体可行的方案：所述的电信号输送模块为三极管，且采用的型号为3dg491sp。

优选的，当电信号输送模块为三极管时，所述的激发模块包括两个串联的第二限流单元，所述的支路一端接入相邻的两个第二限流单元之间，另一端连接三极管。设置多个第二限流单元的意义在于，通过限流单元对激发模块内的电压进行分压，采用部分电压分配至电信号传输模块进行激发驱动，便于保护电信号传输模块。在本实施例中，两个第二限流单元均为电阻，其中位于电动势高位的电阻阻值为25kω，位于电动势地位的电阻阻止为10kω，在一些实施例当中，还可根据需要设置更多的第二限流单元。

利用上述公开的故障检测电路，能够有效地实时检测出脉冲匹配负载电路中开关管的短路直通故障。

具体的，检测模块jc的正常电压为3.3v，该检测信号送入单片机的io口，电压大于2v均可识别为高电平、低于1v均可识别为低电平。检测模块电容的充电时间常数为τ1＝10*20*10^-6＝0.2ms，检测模块电容的放电时间常数为τ2＝20*10³*20*10^-6＝400ms。脉冲匹配负载的最大工作时间为ton＝1s*0.2＝200ms，脉冲匹配负载的最小非工作时间为toff＝1ms*(1-0.2)＝0.8ms。根据rc充放电电路的工作原理，当电容充电时在τ1时间内电容电压可由0v升到0.63倍的电源电压，即0.63*3.3v＝2.08v；当电容放电时在τ2时间内电容电压可由3.3v降到1-0.63＝0.37倍的电源电压，即0.37*3.3v＝1.22v。

图5为实施例的一组仿真波形。正常情况下故障检测信号jc持续为2v以上高电平，设定在10s时发生了开关管直通故障，故障检测信号开始下降，在0.4s内跌落到1v以下，故障检测信号从高电平翻转为低电平，成功检测出故障状态。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上进行优化改进，公开了一种脉冲匹配负载故障检测电路，与实施例1中的不同之处在于：

如图2所示，本实施例对电信号传输模块进行优化，举出另外一种可行的方案：电信号输送模块为光耦合器。

优选的，当电信号输送模块为光耦合器时，所述的激发模块至少包括一个第二限流单元；且当激发模块通电时，第二限流单元的电动势高于光耦合器的电动势。

本实施例中其他未述及的内容与实施例1中相同，此处就不再赘述。

实施例3

本实施例在实施例2的基础上进行优化改进，公开了一种脉冲匹配负载故障检测电路，与实施例2中的不同之处在于：

如图3所示，本实施例中公开的脉冲匹配负载电路，数量可以为多个，每个脉冲匹配负载电路单独设置即可，相互之间不关联，此处进行优化并举出如下具体可行的方案：所述的脉冲匹配负载电路数量若干，所述的电信号输送模块的数量与脉冲匹配负载电路的数量一一对应，且电信号输送模块依次串联在电源模块和检测模块之间。采用如此的方案时，即可通过1个检测模块同时检测多路脉冲匹配负载电路的故障，任意一路脉冲匹配负载电路故障后均可通过检测单元检测到并上报故障信号。

本实施例中其他未述及的内容与实施例2中相同，此处就不再赘述。

实施例4

本实施例在实施例1的基础上进行优化改进，公开了一种脉冲匹配负载故障检测电路，与实施例1中的不同之处在于：

如图4所示，本实施例中所公开的电容单元可采用多种方案，此处进行优化并举出如下一种可行的方案：所述的电容单元包括若干个并联的电容。

本实施例中其他未述及的内容与实施例1中相同，此处就不再赘述。

实施例5

上述实施例的内容阐述了脉冲匹配负载故障检测电路，本实施例还公开了运用上述实施例公开的故障检测电路的故障检测方法，现进行说明如下，包括：

配置第一限流单元与电容单元并使电容单元的充电时间常数小于脉冲匹配负载电路的最小非工作时间；

配置充电放电单元与电容单元并使电容单元的放电时间常数大于脉冲匹配负载电路的最大工作时间且小于大功率电阻模块的可持续工作时间；

通过脉动用电母线为大功率电阻模块和开关模块供电，故障检测电路接入脉冲匹配负载电路实时监测；当检测单元发出高电平信号时表示脉冲匹配负载电路的未出现开关模块的短路直通故障，当检测单元发出低电平信号时表示脉冲匹配负载电路的开关模块发生短路直通故障。

脉冲匹配负载电路的主要故障源即为开关模块，采用本方法进行故障检测时，利用开关模块的不同状态对故障检测电路的影响，导致故障检测电路出现持续充电、持续放电或充电放电震荡循环的现象，可判断出开关模块的当前状况以及是否出现故障，从而可及时采取补救措施保护大功率电阻模块。

以上即为本发明列举的实施方式，但本发明不局限于上述可选的实施方式，本领域技术人员可根据上述方式相互任意组合得到其他多种实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的实施方式。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。