一种数字控制的模块化微机电源过欠压保护电路的制作方法

本发明属于电路技术领域，涉及微机电源保护，特别是过欠压保护，为一种数字控制的模块化微机电源过欠压保护电路。

背景技术：

微机保护系统是电力系统的重要组成部分，微机保护装置的误动或拒动都会给电网带来极大的影响，其重要性不言而喻。而微机保护装置的工作电源则是整个微机保护装置正确可靠动作的驱动力。目前在实际运行检修时，为了保证微机保护装置的可靠正确动作，在常规检修过程中，采取完善的检修流程定期对保护装置进行校验，而采取状态检修策略时，多采取中央处理器(CPU,Central Processing Unit)的计算和逻辑判断能力对保护装置的各个部件状态进行检测，判断故障并发出告警信息。然而不论是常规检修还是状态检修，均缺少对保护装置工作电源的实时监测和告警，一旦当电压过高、过低甚至直接掉电时，CPU无法工作，装置的自检功能也无法运行。此外由于保护装置运行环境的恶劣，电源插件的硬件老化，装置工作电源易出现电压不稳或直接掉电的现象。随之而来的会造成装置的工作不稳定、工作效率低下、工作寿命大大缩短等问题，成本也不可避免的增加。

目前，很多电源模块都具有过欠压保护功能，然而，这些电源模块的过欠压保护却有很多局限性，例如：一、过欠压保护封装在电源模块内部，厂商在生产过程中制作好，用户无法根据需求调整精度和保护电压等级；二、普遍保护功能精度过低，而具有高精度的保护电路成本较高；三、每个电源都需要一个单独的过压或欠压保护电路，成本很高。现有的过欠压保护方案不适用于微机保护装置的电源检测的使用需求，无法与微机保护装置的检修对接使用，另外，现有技术中的保护电路仅能对电源模块内部进行调节，用户无法获得电源工作状态信息，电源管理人员对系统状态缺乏足够详细的警告信息。因此，如何安全可靠、及时准确得检测出多个电压等级下保护装置电源模块的非正常工作状态，并且向检测人员发出警告直到电源模块恢复正常工作，是微机电源保护领域一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是：针对现有技术中微机保护系统的不足，设计出及时准确、体积更小、通用范围更广、信号传输更加智能化的微机电源过欠压保护模块，从而实现微机电源安全可靠的运行。

本发明的技术方案为：一种数字控制的模块化微机电源过欠压保护电路，包括检测部分和传输部分，检测部分包括至少一个检测模块，检测模块包括欠压比较电路、过压比较电路和报警电路，欠压比较电路和过压比较电路各为一迟滞比较器，测试电压分别输入两个比较电路与参考电压比较，比较电路的输出连接报警电路，传输电路包括微控制器和局域网总线模块，比较电路的输出连接微控制器，微控制器通过局域网总线模块连接上位机。

作为一种优选实施方式，欠压比较电路中，测试电压V_a经过电阻R₁与第一数字电位器R₇分压，分压输出端口INA的电压与参考电压V_ref输入施密特触发器A，比较后经过非门、金属氧化物半导体在欠压比较输出端口OUTA输出欠压检测信号，过压比较电路中，测试电压V_a经过电阻R₂与第二数字电位器R₈分压，分压输出端口INB的电压与参考电压V_ref输入施密特触发器B，比较后经过非门、金属氧化物半导体在欠压比较输出端口OUTB输出过压检测信号。

进一步的，报警电路对应设有欠压报警电路和过压报警电路，欠压报警电路包括上拉电阻R₃、保护电阻R₄和二极管D₁，检测部分由源电压V_b供电，V_b和地之间接滤波电容C₁抗干扰高频滤波，保护电阻R₄和二极管D₁串联，再与上拉电阻R₃并联在源电压V_b和端口OUTA之间，欠压时，欠压比较输出端口OUTA输出低电平，二极管D₁导通发光，生成警报；当电压上升，端口OUTA的信号被上拉电阻R₃钳位在高电平，警报消除；过压报警电路与欠压报警电路结构相同。

进一步的，通过微控制器调节数字电位器的阻值来设置检测电压等级，每一检测模块对应检测设定的电压等级的电源电压。

进一步的，通过调节数字电位器，改变出发警报的阀值电压，设定保护精度的等级。

作为优选实施方式，所述保护电路集成于一个芯片上。

本发明保护电路独立设置，电路结构简单，能够集成于一个芯片上，元器件成本低，可同时应对多个测试电压，同时进行过欠压保护，适用于微机保护装置的电源检测，无需对现有的微机保护装置做电路改动，通过微控制器和数字电位器的配合，解决了用户自由配置调节电位和调节精度问题，通过设置的数据总线传输，解决了告警信号向上位机的传输问题，并且电路精度高，价格低廉，适用于各类电源系统。

本发明有效解决了现有技术中微机系统因为工作装置电源模块发生故障存在的问题。微控制器根据测试电压V_a设定数字电位器数值，在欠压保护检测过程中，测试电压V_a与参考电压V_ref比较后在OUTA端口输出信号，当电压下降到负向阀值电压V_IT-(A)以下时，OUTA输出低电平，R₄作保护电阻，二极管D₁导通发光，生成警报；当电压上升到正向阀值电压V_IT+(A)以上时，OUTA端口信号被上拉电阻R₃钳位在高电平，警报消除。同理，在过压保护检测过程中，当电压上升到正向阀值电压V_IT+(B)以上时，二极管D₂导通发出警报；当电压下降到负向阀值电压V_IT-(B)以下时，警报消除。检测信号及警告信号会及时输送给微控制器，并通过局域网总线传入上位机，检测人员根据接收的信号调整微机系统电源电压，完成对微机电源模块的过欠压保护。

针对现有技术中电源欠压保护保护方案的缺陷，本发明提出用微控制器改变数字电位器阻值，调整分压电阻以满足当前电压等级的检测要求，使该过欠压检测和保护电路适用于任意电压等级的电源模块保护；本发明支持多路检测同时工作，各检测电路之间隔离互不影响；同时利用微控制器接收检测模块发出的信号，通过局域网总线及时、准确得传输给上位机，整个系统更具智能化。

与现有技术相比，本发明可以同时对微机电源模块进行过压和欠压保护，利用数字控制技术调节电位器阻值满足多电压等级需求，支持多路检测同时工作，体积小，精度高，安全可靠，方便通用，传输更加智能化。本发明的有益效果如下：

1、本发明中的电路采用器件少，所有电路均可以在一块芯片上集成，体积小；

2、本发明中的微机电源模块保护检测部分可以同时检测出过压和欠压两种非正常工作状态并发出警告信号，当电源电压恢复设定工作范围内时，警报自动消除，能够有效应对装置工作电源的电压不稳现象，对工作电源的状态显示更详细；

3、本发明中的微机电源模块可以同时检测各种电压等级的工作电压，通过编程调整数字电位器阻值，无需对电路手动调整，通用化高，成本低；电路采用数字控制，既能传输信号到上位机，同时能接受上位机的配置数据，将电路的目标检测电压调整为需要的值，无需对电路进行任何物理上的调整，使用更方便，更具通用性；

4、本发明中检测的各路信号均不公地，相互独立，检测的各路电压信号，均经过隔离，消除了高压信号可能造成的人身伤害危险；电路采用模块化设计，同时检测多路信号，各模块不共地，互不影响，可根据需要扩展任意多模块；而同时各检测模块共用控制单元，不额外增加成本；

5、本发明中采用微控制器和局域网总线(CAN，Controller Area Network)传输检测信号到上位机、从上位机接受配置数据，直接用于微机保护装置的检修策略，智能化程度高。

附图说明

图1是本发明电压检测模块内部比较电路原理图。

图2是本发明电压检测模块电路图。

图3是本发明微控制器和局域网总线信号传输模块拓扑。

图4是本发明微机电源模块化过欠压保护整体电路图。

图5是本发明微机电源模块化过欠压保护电路中检测部分与微控制器的连接电路图。

具体实施方式

如图4所示，本发明模块化过欠压保护电路包括检测部分和传输部分，检测部分包括至少一个检测模块，检测模块包括欠压比较电路、过压比较电路和报警电路，欠压比较电路和过压比较电路各为一迟滞比较器，测试电压同时输入两个比较电路与参考电压比较，比较电路的输出连接报警电路，传输电路包括微控制器和局域网总线模块，比较电路的输出连接微控制器，微控制器通过局域网总线模块连接上位机。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，以下将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1，为电压检测模块比较电路的原理图所示，包括欠压比较电路和过压比较电路，其结构主要由采用施密特触发器的迟滞比较器、逻辑非门、金属氧化物半导体(MOS管，Mental Oxide Semiconductor)构成。欠压信号输入端INA输入的为进行欠压检测的信号，过压信号端输入端INB输入的为进行过压检测的信号，两者与参考电压V_ref输入迟滞比较器，迟滞比较器输出与非门连接，非门与MOS管连接，MOS管的输出模式为开漏输出。

(1)欠压保护

欠压比较电路中，施密特触发器A的正向阀值电压V_IT+(A)为恢复电压，负向阀值电压V_IT-(A)为参考电压，对于欠压保护而言，当比较电压初始值小于参考电压V_ref时，迟滞比较器输出低电平，经过非门在MOS管的栅极输入高电平，MOS管漏极即欠压保护控制信号OUTA端口接地。将比较电压升高到恢复电压(即高于参考电压V_ref)，迟滞比较器输出欠压保护控制信号为高电平，经过非门在MOS管的栅极输入低电平，MOS管不导通，OUTA端口处于高阻态。若比较电压初始值大于参考电压时，迟滞比较器直接输出高电平，OUTA端口处于高阻态。

由图2电压检测模块电路图所示，在欠压保护状态下，测试电压V_a经过电阻欠压检测分压电阻R₁和第一数字电位器R₇分压在INA端口输入比较电压，当比较电压初始值小于参考电压V_ref时，OUTA接地，欠压告警二极管D₁正向导通发光，发出警报；保护电阻R₄限流，防止二极管电流过大损坏，源电压V_b和地之间接滤波电容C₁抗干扰高频滤波。当比较电压升高到恢复电压时，OUTA端口经过上拉电阻R₃与源电压V_b相连，OUTA为高电平，二极管熄灭，警报消除。若比较电压初始值大于参考电压V_ref时，OUTA为高电平，二极管不发光，无警报发出。

根据工业界设计经验，在欠压保护状态下，取源电压V_b为5V，滤波电容C₁为0.1μF，上拉电阻R₃和保护电阻R₄为1kΩ。施密特触发器A的正向阀值电压V_IT+(A)为0.405V，负向阀值电压V_IT-(A)为0.4V，选取参考电压V_ref为施密特触发器A的负向阀值电压0.4V。数字电位器R₇与电阻R₁的取值关系为

$R_7=\frac{V_a}{\frac{V_a-V_{IT+\left(A\right)}}{R_1}}-R_1---\left(1\right)$

测试电压为5V时，R₁和数字电位器R₇分压后在INA输入0.405V，取R₁为20kΩ，数字电位器取值为1763Ω。恢复电压对应的测试电压经过R₁和数字电位器R₇分压后在INA输入0.4V，则恢复电压对应的测试电压为

${V_a}^{\′}=(R_1+R_7)\×\frac{V_{ref}}{R_7}\≈4.938V---\left(2\right)$

当测试电压初始值小于4.938V时，OUTA输出低电平，二极管D₁导通发出警报，当测试电压增大到5V时，INA输入0.405V达到施密特触发器正向阀值电压，OUTA输出高电平，警报消除。当测试电压初始值大于4.938V时比较电压大于参考电压0.4V，OUTA直接输出高电平，不发生警报。测试电压的精度等级可以通过改变第一数字电位器R₇的阻值实现，当第一数字电位器R₇的阻值升高，恢复电压对应的测试电压V_a'降低，精度下降，反之当R₇的阻值降低，精度提高。

(2)过压保护

同理，对于过压比较电路中，在过压保护状态下，施密特触发器B的正向阀值电压V_IT+(B)为参考电压，负向阀值电压V_IT-(B)为恢复电压，测试电压V_a经过过压保护分压电阻R₂和第二数字电位器R₈分压在过压信号输入端INB端口输入比较电压，当比较电压初始值大于参考电压V_ref时，过压保护控制信号OUTB端口接地，二极管D₂正向导通发光，发出警报。当比较电压降低到恢复电压时，过压保护控制信号OUTB处于高阻状态，警报消除。若比较电压初始值小于参考电压V_ref时，二极管不发出警报。

第二数字电位器R₈与电阻R₂的取值关系为

$R_8=\frac{V_a}{\frac{V_a-V_{IT-\left(B\right)}}{R_2}}-R_2---\left(3\right)$

本案例中，测试电压为5V时，R₂和数字电位器R₈分压后在INB输入0.395V，取R₂为20kΩ，数字电位器R₈取值为1763Ω。

恢复电压对应的测试电压经过R₂和数字电位器R₈分压后在INB输入0.4V，则恢复电压对应的测试电压为

${V_a}^{\′}=(R_2+R_8)\×\frac{V_{ref}}{R_8}\≈5.062V---\left(4\right)$

当测试电压初始值大于5.062V的时候，比较电压大于参考电压0.4V，二极管D₂导通发出警报，当测试电压降低到5V时，警报消除。当测试电压初始值小于5.062V时不发生警报。调节测试电压的精度，当R₈的阻值升高，精度提高；反之，当R₈的阻值降低，精度降低。

上述参数选择仅表明一种情形，按照本方法可设计针对本过欠压保护电路的任意直流电压等级过欠压保护电路参数，根据测试电压理想值调节微控制器改变数字电位器的阻值即可。过欠压保护共同将测试电压V_a限定在精度范围内，通过微调数字电位器实现。电压检测模块内部原理图所示部分可使用如TPS3701等芯片替代完成施密特触发器，非门及MOS管功能。

由图3微控制器和局域网总线信号传输模块拓扑所示，微控制器接受检测模块发出的信号并通过局域网总线传输到上位机，提高了整个微机电源模块化过欠压保护系统的智能化，其中微机电源模块可以采用如STM32等芯片，局域网总线可以采用控制器局域网通信；可编程的微控制器输入信号，配置数字电位器，使其工作在需要的状态，与需要检测的电源电压等级相匹配。

综上所述，本发明所提出微机电源模块的过欠压保护方式所有工作电路均基于硅器件，可以集成于单个芯片，体积小，集成度高；可以通过微控制器对数字电位器进行参数选择，匹配任意微机电源工作电压保护等级和精度，在过压和欠压状态均发出警报，恢复到正常范围内警报消除，精度高，便于通用化；通过微控制器和局域网总线传输信号，智能化高。

以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想，对本技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，通过以上描述与举例能自然联想到的其它等同应用方案，以及对本发明进行的若干改进和修饰，均落入本发明的权利要求书的保护范围。