快速切换电源电路及其切换方法与流程

本发明涉及一种切换电源电路及其切换方法，具体地，涉及一种快速切换电源电路及其切换方法。

背景技术：

对于一些负载，启动时需要通过高电压电离或击穿，之后用低电压电源供电，使其以额定功率输出。目前一般采用继电器的方式进行换路。但是由于继电器的工作原理为机械式开关，其响应时间较长，对于一些需要迅速切换(如切换时间不能超过0.1ms)的电路，尤其是一些大电流电路，继电器就难以完成快速切换；有一些设计方案直接在低电压电源输出端安装一个二极管，保证其能够正向导通，反向截止的状态，避免高电压电源对其充电，但是这种情况导致在高电压没有负载电离或击穿的情况下，低电压始终处于导通状态，进而有可能损坏设备等。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种快速切换电源电路及其切换方法。

根据本发明的一个方面，提供1、一种快速切换电源电路，其特征在于，包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、滑动变阻器、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、电容、第一开关、第二开关、第三开关、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第一光电隔离器、第二光电隔离器、第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管、电感、第一二极管、第二二极管、第一电源和第二电源，第三开关、第一电阻、第七电阻依次串联，第七电阻与电容、第六电阻并联，电容与第六电阻串联，滑动变阻器与第六电阻并联，电容、滑动变阻器的一端、第六电阻的一端都与第二运算放大器的正极输入端连接，第一电阻、第七电阻、滑动变阻器的另一端、第六电阻的另一端都与第二运算放大器的负极输入端连接，第八电阻的两端分别与第二运算放大器的输出输入端、第三运算放大器的正极输入端连接，第十电阻与第八电阻串联并与第三运算放大器的正极输入端连接，第十电阻与第一运算放大器的负极输入端连接，第一电阻、第七电阻、滑动变阻器的另一端、第六电阻的另一端、第三运算放大器的负极输入端都与第一运算放大器的正极输入端连接，第一运算放大器的输出端、第二电阻都与第三三极管的基极连接，第三运算放大器的输出端、第十一电阻都与第四三极管的基极连接，第四三极管的发射极、第二光电隔离器、第十二电阻都与第四电阻连接，第二光电隔离器、第十二电阻都与第二三极管的栅极连接，第二开关与第二三极管的漏极连接，第一二极管与第二三极管的源极连接，第三三极管的发射极、第一光电隔离器都与第三电阻连接，第二电源、第二二极管、第九电阻、第十三电阻、第一三极管的源极都与第一光电隔离器连接，第一开关与第一三极管的漏极连接，电感和第九电阻串联。

优选地，所述第三三极管的集电极连接一个直流低电压电源。

优选地，所述第十电阻、第十一电阻、第二光电隔离器、第二三极管、电感都接地。

优选地，所述第一二极管、第二二极管为两个大功率二极管。

优选地，所述第一开关为低电压开关；第三三极管、第四三极管都为NPN型三极管；第一三极管、第二三极管都为J型场效应管。

本发明还提供一种快速切换电源电路的切换方法，其特征在于，其包以下步骤：通过调节RC电路上电阻、电容的大小，调节电容的充电时间；利用一对电阻分压，产生参考电压；将电容高电压端的电压和参考电压输入第一级运算放大器，产生一路输出；第一运算放大器的输出和参考电压互逆地输入后端的第二运算放大器、第三运算放大器，产生一对互逆的输出；互逆的输出分别输入到一对PNP三极管上，驱动光电隔离器，进而控制后端的JFET管的门极和漏极之间的电压，控制JFET管的通断，实现两路电源的快速切换。

本发明还提供一种快速切换电源电路的切换方法，其特征在于，其包以下步骤：

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明可以实现电离或击穿电路与供电电路的快速切换；实现小信号控制高电压大电流；保证了整个系统在上电后，均处于截止状态，保护设备和电路安全。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明快速切换电源电路的电路图。

图2为参考电压和电容高电压端的电压示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明快速切换电源电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、滑动变阻器R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、电容C1、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第一运算放大器U1A、第二运算放大器U1B、第三运算放大器U1C、第一光电隔离器U2、第二光电隔离器U3、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、电感L1、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电源BT1和第二电源BT2，第三开关S3、第一电阻R1、第七电阻R7依次串联，第七电阻R7与电容C1、第六电阻R6并联，电容C1与第六电阻R6串联，滑动变阻器R5与第六电阻R6并联，电容C1、滑动变阻器R5的一端、第六电阻R6的一端都与第二运算放大器U1B的正极输入端连接，第一电阻R1、第七电阻R7、滑动变阻器R5的另一端、第六电阻R6的另一端都与第二运算放大器 U1B的负极输入端连接，第八电阻R8的两端分别与第二运算放大器U1B的输出输入端、第三运算放大器U1C的正极输入端连接，第十电阻R10与第八电阻R8串联并与第三运算放大器U1C的正极输入端连接，第十电阻R10与第一运算放大器U1A的负极输入端连接，第一电阻R1、第七电阻R7、滑动变阻器R5的另一端、第六电阻 R6的另一端、第三运算放大器U1C的负极输入端都与第一运算放大器U1A的正极输入端连接，第一运算放大器U1A的输出端、第二电阻R2都与第三三极管Q3的基极连接，第三运算放大器U1C的输出端、第十一电阻R11都与第四三极管Q4的基极连接，第四三极管Q4的发射极、第二光电隔离器U3、第十二电阻R12都与第四电阻R4连接，第二光电隔离器U3、第十二电阻R12都与第二三极管Q2的栅极连接，第二开关S2与第二三极管Q2的漏极连接，第一二极管D1与第二三极管Q2的源极连接，第三三极管Q3的发射极、第一光电隔离器U2都与第三电阻R3连接，第二电源BT2、第二二极管D2、第九电阻R9、第十三电阻R13、第一三极管Q1的源极都与第一光电隔离器U2连接，第一开关S1与第一三极管Q1的漏极连接，电感L1 和第九电阻R9串联。

第三三极管Q3的集电极连接一个直流低电压电源VCC，这样方便供电。

第十电阻R10、第十一电阻R11、第二光电隔离器U3、第二三极管Q2、电感L1 都接地，这样提高安全性。

图1中，VCC为直流低电压电源，可以选择5V、9V、12V、15V等多种常见的直流低电压电源，满足中运算放大器(第一运算放大器U1A、第二运算放大器U1B、第三运算放大器U1C)的使用即可；GND为VCC的回路。HVLC为一条供电电源的正极，为负载(第十一电阻R11和电感L1)提供启动时的击穿电压和电流；HCLV为另一条供电电源的正极，为负载(第十一电阻R11和电感L1)提供正常工作时的电压和电流；HGND为HVLC和HCLV共用的回路。第一开关S1为低电压开关；第三三极管Q3、第四三极管Q4都为NPN型三极管；第一三极管Q1、第二三极管Q2都为J 型场效应管。第一二极管D1、第二二极管D2为两个大功率二极管；第十一电阻R11 和电感L1构成负载的简化模型(实际模型根据负载的实际情况改变而改变)；第一开关S1为HVLC电路上的开关，第二开关S2为HCLV电路上的开关，第三开关S3 为VCC上的开关。

本发明快速切换电源电路的切换方法包括以下步骤：通过调节RC电路(滑动变阻器R5、第六电阻R6、电容C1构成的RC电路)上电阻、电容的大小，调节电容的充电时间；利用一对电阻(第一电阻R1和第七电阻R7)分压，产生参考电压；将电容高电压端的电压和参考电压输入第一级运算放大器，产生一路输出；第一运算放大器的输出和参考电压互逆地输入后端的第二运算放大器、第三运算放大器，产生一对互逆的输出；互逆的输出分别输入到一对PNP三极管(第三三极管Q3、第四三极管Q4)上，驱动光电隔离器(第一光电隔离器U2、第二光电隔离器U3)，进而控制后端的JFET管(第一三极管Q1、第二三极管Q2)的门极和漏极之间的电压，控制JFET管的通断，实现两路电源的快速切换。

通过电阻分压实现参考电压，相对于稳压二极管的方法，实现起来成本较低。

通过调节RC电路产生一个电压时变的信号(通过LR电路也可以)，这样电容更容易实现。

在RC电路的第六电阻上并联一个滑动变阻器，可以实现并联电阻的精调；

将第一级运算放大器的输出和参考电压比较，互逆的输入到第二运算放大器、第三运算放大器上，产生一对互逆的输出，以控制后续两路的切换。

第二级运算放大器的输出端均有下拉电阻(第二电阻R2和第十一电阻R11)；防止输出端在上电瞬间，处于悬浮状态，确保了系统的安全。

第二级运算放大器的输出均输出到第三三极管Q3、第四三极管Q4上，提高驱动能力。

第三三极管Q3和第四三极管Q4通过控制第一光电隔离器U2、第二光电隔离器 U3，控制后端的JFET管(第一三极管Q1、第二三极管Q2)的门极和漏极之间的电压。

在负载(第九电阻R9和电感L1构成的模拟负载)的接入端，并联一个反向续流二极管(第二二极管D2)，防止在发生突然断电或者其他异常情况下，烧坏整个系统。

本发明的工作原理如下：

未工作时，第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3均处于断开状态，整个系统开路；

系统准备工作前，闭合第一开关S1、第二开关S2。此时，由于第三开关S3S3 断开，所以第一运算放大器U1A和第三运算放大器U1C的输出均为0，则第三三极管Q3、第四三极管Q4均截止，第一光电隔离器U2、第二光电隔离器U3也都处于截止状态，则第一三极管Q1和第二三极管Q2同样处于截止状态，整个系统不工作。

开始工作时，闭合第三开关S3。R1/R7之间的电压(以下用UR1R7表示)和R6/C1 之间的电压(以下用UR6C1表示)变化如图2所示。在图2所示的T0之前，UR1R7> UR6C1；在T0之后，UR1R7<UR6C1。

在T0之前，UR1R7>UR6C1，则第二运算放大器U1B的输出端为GND；第一运算放大器U1A的输出端为VCC，则第三三极管Q3导通，第一光电隔离器U2导通，则第一三极管Q1的栅极和漏极之间为正电压，第一三极管Q1导通，HVLC处于通路状态；同时第三运算放大器U1C的输出端为GND，则第四三极管Q4截止，第二光电隔离器U3截止，则第一三极管Q1的栅极和漏极之间的电压不为正，第二三极管Q2 截止，HCLV处于断开状态；整个系统处于击穿负载状态。

在T0之后，UR1R7<UR6C1，则第二运算放大器U1B的输出端为VCC；第一运算放大器U1A的输出端为GND，则第三三极管Q3截止，第一光电隔离器U2截止，则第一三极管Q1的栅极和漏极之间的电压不为正，第一三极管Q1截止，HVLC处于断开状态；同时第三运算放大器U1C的输出端为VCC，则第四三极管Q4导通，第二光电隔离器U3导通，则第一三极管Q1的栅极和漏极之间的电压为正电压，第二三极管Q2导通，HCLV处于导通状态；整个系统处于负载正常工作状态。

当系统工作完成以后，断开第三开关S3，则第一运算放大器U1A和第三运算放大器U1C输出均为GND，则第三三极管Q3和第四三极管Q4截止，第一光电隔离器 U2、第二光电隔离器U3截止，进而第一三极管Q1和第二三极管Q2截止，则HVLC 和HCLV两路均断开，整个系统断开。由于负载(第九电阻R9和电感L1)内可能存在电感，所以在负载两端之间加装一个第二二极管D2(反向续流二极管)，保证不会整个系统不会因为电感L1中的反向电动势而损坏。

整个系统中第一三极管Q1和第二三极管Q2均为JFET管，实际使用时，可以用 MOSFET代替。所以在系统中增加了一个第一二极管D1，避免由于当第一三极管Q1 和第二三极管Q2为MOSFET时，第一三极管Q1正向导通时，第二三极管Q2的源极和漏极之间存在的反向二极管导致HCVL成为HVLC的负载，进而损坏电源HCLV。

图2中，T0＝R56*C1*ln(1+R7/R1)；其中R56＝(R5*R6)/(R5+R6)，即R56为滑动变阻器R5和第六电阻R6的并联。

图1中，各个电子元器件的参数选择满足其工作条件即可。

其中，第一电阻R1至第十一电阻R11的规格建议选取在10kΩ的数量级；

第一电阻R1、第七电阻R7的选取建议如下：

1<ln(1+R7/R1)<2，必要时1<ln(1+R7/R1)<1.5；

根据选定的T0和第一电阻R1、第七电阻R7，调整滑动变阻器R5，使得满足R56＝ T0/(C1*ln(1+R7/R1))

第一电源BT1和第二电源BT2均为隔离电源，其两段电压应略大于第一三极管 Q1和第二三极管Q2的门极和漏极之间的饱和电压；

第十二电阻R12、第十三电阻R13的选取应该确保第一光电隔离器U2、第二光电隔离器U3能够正常工作，即CTR(电流传输比)。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。