一种基于CPLD的电流监控电路的制作方法

本实用新型涉及电子器件的过流保护技术领域，尤其涉及一种基于cpld的电流监控电路。

背景技术：

直流-直流电源转换模块的主要功能是实现不同大小的直流电压转换，作为二次电源输入至后级电路或系统，以满足后级电路或系统对不同直流电压的需求；如果该模块出现过流、过压现象，容易损坏相应的电子器件，所以需要设置电流监控电路，并在出现故障时采取相应动作。

目前，常用的电流监控电路设计有以下两种：一是电源模块自带串口通讯接口，通过串口通讯，实现对电源电压或电流的检测、控制，同时可以进行过流保护设置；这种方式简单方便，不用额外进行硬件设计，只需在测试过程中增加软件功能，设定过流保护阈值，通过串口关断电源输出即可；但这种方式在发现过流时关断电源输入过程时间太长，而且不能监测二次电源输出电压，测试不全面；二是采用带总线功能，如采用i2c总线的继电器进行控制，通过增加i2c总线通讯卡，监测通过继电器的电流电压，如果超过设定阈值，由软件控制继电器，从而关断电源输入；这种方式可以避免二次电源测试不全的缺点，但速度和rs232通讯一样，仍然不能令人满意。

技术实现要素：

为了克服背景技术中的不足，本实用新型公开了一种基于cpld的电流监控电路，结构简单、工作可靠，可以在出现过流时进行快速的过流保护响应。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于cpld的电流监控电路，包括电流输入模块、放大模块、电压采集及阈值设置模块、比较模块、过流判断模块和电流输出控制模块；

所述电流输入模块包括电流传感器u1、电容c1、电容c2；被监测的直流信号dc1输入至u1的输入端+ip；u1的电源端vcc接+5v电源，电容c1一端与u1的电源端vcc和+5v电源间节点相连，另一端接地gnd；电容c2一端与u1的过滤器端fliter相连，另一端接地gnd，电流传感器u1的接地端gnd端接地gnd；

所述放大模块包括运算放大器u2、电阻r1、电阻r2；所述运算放大器u2的同向输入端v+与电流输入模块中电流传感器u1的电压输出端vout相连，u2的反向输入端v-通过电阻r1接地gnd，电阻r2的一端与电阻r1和u2的反向输入端v-间的节点相连，另一端接u2的输出端out，u2的电源端vcc接+5v电源，u2的接地端gnd接地gnd；

所述比较模块包括电压比较器u3、电阻r3-6、电容c3；所述电压比较器u3的反向输入端1n-通过电阻r3与放大模块中的运算放大器u2的输出端out相连，u3的正向输入端1n+通过电阻r4与电压采集及阈值设置模块的输出端相连，电压采集及阈值设置模块的输入端与电阻r3和u2的输出端out间的节点相连，u3的正向输入端1n+与电阻r4间的节点通过电阻r5接地gnd，电容c3的一端接地gnd，另一端与电阻r3和u3的正向输入端1n+间的节点相连，u3的正电源端vcc+接+5v电源，负电源端vcc-接地gnd，u3的输出端out通过电阻r6接+5v电源；

所述过流判断模块包括cpld+fpga模块u4和晶振x1，所述cpld+fpga模块u4的输入端与比较模块中电压比较器u3的输出端out相连，晶振x1与u4相连；

所述电流输出控制模块包括三极管q1、二极管d1、继电器kt和电阻r7；所述电阻r7一端与过流判断模块中cpld+fpga模块u4的输出端相连，另一端与三极管q1的基极相连，三极管q1的发射极接地gnd，三极管q1的集电极通过继电器kt接+28v电源，二极管d1的正极与三极管q1的集电极相连，二极管d1的负极接+28v电源；电流输入模块中电流传感器u1的输出端-ip通过继电器kt的常闭开关s1将被监测的直流信号输出到后级用电设备。

进一步的，一种基于cpld的电流监控电路中设置故障指示模块，所述故障指示模块包括发光二极管led和电阻r8；所述发光二极管led正极与过流判断模块中cpld+fpga模块u4的输出端相连，发光二极管led负极通过电阻r8接地gnd。

进一步的，所述cpld+fpga模块u4中cpld内部生产的symbol包括用于接收晶振x1输入的clk信号端，清零信号端clr，用于接收电压比较器u3输出信号的使能信号端en，以及输出信号端outclk。

进一步的，所述cpld+fpga模块u4中cpld设置计数器，通过计数器设置防止继电器上电抖动的延迟。

进一步的，所述电流传感器u1选用线性电流传感器acs712elctr-20a-t。

进一步的，所述运算放大器u2选用四运算放大芯片lm124。

进一步的，所述电压比较器u3选用四电压比较器lm339。

进一步的，所述电压采集及阈值设置模块为微控制器或计算机。

进一步的，所述电流输出控制模块中三极管q1选用硅小功率开关三极管3dk9d，二极管d1选用高速开关二极管1n4148，继电器kt选用jqx-106m型继电器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型公开的一种基于cpld的电流监控电路，结构简单、工作可靠，通过可编程逻辑器件cpld实现电流的实时监控，提高了故障发生时电路的反应速度，对异常电流进行报警、切断的反应速度为微秒级；通过计数器设置延迟时间，避开继电器上电瞬间的不稳定状态，有效避免上电瞬间电流过大造成的误操作，通过cpld实现电路嵌位功能，避免继电器频繁切换，增加了过流保护的可靠性；设置电压采集及阈值设置模块，既可以进行被监测电流的实时采集，同时可以进行过流保护阈值的设置，以适用于不用系统中；选用元器件为主流产品，价格低廉，降低了成本；该电路已经成功用于某型号测试设备中，达到了预期效果。

附图说明

图1为本实用新型电路结构示意图；

图2为本实用新型cpld的symbol示意图；

图3为本实用新型cpld工作流程图；

图4为本实用新型cpld输入输出时序示意图；

图中：1、电流输入模块；2、放大模块；3、电压采集及阈值设置模块；4、比较模块；5、过流判断模块；6、电流输出控制模块；7、故障指示模块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-4，本实用新型提供一种技术方案：一种基于cpld的电流监控电路，包括电流输入模块1、放大模块2、电压采集及阈值设置模块3、比较模块4、过流判断模块5、电流输出控制模块6，如图1所示。

电流输入模块1用于接收被监测的直流电流dc1，并将其转换为电压信号，通过对电压值的监测和判断，从而判定电流dc1是否过流，包括电流传感器u1、电容c1、电容c2；被监测的直流信号dc1输入至u1的输入端+ip，u1的电源端vcc接+5v电源，电容c1一端与u1的电源端vcc和+5v电源间节点相连，另一端接地gnd，电容c2一端与u1的过滤器端fliter相连，另一端接地gnd，电流传感器u1的接地端gnd端接地gnd；电容c1、c2为电源滤波电容；电流传感器u1的电压输出端vout将转换后的被监测电压信号输出至下一模块；电流传感器u1选用线性电流传感器acs712elctr-20a-t。

放大模块2用于进行被监测电压的放大，包括运算放大器u2、电阻r1、电阻r2；运算放大器u2的同向输入端v+与电流输入模块1中电流传感器u1的电压输出端vout相连，接收被监测电压信号，u2的反向输入端v-通过电阻r1接地gnd，电阻r2的一端与电阻r1和u2反向输入端v-间的节点相连，另一端接u2的输出端out，u2的正电源端vcc接+5v电源，u2的接地端gnd接地gnd；运算放大器u2选用四运算放大芯片lm124。

电压采集及阈值设置模块3的输入端与电阻r3和u2输出端out间的节点相连，输出端与比较模块4相连，用于实时采集被监测电压信号并将其换算成电流信号生成测试报表上报；同时用户可以根据不同电路或系统自身特性，通过该模块进行过流保护阈值的设置，并输送至比较模块4；电压采集及阈值设置模块3可以为微控制器或计算机。

比较模块4用于进行被监测电压信号与过流保护阈值的比较，包括电压比较器u3、电阻r3-6、电容c3；电压比较器u3的反向输入端1n-通过电阻r3与放大模块2中的运算放大器u2的输出端out相连，用于接收放大后的被监测电压信号，u3的正向输入端1n+通过电阻r3与电压采集及阈值设置模块3的输出端相连，用于接收已设置的过流保护阈值，u3的正向输入端1n+与电阻r4间的节点通过电阻r5接地gnd，电容c3的一端接地gnd，另一端与电阻r3和u3正向输入端1n+间的节点相连，u3的正电源端vcc+接+5v电源，负电源端vcc-接地gnd，u3的输出端out通过电阻r6接+5v电源；若被监测电压低于过流保护阈值，表明信号正常，电压比较器u3的输出值应为高电平，若被监测电压信号应高于过流保护阈值，表明出现过流现象，电压比较器u3的输出值应为低电平；电阻r3和电容c3是为了防止干扰信号直接对地短路，引起元器件发热，电阻r4、r5为分压、限流电阻，r6为上拉电阻；电压比较器u3选用四电压比较器lm339。

过流判断模块5用于实现过流判断，并实现过流情况下电路的嵌位功能，包括cpld+fpga模块u4和晶振x1；cpld+fpga模块u4的输入端与比较模块4中电压比较器u3的输出端out相连，用于接收电压比较器u3输出的比较信号，晶振x1与u4相连，用于为cpld+fpga模块u4提供晶振信号。

cpld+fpga模块u4中cpld内部生产的symbol包括clk信号端、清零信号端clr，使能信号端en，以及输出信号端outclk，如图2所示；clk信号端用于接收晶振x1输入的晶振信号，清零信号端clr用于产生cpld清零信号，使能信号端en用于接收比较模块4中电压比较器u3输出的比较信号，输出信号端outclk根据cpld+fpga模块u4对比较信号的判断，向电流输出控制模块6输出相应判定信号。

cpld+fpga模块u4中cpld设置计数器，通过计数器实现防止继电器上电抖动的延迟；cpld+fpga模块u4的工作流程图以及cpld输入输出时序示意图如图3、图4所示，上电后计数器开始计数，cpld持续输出低电平，计数到计数限值即达到延迟时间后，计算器停止计数；停止计数后，开始进行对cpld+fpga模块u4接收信号的判断，若电压比较器u3向cpld输入低电平信号，cpld检测到此低电平信号后，判定出现过流现象，输出高电平信号，以启动过流保护，若电压比较器u3向cpld输入高电平信号，cpld检测到此高电平信号后，判定电流正常，保持正常电路状态。

计数器的计数限值可以根据负载情况由用户自行设定；若为容性负载，上电时，电流会出现突然增大的现象，因此通过计数器设置上电延迟，在计数器计数期间cpld始终输出低电平信号，即在计数期间不对输入信号响应，有效地避免了上电期间的误操作。

电流输出控制模块6根据过流判断模块5输出信号，控制电流向后级设备的输出，包括三极管q1、二极管d1、继电器kt和电阻r7；电阻r7一端与过流判断模块5中cpld+fpga模块u4的输出端相连，另一端与三极管q1的基极相连，三极管q1的发射极接地gnd，三极管q1的集电极通过继电器kt接+28v电源，二极管d1的正极与三极管q1的集电极相连，二极管d1的负极接+28v电源；电流输入模块1中电流传感器u1的输出端-ip通过继电器kt的常闭开关s1将被监测的直流信号输出到后续用电设备；r7为限流电阻，v8为续流二极管；三极管q1可选用硅小功率开关三极管3dk9d，二极管d1可选用高速开关二极管1n4148，继电器kt可选用为jqx-106m型继电器。

若出现过流现象，cpld+fpga模块u4输出高电平信号至三极管q1基极，三极管q1导通，继电器kt通电，继电器常闭开关打开，从而切断输入模块1中电流传感器u1向到后级设备的电流输出；cpld判定出现过流现象后，持续输出高电平信号，直到重新上电才进行复位，继电器kt切断电路后，直流电流dc1变小，此时cpld仍输出高电平信号，嵌位功能发生作用，控制继电器kt仍处于通电状态，避免了继电器频繁切换而造成的损坏扩大。

该电流监控电路还可以设置故障指示模块7，以使用户更直观地发现过流现场，包括发光二极管led和电阻r8；发光二极管led正极与过流判断模块5中cpld+fpga模块u4的输出端相连，发光二极管led负极通过电阻r8接地gnd；当出现过流现象时，cpld+fpga模块u4输出高电平信号，发光二极管led正向导通并发光。

使用本实用新型时，上电后，被监测直流电流经过电流输入模块1转换为被监测电压信号；该被监测电压信号经过放大模块2放大后，送入比较模块3与已设定的过流保护阈值比较，若出现过流现象，比较模块3向过流判断模块5输出低电平信号，反之，比较模块3向过流判断模块5输出高电平信号；过流判断模块5若接收到低电平信号，则判定电路过流，并向电流输出控制模块6输出高电平信号，从而控制继电器kt的常闭开关s1打开，切断后级设备的电流输入。

该电流监控电路选用的运算放大器u2为芯片lm124、电压比较器u3为芯片lm33，均具有四路输入和输出，因此可以增加三个电流输入模块1和电流输出控制模块6，并对cpld+fpga模块u4输入输出端口进行相应的调正，可以实现四路电流信号的同时监测和保护。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。