一种高边智能固态继电器的制作方法

本发明涉及电子设备领域，尤其是一种高边智能固态继电器。

背景技术：

传统的电磁继电器具有经济、可靠、无静态功耗、电源利用率高和输入和输出回路间高度隔离、易于实现大功率化等优点。但是，电磁继电器存在固有缺点：

电磁继电器的机械触点结构具有开关瞬时抖动的缺点，使得：(1)开关延迟时间必须长达7ms限制了高速应用；(2)对环境有电火花和电磁辐射；(3)电火花腐蚀、金属氧化和弹性疲劳使触点可靠性下降，寿命有限；(4)不能适应继电器智能化和数字化控制的低功耗驱动需要。

固态继电器的输出电路是在触发信号的控制下，实现固态继电器的“无触点开关”通断切换。输出电路主要由输出器件(芯片)和起瞬态抑制作用的吸收回路组成，有时还包括反馈电路。

目前，各种固态继电器使用的输出器件主要有晶体三极管(transistor)、单向可控硅(thyristor或scr)、双向可控硅(triac)、mos场效应管(mosfet)、绝缘栅型双极晶体管(igbt)等。

固体继电器在一定程度上克服了电磁继电器的缺点，用可控硅或巨型晶体管作为固体开关元件，提高了继电器使用寿命和在恶劣环境中使用的适应能力；小信号驱动能力及高速开关特性容易实现智能化控制。但是，这种固体继电器也有它的缺点：(1)输入和输出控制回路之间没有隔离，对感性负载而言输入回路的元器件易受破坏。(2)可控硅或巨型晶体管都具有较大的饱和压降，使得这种固体继电器的电源利用效率降低、自身功耗大。(3)静态维持电流大。

固体继电器的开关元件开始采用功率mos管，解决了大电流情况下的饱和压降偏大/决开关管的电压阈值损耗问题。通常的解决方法是需要引进电荷泵电路，但又带来电磁辐射影响。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种高边智能固态继电器。

一种高边智能固态继电器，包括有带限流驱动led光mos继电器m1和恒流驱动led光电泵m2，负载电源电压v2经由恒流源电性串接控制于所述光mos继电器m1和光电泵m2，所述光mos继电器m1和光电泵m2组合形成限流驱动信号与强电隔离具有极小静态功耗的拓扑结构；控制信号电压v1连接于光mos继电器m1驱动侧高端，驱动侧低端接地；负载电源电压v2经由恒流源连接于光电泵m2的驱动侧高端，驱动侧低端连接于光mos继电器m1的受控侧高端，受控侧低端与万分之一负载电流检测采样电阻r、负载电阻rl的共同低端一起接电源地。负载电源电压v2连接于功率电子开关k2高端，功率电子开关k2的低端连接于电流检测的高端，功率电子开关k2的控制端连接于电子开关k1的高端；电子开关k1的高端电性连接于光电泵m2受控侧的高端，电子开关k1的低端分别电性连接于光电泵m2受控侧低端、功率电子开关k2和电流检测的节点；电子开关k1的控制端连接于控制逻辑的输出端，控制逻辑的输入端电性连接于电流检测的输出侧；电流检测的低端连接于负载rl的高端，负载rl的低端接地；电流检测的输出侧电性连接于万分之一负载电流检测采样电阻r的高端，万分之一负载电流检测采样电阻r的低端连接于负载rl的低端电源地。

作为一种优选方案的，电流检测与运算放大器组成1/10000比例负载电流实时共地检测部分；负载电流i-load通过r-sense在电阻r5、电阻r6两端产生压降，电阻r6电性连接于2号节点，2号节点经由电阻r7连接于4号节点，负载端经由电阻r5连接于1号节点，1号节点经由电阻r8连接于3号节点，3号节点和4号节点之间设有电阻r，所述4号节点经由检测电路接地。

作为一种优选方案的，所述电阻r的阻值大小不为零。

作为一种优选方案的，当控制信号电压v1信号为低时，整个系统关断，当控制信号电压v1输入高电平(1.2v以上)时，仅需3-5ma输入电流就可(＜2ms)打开功率电子开关k2，驱动负载rl；此时电子开关k1断开，功率电子开关k2由光电泵m2电压驱动打开；功率电子开关k2的驱动通过检测元件受控制逻辑控制，检测元件检测到系统出现异常现象，控制逻辑即触发电子开关k1、关断功率电子开关k2。

本发明和现有技术相比，其优点在于：

(1)输入输出全隔离(隔离电压≧1500v)，led光电耦合。驱动电流3-10ma，驱动电压最低可至1.2v，输出电流10a-30a(按需配置不同功率most来实现)。开关时间较电磁继电器快2-3倍，可以工作在pwm模式下。

(2)采用n沟道mosfet功率管，内部采用集成光电泵m2，无需电荷泵电路就可以实现高边驱动。并且具有负载电流实时检测功能(输出万分之一负载电流，精度优于5％)。工作温度范围-40℃-+120℃.；适用于dc12-24v供电的各种阻性、感性或容性负载。

(3)具有多项保护功能：短路保护、过载保护、过压保护、过温保护、感性负载保护、掉地和掉电保护、静电放电保护和电源反接保护。静态工作电流≤10ua。可靠性和使用寿命比电磁继电器提高二个数量级。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明光电隔离、耦合电压泵触发控制电路示意图；

图2为本发明负载电流实时检测原理示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

首先，对附图1和附图2中的图示进行专业术语定义：‘电子开关k1’的顶上面引出线称为电子开关k1的高端，底下面引出线称为电子开关k1的低端，右侧面引出线称为电子开关k1的控制端。

‘功率电子开关k2’的mosfet顶上面引出线称为功率电子开关k2的高端，底下面引出线称为功率电子开关k2的低端，左侧面引出线称为功率电子开关k2的控制端。

‘光mos继电器m1’的左侧面称为驱动侧，左侧面上部引出线称为驱动侧高端，左侧面下部引出线称为驱动侧低端。光mos继电器m1的右侧面称为受控侧，右侧面上部引出线称为受控侧高端，右侧面下部引出线称为受控侧低端

‘光电泵m2’的左侧面称为驱动侧，左侧面上部引出线称为驱动侧高端，左侧面下部引出线称为驱动侧低端。光电泵m2的右侧面称为受控侧，右侧面上部引出线称为受控侧高端，右侧面下部引出线称为受控侧低端。

‘控制逻辑’顶上面引出线称为控制逻辑的输出端，右侧面引出线称为控制逻辑的输入端。

‘电流检测’顶上面引出线称为电流检测的高端，底下面引出线称为电流检测的低端。电流检测左侧面称为电流检测的输出侧，左侧面上部引出线称为电流检测输出高端，左侧面下部引出线称为电流检测输出低端。

‘负载rl’上部端子称为负载rl的高端，负载rl下部端子称为负载rl的低端。

‘万分之一负载电流检测采样电阻r上部端子称为万分之一负载电流检测采样电阻r的高端，万分之一负载电流检测采样电阻r下部端子称为万分之一负载电流检测采样电阻r的低端。

‘负载电源电压v2’和‘控制信号电压v1’。

由附图1和附图2所示，一种高边智能固态继电器，包括有带限流驱动led光mos继电器m1和恒流驱动led光电泵m2，负载电源电压v2经由恒流源电性串接控制于所述光mos继电器m1和光电泵m2，所述光mos继电器m1和光电泵m2组合形成限流驱动信号与强电隔离，具有极小静态功耗的拓扑结构；控制信号电压v1连接于光mos继电器m1驱动侧高端，驱动侧低端接地；负载电源电压v2经由恒流源连接于负载电源v2光电泵m2的驱动侧高端，驱动侧低端连接于光mos继电器m1的受控侧高端，受控侧低端连接于万分之一负载电流采样电阻r的低端；负载电源电压v2连接于功率电子开关k2高端，功率电子开关k2的低端连接于电流检测的高端，功率电子开关k2的控制端连接于电子开关k1的高端；电子开关k1的高端电性连接于光电泵m2受控侧的高端，电子开关k1的低端分别电性连接于光电泵m2受控侧低端、功率电子开关k2和电流检测的节点；电子开关k1的控制端连接于控制逻辑的输出端，控制逻辑的输入端电性连接于电流检测的输出侧；电流检测的低端连接于负载rl的高端，负载rl的低端接地；电流检测的输出侧电性连接于万分之一负载电流采样电阻r的高端，万分之一负载电流采样电阻r的低端连接于负载rl的低端。

作为一种优选方案的，电流检测与运算放大器组成1/10000比例负载电流实时共地检测部分；负载电流i-load通过r-sense在电阻r5、电阻r6两端产生压降，电阻r6电性连接于2号节点，2号节点经由电阻r7连接于4号节点，r-sense另一端经由电阻r5连接于1号节点，1号节点经由电阻r8连接于3号节点，3号节点和4号节点之间设有电阻r，所述4号节点经由检测电路接地。

作为一种优选方案的，本发明所述电阻r的阻值大小不为零。

一种高边智能固态继电器的工作原理：当控制信号电压v1信号为低时，整个系统关断，当控制信号电压v1输入高电平(1.2v以上)时，仅需3-5ma输入电流就可(＜2ms)打开功率电子开关k2，驱动负载rl；此时电子开关k1断开，功率电子开关k2由光电泵m2的泵电压驱动打开；功率电子开关k2的驱动通过检测元件受控制逻辑控制，检测元件检测到系统出现异常现象，控制逻辑即触发电子开关k1、关断功率电子开关k2。

实施例1

本发明采用一种限流驱动led光mos继电器m1和恒流驱动led光电泵m2组合的电路升压技术配合电子开关k1控制触发电路，无需电荷泵电路就可以实现n沟功率mosfet的高边驱动(图1所示)，当v1信号为低时，整个系统关断，当v1输入高电平(1.2v以上)时，仅需3-5ma输入电流就可以迅速(＜2ms)打开k2，驱动动负载rl，此时k1断开，k2由m2的光电泵m2的泵电压驱动打开。k2的驱动通过检测元件受控制逻辑控制，一旦检测元件检测到系统出现过压，过流(短路)，过温，欠压等现象，控制逻辑立即就触发k1关断k2，从而实现对系统的保护。

同时本发明具有负载电流实时共地(智能)检测功能(输出万分之一负载电流)；图2中，r_sense为采样电阻，若电阻r＝0、r7接于节点2与“地”之间，则r5、r6、r7、r8与运放组成典型的减法器电路。

r5、r8及r6、r7的分压将位于高边电平的负载电流检测信号[(i-load)×(r-sense)]降至适合一般运放的输入电平共模范围内。r8的负反馈使节点1的电平跟隨节点2，减法器输出差值电压施加于节点3、4与“地”之间的检测采样电阻r二端，此减法器输出特性归类于电压源。

本发明中节点3与节点4之间串接入电阻r≠0，且r7改接于节点2与节点4之间；则减法器输出差值电压施加于节点3与节点4之间的电阻r二端。即减法器输出流过检测采样电阻r的电流为(差值电压/r)，此减法器输出特性归类于电流源。

为便于推演和获简明的定量关系，取r5＝r6＝r7＝r8、r7>>r、r8>>r则可得：减法器输出流过检测采样电阻r的电流即(i-load)/10000≈(i-load)×(r-sense)/r。电路设计时，取(r-sense)/r＝1/10000，则减法器输出万分之一负载电流，当流过负载电阻rl的电流i_rl＝10a时，如果取r＝1kω(0.1％)，则检测采样电阻r二端的电压为1v，即可实现对负载电流1/10000的共地实时监测。

若取(r-sense)/r＝1/2000，则减法器输出二千分之一负载电流；其他输出依次类推，

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨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，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。