具有负载冷态短路保护功能的场效应管电子开关电路的制作方法

1.本实用新型涉及一种城轨车辆的头车和尾车的头灯、尾灯、电喇叭、直流电机及其它用电负载的供电程控开关的应用电路，尤其涉及一种具有负载冷态短路保护功能的场效应管电子开关电路，属于铁路客车电气产品制造技术领域。


背景技术：

2.在城市轨道车辆快速发展的今天，城市轨道车辆自动化程度也越来越高，无人驾驶已成为未来发展趋势；从车辆的功能部件设计和制造方面来讲，也需要实现智能化，如开关保护脱扣后应能自动闭合，负载短路后能保护和自动重启等等；尤其是各种无触点电子开关，在过流时能够可靠保护，之后能够实现在车辆控制单元的操控下自动重启，更不能因为局部的短路等故障而造成电子开关永久损坏；因铁路行业的特殊性，其车辆直流供电有dc600v、dc110v、dc48v和dc24v，常常四种电压在一个车辆上并存；目前成品带完善保护的电子开关多为汽车设计，工作电压通常不高于dc24v，dc110v的电子开关没有现成可用的集成电路，dc48v以上的电子开关多采用mosfet场效应管专门设计，常见的电子开关均设计有过流保护，否则无法满足使用要求，稍有异常，立即击穿损坏；但是，上述过流保护多数为热态短路保护，即电子开关已经打开，开关正常通电工作，在此过程中出现负载短路，普通的电流取样法能够胜任，但是在负载冷态短路情况下，即电子开关还没有打开，负载已经短路，此时送电，电流取样法过流保护就不能很好的实现保护，mosfet场效应管会在开机的一瞬间损坏。


技术实现要素：

3.为解决现有技术的不足，本实用新型提供一种具有负载冷态短路保护功能的场效应管电子开关电路，是一种简单可靠的、具有负载冷态短路、热态短路和负载过流保护功能的mosfet场效应管电子开关电路，采用电压取样法过流保护，该电路通过采集负载电压，实现过流、热态短路、冷态短路的保护；本电路无需专用芯片，使用中无需调试，具有电路简单成本低、保护范围广、动作可靠等优点；其简单的电路组成和优良的保护性能，能很好的满足城市轨道车辆有人驾驶和无人驾驶工况下的需要。
4.本实用新型所采用的技术方案为：
5.具有负载冷态短路保护功能的场效应管电子开关电路，包括驱动芯片u1、过流值设定电位器w1、分压电阻r1、输入电阻r3、场效应管q1及其栅极电阻r2、栅极放电二极管d1、放电电阻r4和保护稳压管z1、电流取样电阻r6、取样滤波电阻r5和取样滤波电容c2、输出保护压敏电阻rv1、输出续流二极管d3、输出滤波电容c3、输出电压隔离二极管d2、限流电阻r7、限流电阻r8、防反二极管d4以及输出电压取样光耦u2；
6.所述输入电阻r3一端接外部输入的脉冲信号，所述输入电阻r3另一端接驱动芯片u1输入3脚，分压电阻r1与过流值设定电位器w1串联，输出一个电压可变的过流保护基准电压至驱动芯片u1的1脚，驱动芯片u1的8脚和5脚分别为驱动芯片u1的电源vcc供电正、负端，
驱动芯片u1的驱动端6脚和放电端7脚并联后接栅极电阻r2的一端，栅极电阻r2的另一端接场效应管q1的栅极，栅极放电二极管d1与栅极电阻r2并联；场效应管q1的栅极和场效应管q1的源极之间并联放电电阻r4、保护稳压管z1；场效应管q1的漏极接电源输入端的正极in+，场效应管q1的源极接电流取样电阻r6的一端，电流取样电阻r6另一端接开关输出端正极out+，取样滤波电阻r5和取样滤波电容c2串联后再并联在电流取样电阻r6的两端，且场效应管q1的源极还通过取样滤波电阻r5与驱动芯片u1的2脚连接；在开关输出端正极out+和开关输出端负极out-之间并联输出保护压敏电阻rv1、输出续流二极管d3、输出滤波电容c3；输出电压隔离二极管d2正极接开关输出端正极out+，输出电压隔离二极管d2负极接输出电压取样光耦u2的1脚，输出电压取样光耦u2的2脚通过限流电阻r7接开关输出端负极out
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，防反二极管d4反向并联在输出电压取样光耦u2的1脚和2脚间；输出电压取样光耦u2的3脚接限流电阻r8一端，限流电阻r8的另一端接驱动芯片u1的3脚，输出电压取样光耦u2的4脚接电源vcc。
7.作为本实用新型的进一步优选，在电源vcc与地gnd之间连接有为驱动芯片u1进行供电滤波及高频退藕的滤波电容c1。
8.本实用新型的有益效果在于：电路简单、可靠，全电路所用元器件均为通用元器件，无需专用或特种元器件，具有低成本、高可靠的优点；采用电压取样法过流保护，该电路通过采集负载电压，实现过流、热态短路、冷态短路的保护；本电路无需专用芯片，使用中无需调试，具有电路简单成本低、保护范围广、动作可靠等优点；其简单的电路组成和优良的保护性能，能很好的满足城市轨道车辆有人驾驶和无人驾驶工况下的需要。
附图说明
9.图1为本实用新型电路图。
具体实施方式
10.下面结合附图和实施例对本实用新型做具体的介绍。
11.如图1所示：本实施例是一种具有负载冷态短路保护功能的场效应管电子开关电路，包括驱动芯片u1、过流值设定电位器w1、分压电阻r1、输入电阻r3、场效应管q1及其栅极电阻r2、栅极放电二极管d1、放电电阻r4和保护稳压管z1、电流取样电阻r6、取样滤波电阻r5和取样滤波电容c2、输出保护压敏电阻rv1、输出续流二极管d3、输出滤波电容c3、输出电压隔离二极管d2、限流电阻r7、限流电阻r8、防反二极管d4以及输出电压取样光耦u2；
12.所述输入电阻r3一端接外部输入的脉冲信号，所述输入电阻r3另一端接驱动芯片u1输入3脚，分压电阻r1与过流值设定电位器w1串联，输出一个电压可变的过流保护基准电压至驱动芯片u1的1脚，驱动芯片u1的8脚和5脚分别为驱动芯片u1的电源vcc供电正、负端，驱动芯片u1的驱动端6脚和放电端7脚并联后接栅极电阻r2的一端，栅极电阻r2的另一端接场效应管q1的栅极，栅极放电二极管d1与栅极电阻r2并联；场效应管q1的栅极和场效应管q1的源极之间并联放电电阻r4、保护稳压管z1；场效应管q1的漏极接电源输入端的正极in+，场效应管q1的源极接电流取样电阻r6的一端，电流取样电阻r6另一端接开关输出端正极out+，取样滤波电阻r5和取样滤波电容c2串联后再并联在电流取样电阻r6的两端，且场效应管q1的源极还通过取样滤波电阻r5与驱动芯片u1的2脚连接；在开关输出端正极out+和
开关输出端负极out-之间并联输出保护压敏电阻rv1、输出续流二极管d3、输出滤波电容c3；输出电压隔离二极管d2正极接开关输出端正极out+，输出电压隔离二极管d2负极接输出电压取样光耦u2的1脚，输出电压取样光耦u2的2脚通过限流电阻r7接开关输出端负极out
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，防反二极管d4反向并联在输出电压取样光耦u2的1脚和2脚间；输出电压取样光耦u2的3脚接限流电阻r8一端，限流电阻r8的另一端接驱动芯片u1的3脚，输出电压取样光耦u2的4脚接电源vcc。
13.本实施例在电源vcc与地gnd之间连接有为驱动芯片u1进行供电滤波及高频退藕的滤波电容c1。
14.本实施例电路原理如下：
15.此处设：外部启动高电平脉冲宽度为20us；当外部输入的脉冲信号为启动脉冲高电平“1”时，驱动芯片u1的6脚输出驱动电压，驱动场效应管q1打开，开关接通，负载r9得电工作，此时开关输出端正极out+和开关输出端负极out-之间的电压为输入电压dc110v，dc110v输出电压通过输出电压隔离二极管d2和限流电阻r7驱动输出电压取样光耦u2导通，输出电压取样光耦u2的4脚电源vcc电压通过输出电压取样光耦u2的输出端3脚和4脚及限流电阻r8施加在驱动芯片u1的输入3脚上；在负载r9刚开始得电时，若负载r9短路，即出现冷态短路，因开关输出端正极out+和开关输出端负极out-之间的电压不能建立，此时输入的启动脉冲高电平“1”持续20us后高电平消失，输入端变为高阻态，输出电压取样光耦u2又不能导通以维持驱动芯片u1输入3脚上的高电平，电路不能维持启动，故开关电路保持关断状态。
16.当外部输入的脉冲信号为启动脉冲高电平“1”时，驱动芯片u1的3脚为高电平“1”，驱动芯片u1的6脚即输出驱动电压，驱动场效应管q1打开，开关接通，负载r9得电工作；此时开关输出端正极out+和开关输出端负极out-之间的电压为输入电压dc110v，dc110v输出电压通过输出电压隔离二极管d2和限流电阻r7驱动输出电压取样光耦u2导通，输出电压取样光耦u2的4脚电源vcc电压通过输出电压取样光耦u2的输出端3脚和4脚及限流电阻r8施加在驱动芯片u1的输入3脚上；此时，若负载r9没有短路现象，输出的电压持续使输出电压取样光耦u2导通，输出电压取样光耦u2的输出端3脚和4脚及限流电阻r8持续为驱动芯片u1的3脚提供高电平“1”，此时启动脉冲已经由高电平“1”变为高阻态，但由于输出电压取样光耦u2的输出端3脚和4脚及限流电阻r8施加在驱动芯片u1的输入3脚上的高电平，持续维持着，因此开关电路进入正常的持续工作状态。
17.在正常工作状态下，当负载r9出现瞬间短路，开关电路输出端的dc110v瞬间消失，输出电压取样光耦u2的1脚和2脚间电压变为0v，输出电压取样光耦u2截止，输出电压取样光耦u2的输出端3脚和4脚断开，驱动芯片u1的3脚失去高电平，因输入信号为高阻态，在驱动芯片u1的3脚内部下拉电阻作用下，驱动芯片u1的3脚变为低电平“0”，驱动芯片u1的6脚也变为低电平“0”，场效应管q1关断，开关电路将维持在持续关断状态下。
18.本实施例电路采用脉冲启动、脉冲停止工作方式，当输入端input为高电平启动脉冲“1”时，电路启动；当输入端input为启动脉冲高阻态时，电路处于正常工作或正常停止状态；当输入端input为低电平停止脉冲“0”时，电路停止；电路正常工作时由开关输出端正极out+和开关输出端负极out-之间的电压通过输出电压取样光耦u2对驱动芯片u1输入3脚进行锁定，当开关输出端正极out+和开关输出端负极out-之间的电压因负载r9短路而消失或
大幅度降低，输出电压取样光耦u2对驱动芯片u1输入3脚的锁定功能失效，电路停止输出，实现对电路的保护；电路的过流保护动作阈值通过过流值设定电位器w1连续可调，可以任意设定过流保护动作阈值；驱动芯片u1选用带常规过流保护的eg3002芯片。
19.本实施例采用脉冲启动，输出电压反馈锁定输入的原理实现电子开关负载冷态短路保护和热态短路保护；驱动芯片u1为通用的带保护关断功能的芯片，实施过程中，任何厂家和型号的单路低边驱动芯片只要具备关断保护功能，就可以胜任，并无苛刻要求；本实用新型电路能够工作在很宽的电压范围内，而无需特殊调整，电路能够承受的电压与场效应管q1的耐压直接相关；输出电压反馈锁定电路采用光耦锁定，但也可以采用其它形式的输出电压反馈锁定电路，其电路的短路保护原理是一致的。
20.本实施电路简单、可靠，全电路所用元器件均为通用元器件，无需专用或特种元器件，具有低成本、高可靠的优点；采用电压取样法过流保护，该电路通过采集负载电压，实现过流、热态短路、冷态短路的保护；本电路无需专用芯片，使用中无需调试，具有电路简单成本低、保护范围广、动作可靠等优点；其简单的电路组成和优良的保护性能，能很好的满足城市轨道车辆有人驾驶和无人驾驶工况下的需要。
21.以上所述仅是本实用新型专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型专利原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型专利的保护范围。