开关电路及电子设备的制作方法

1.本技术涉及电子电路技术领域，具体而言，涉及一种开关电路及电子设备。


背景技术：

2.开关电路是各种电子设备中常见的一种电路结构，用于实现电子设备中某种特定信号的接通和断开两种状态。开关电路一般是按照开关控制端的控制信号来控制对被控对象的目标信号的传达或中断。
3.在开关电路的具体应用场景中，mos管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,金属氧化物半导体场效应晶体管 ）、igbt(insulated gate bipolar transistor、绝缘栅双极型晶体管)等功率半导体开关管器件以及继电器为开关电路中经常需要使用到的开关元件。其中，功率半导体开关管器件具有开关速度快、工作频率高、驱动电路简单、无触点，无电磁干扰等优点，但同时具有漏电、在要求隔离的场合需增加光耦隔离等缺点。而继电器则具有隔离、安全的优点，但同时具有功率越大开关速度越慢、有电磁干扰、有触点易磨损、寿命有限等缺点。


技术实现要素：

4.为解决至少一部分上述技术问题，本发明的目的在于提供一种开关电路及电子设备。
5.第一方面，本技术提供一种开关电路，包括继电器开关模组、功率半导体开关模组、以及连接在所述继电器开关模组和所述功率半导体开关模组之间的延时控制模组；其中，用于控制所述继电器开关模组中的继电器导通的第一开关控制信号输入所述继电器开关模组时被同时输入所述延时控制模组，所述延时控制模组在所述第一开关控制信号的控制下工作并在预设时长后，向所述功率半导体开关模组中的功率半导体开关管输出用于导通所述功率半导体开关管的第二开关控制信号。
6.优选地，在第一方面的一种实现方案中，所述继电器开关模组包括控制端口、输入端口、以及至少一个继电器；所述功率半导体开关模组包括至少一个功率半导体开关管以及输出端口；所述控制端口用于接收对所述继电器进行开关控制的第一开关控制信号，所述延时控制模组的输入端与所述控制端口连接、输出端与所述功率半导体开关管的控制电极连接，用于在所述第一开关控制信号的控制下延时预设时长后向所述功率半导体开关管输出用以导通所述功率半导体开关管的所述第二开关控制信号。
7.优选地，在第一方面的一种实现方案中，所述继电器开关模组包括多个继电器、所述功率半导体开关模组包括多个功率半导体开关管，一个所述功率半导体开关管与一个所述继电器连接，当所述继电器以及所述功率半导体开关管分别在所述第一开关控制信号以及所述第二开关控制信号的控制下导通时，从所述输入端口输入的电信号依次通过所述继电器开关模组和所述功率半导体开关模组后从所述输出端口输出。
8.优选地，在第一方面的一种实现方案中，所述功率半导体开关管为金属氧化物半导体场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管，所述控制电极为栅极。
9.优选地，在第一方面的一种实现方案中，所述延时控制模组包括延时电路单元、或门、单稳态电路单元、以及与门；所述延时电路单元包括第一反向器、第一分压电阻、第二分压电阻、第一充电电容、三极管、第一上拉电阻、以及第二反向器；所述第一反向器的输入端与所述控制端口连接，所述第一分压电阻和第二分压电阻串联连接在所述第一反向器与地之间，所述第一充电电容与所述第二分压电阻并联；所述三极管的控制极与所述第一充电电容连接、集电极通过第一上拉电阻与电压源连接、发射极接地；所述第二反向器的输入端与所述三极管的集电极连接、输出端与所述或门的第一输入端连接；所述或门的第二输入端与所述控制端口连接、输出端与所述单稳态电路单元连接；所述单稳态电路单元包括第二充电电容、定时器、第三分压电阻、第二上拉电阻、以及第三反向器；所述定时器与所述或门的输出端连接并通过所述第二上拉电阻与电压源连接；所述第二充电电容的一端通过所述第三分压电阻与所述电压源连接、另一端与所述定时器连接；所述第三反向器的输入端与所述定时器的输出引脚连接、输出端与所述与门的第一输入端连接，所述与门的第二输入端与所述第二反向器的输出端连接，所述与门的输出端与所述功率半导体开关模组中的功率半导体开关管的控制电极连接。
10.优选地，在第一方面的一种实现方案中，所述定时器包括分别与所述第二充电电容的两端连接的阈值引脚以及接地引脚；所述电压源为所述第二充电电容提供充电电压，当所述第二充电电容被充电到设定的阈值电压时，所述定时器的输出引脚输出设定的电平信号。
11.优选地，在第一方面的一种实现方案中，所述设定的阈值电压为所述电压源所提供的充电电压的三分之二。
12.优选地，在第一方面的一种实现方案中，所述三极管为npn型三极管。
13.第二方面，本技术实施例还提供一种电子设备，所述电子设备包括上述的开关电路以及被控对象，所述被控对象与所述开关电路的输出端口电性连接，所述开关电路导通时，从所述开关电路的输入端口输入的电信号通过所述输出端口输入至所述被控对象。
14.基于以上内容，本技术实施例提供的开关电路及电子设备，可首先通过所述控制端口给予第一开关控制信号，然后通过延时控制模组延时预设时长后再向所述功率半导体开关模组的功率半导体开关管施加第二开关控制信号，在所述预设时长内，确保所述继电器可以处于导通状态，在延时该预设时长后，所述功率半导体开关管可以瞬间导通，使得整个开关电路开始正常工作，使得所述输入端口以及所述输出端口导通。如此，可以保证开关电路的开关速度的情况下，进一步确保整个电路的安全性和稳定性。
附图说明
15.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：图1为本技术实施例提供的一种开关电路的示意图。
16.图2为图1中的延时模组模组的一种可替代的示例性电路实现示意图。
具体实施方式
17.下面将结合附图，对本发明一些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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明所提供的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.如图1所示，是本技术实施例提供的开关电路的示意图。
19.本实施例中，所述开关电路包括继电器开关模组100、功率半导体开关模组200、以及连接在所述继电器开关模组100和所述功率半导体开关模组200之间的延时控制模组300。其中，用于控制所述继电器开关模组100中的继电器110导通的第一开关控制信号输入所述继电器开关模组100时被同时输入所述延时控制模组200，所述延时控制模组200在所述第一开关控制信号的控制下工作并在预设时长后，向所述功率半导体开关模组200中的功率半导体开关管输出用于导通所述功率半导体开关管的第二开关控制信号。
20.在一种示例中，所述继电器开关模组100包括控制端口ctr、输入端口input、以及至少一个继电器110。所述功率半导体开关模组200包括至少一个功率半导体开关管以及输出端口output。例如，所述至少一个功率半导体开关管可以包括图1所示的第一功率半导体开关管s1和第二功率半导体开关管s2。
21.所述控制端口ctr用于接收对所述继电器110进行开关控制的第一开关控制信号，所述延时控制模组300的输入端与所述控制端口ctr连接、输出端与所述功率半导体开关管的控制电极连接，用于在所述第一开关控制信号的控制下延时预设时长后向所述功率半导体开关管输出第二开关控制信号以导通所述功率半导体开关管。
22.一个所述功率半导体开关管可以与一个所述继电器110连接，当所述继电器110以及所述功率半导体开关管分别在所述第一开关控制信号以及所述第二开关控制信号的控制下导通时，从所述输入端口input输入的电信号（如高压电流信号）依次通过所述继电器开关模组100和所述功率半导体开关模组200后从所述输出端口output输出。
23.其中，在本实施例的一种可替代的实现方案中，所述功率半导体开关管可以是但不限于，金属氧化物半导体场效应晶体管（mos）或绝缘栅双极型晶体管（igbt），相应地，所述控制电极则为所述功率半导体开关管的栅极。此外，本实施例中，所述继电器开关模组100内可以叠加多个继电器110，以增加其过大电流的能力。
24.综上所述，本技术实施例提供的开关电路，可首先通过所述控制端口ctr给予第一开关控制信号（如用于闭合所述继电器100的闭合信号，可以是低电平信号），然后通过延时控制模组300延时预设时长（如2-3ms）后再向所述功率半导体开关模组200的功率半导体开关管施加第二开关控制信号（如用于闭合所述功率半导体开关管的栅极控制信号，可以是高电平信号），在所述预设时长内，确保所述继电器110可以处于导通状态，在延时该预设时长后，所述功率半导体开关管可以瞬间导通，使得整个开关电路开始正常工作，使得所述输入端口input以及所述输出端口output导通。如此，相较于传统仅使用继电器的开关电路，提升了开关速度；相应地，而相较于传统仅使用功率半导体开关管的开关电路，相应提升了整个开关电路的防漏电、以及过大电流等能力，进而提高了整个开关电路的安全性和稳定性。
25.进一步地，如图2所示，是本技术实施例中所述延时控制模组300的一种可替代的实现电路示意图。
26.其中，所述延时控制模组300可以包括延时电路单元310、或门u3a、单稳态电路单元320、以及与门u5b。
27.所述延时电路单元310包括第一反向器u4b、第一分压电阻r4、第二分压电阻r5、第一充电电容c1、三极管q1、第一上拉电阻r3、以及第二反向器u1b；所述第一反向器u4b的输入端与所述控制端口ctr连接，所述第一分压电阻r4和第二分压电阻r5串联连接在所述第一反向器u4b与地gnd之间，所述第一充电电容c1与所述第二分压电阻r5并联；所述三极管q1的控制极与所述第一充电电容c1连接、集电极通过第一上拉电阻r3与电压源vdd连接、发射极接地；所述第二反向器u1b的输入端与三极管q1的集电极连接、输出端与所述或门u3a的第一输入端连接；本实施例中，所述三极管q1优选为npn型三极管；所述或门u3a的第二输入端与所述控制端口ctr连接，输出端与单稳态电路单元320连接；所述单稳态电路单元320包括第二充电电容c2、定时器u2、第三分压电阻r1、第二上拉电阻r2、以及第三反向器u1a；所述定时器u2与所述或门u3a的输出端连接并通过所述第二上拉电阻r2与电压源vdd连接；所述第二充电电容c2的一端通过所述第三分压电阻r1与所述电压源vdd连接、另一端与所述定时器u2连接；所述第三反向器u1a的输入端与所述定时器u2的输出引脚out连接、输出端与所述与门u5b的第一输入端连接，所述与门u5b的第二输入端与所述第二反向器u1b的输出端连接，所述与门u5b的输出端与所述功率半导体开关模组200中的功率半导体开关管的控制电极连接；详细地，所述定时器u2可以为555定时器，所述定时器u2包括分别与所述第二充电电容c2的两端连接的阈值引脚thr以及接地引脚gnd；所述电压源vdd为所述第二充电电容c2提供充电电压，当所述第二充电电容c2被充电到设定的阈值电压（如2/3vdd）时，所述定时器u2的输出引脚out输出设定的电平信号（如低电平信号）。例如，实际工作时，定时器u2的触发引脚tri端通过第二上拉电阻r2上拉到vdd （5v），当该触发引脚tri无输入或者输入高电平时，所述输出引脚out立即输出低电平， 当所述触发引脚tri的输入由高电平变为低电平时，所述输出引脚out输出高电平，使定时器u2内部的放电管处于关断状态，同时放电引脚dis被置为高电平，使得vdd通过电阻r1对第二充电电容c2充电，经过t2 ≈1.1r1c2延时后，当充电到（2/3）*vdd时， 所述输出引脚out输出低电平。
28.基于上述电路连接关系，下面对所述延时控制模组300的具体电路工作原理进行说明。
29.首先，针对所述延时电路单元310，所述第一开关控制信号（可称为延时控制信号）为低电平信号时，经过所述第一反向器u4b 反向后通过所述第一分压电阻r4和所述第二分压电阻r5对所述第一充电电容c1充电，充电时间t1 ≈1ms，当所述第一充电电容c1两端的电压超过设定阈值电压（如0.7v）时，所述三极管q1导通，使所述第二反向器u1b的输入端输入低电平信号并通过反向后输出至所述或门u3a。
30.然后，所述第一开关控制信号以及所述第二反向器u1b输出的信号在所述或门u3a内经过或运算后输出至所述单稳态电路单元320。
31.其次，当所述控制端口ctr输入的第一开关控制信号为高电平信号时，经过所述第一反向器u4b 反向后输出低电平信号，通过所述第一分压电阻r4和第二分压电阻r5分压后，第二分压电阻r5 两端的电压远低于三极管vbe两端的压降，使得三极管q1关断，进一步可以使得整个延时控制模组300输出用于关断所述功率半导体开关管的电平信号。
32.进一步地，针对所述单稳态电路单元320，所述定时器u2的触发引脚tri通过第二上拉电阻r2上拉到电压源vdd，当定时器u2的触发引脚tri无输入或者输入为高电平信号时，定时器u2的输出引脚out立即输出低电平信号， 当定时器u2的触发引脚tri的输入由高电平变为低电平时，所述输出引脚out输出高电平信号，所述定时器u2内部的放电管处于关断状态，其放电引脚dis为高电平。实际工作时，所述电源vdd通过所述第三分压电阻r1对所述第二充电电容c2充电，经过预设时间t2（例如t2 ≈1.1r1c2）后，所述第二充电电容c2充电到预设电压阈值(如2/3*vdd）时，所述触发引脚tri的电平信号则由高电平转变为低电平，相应地，所述输出引脚out输出低电平信号并经过所述第三反向器u1a反向后输出至所述与门u5b。
33.最后，所述延时电路单元310的输出（所述第二反向器u1b的输出）以及所述单稳态电路单元320的输出（所述第三反向器u1a的输出）经所述与门u5b 做与运算后，产生相对所述第一开关控制信号（低电平有效）延时所述预设时间t2的第二开关控制信号，用于控制所述功率半导体开关模组200中的功率半导体开关管导通。整个延时控制模组300的电路工作原理可以总结为：所述第一开关控制信号（低电平有效）通过所述延时电路单元310进行处理后输入低电平信号到定时器u2的触发引脚tri，使得单稳态电路单元320开始工作，然后定时器u2的输出引脚out输出t2时间宽度（延时时间）的正向脉冲，经第三反向器u1a反向后，输出t2时间宽度的负向脉冲，再与第二反向器u1b的输出经u5b 做与运算后，产生相对于所述第一开关控制信号延时约t2的第二开关控制信号（如高电平的栅极控制信号）。而当第一开关控制信号为高电平时，所述第二开关控制信号则马上变为低电平，整个开关电路关断，停止工作。
34.其中，所述第一充电电容c1的充电时长，可通过调整所述第一分压电阻r4、所述第二分压电阻r5、以及所述第一充电电容c1的参数进行调整，所述延时时间t2的时间宽度可通过对所述第三分压r1以及所述第二充电电容c2的参数进行调整。
35.其中，所述定时器u2还包括控制引脚con，所述控制引脚con与电容c3的一端连接，所述电容c3的另一端与所述第二充电电容c3连接。
36.在上述内容的基础上，本技术实施例还提供一种电子设备，所述电子设备包括上述的开关电路以及被控对象，所述被控对象与所述开关电路的所述输出端口output电性连接，所述开关电路导通时，从所述输入端口input输入的电信号通过所述输出端口output输入至所述被控对象。
37.综上所述，本技术实施例提供的开关电路及电子设备，可首先通过所述控制端口ctr给予第一开关控制信号，然后通过延时控制模组300延时预设时长后再向所述功率半导体开关模组200的功率半导体开关管施加第二开关控制信号，在所述预设时长内，确保所述继电器110可以处于导通状态，在延时该预设时长后，所述功率半导体开关管可以瞬间导通，使得整个开关电路开始正常工作，使得所述输入端口input以及所述输出端口output导通。如此，可以保证开关电路的开关速度的情况下，进一步确保整个电路的安全性和稳定
性。
38.应当理解，在上述的内容中，除非上下文另有要求，否则，在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”被解释为开放、包含的意思，即为“包含，但不限于”。在说明书的描述中，术语“一些实施例”、“一些示例”或“示例性”等旨在表明与该实施例或示例相关的特定特征、结构、材料或特性包括在本发明的至少一个实施例或示例中。上述术语的示意性表示不一定是指同一实施例或示例。此外，所述的特定特征、结构、材料或特点可以以任何适当方式包括在任何一个或多个实施例或示例中。
39.以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
40.尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
41.显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。