一种直流电源及负载监视保护装置的制作方法

1.本发明涉及电子电路领域，尤其涉及一种直流电源及负载监视保护装置。


背景技术：

2.目前，电子电路应用领域的很多场合都会存在低压直流中短距离供电的需求，尤其是对于供电的稳定性、可用性要求较高的场合，都需要实时对供电的线路、负载端设备的在线情况进行实时监视及异常时的快速保护和恢复。针对这类需求，传统的做法是在负载设备端增加管理ic和回传信号线(或者无线回传)，这种方式需要额外增加传输线材或传输设备，大大增加工程的建设成本，对于已经铺好线路的旧改新工程更是无法满足要求；对于一类使用在电源线上添加交流高频载波的方式来回传信息的方案又存在难以避免的干扰问题。对于这种两线直流供电线的供电、线路监视、负载监视、保护及恢复的迫切需求，如何低干扰、成本低满足上述需求成为该领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种直流电源及负载监视保护装置，其能解决现有技术中实现直流电源线路、负载设备监视、保护及自恢复的成本高以及干扰高的问题。
4.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
5.一种直流电源及负载监视保护装置，包括用于外接电源的供电模块、用于向用电设备提供电能的负载模块、用于驱使供电模块与负载模块之间的线路处于导通和断开其中一种状态的控制开关、用于隔离控制开关和负载模块的隔离模块、用于生成偏置信号和取样信号的偏置模块、用于对取样信号进行分析判断以及生成判断信息的判断模块、用于输出判断信息的输出模块和用于驱使控制开关处于导通和断开其中一种状态的控制模块，所述控制开关包括用于输入电信号的开关输入端、用于输出电信号的开关输出端和用于驱使输入端和输出端处于导通和断开其中一种状态的开关控制端，所述供电模块的输出端与开关输入端连接，所述开关输出端与隔离模块的输入端连接，所述偏置模块的输入端和负载模块的输入端均与隔离模块的输出端连接，所述偏置模块的输出端通过判断模块与输出模块的输入端连接，所述输出模块的输出端通过控制模块与开关控制端连接。
6.优选的，所述供电模块包括电感l1、电容ec24和自恢复保险丝f7，电源通过电感l1与自恢复保险丝f7的一端连接，所述自恢复保险丝f7的另一端和电容ec24的一端均与开关输入端连接，所述电容ec24的另一端接地。
7.优选的，所述隔离模块包括三端稳压器vr4和二极管d33，所述三端稳压器vr4的输入端vin与开关输出端连接，所述三端稳压器vr4的输出端vout与二极管d33的正极连接，所述偏置模块的输入端和负载模块的输入端均与二极管d33的负极连接。所述三端稳压器vr4的接地端gnd接地。
8.优选的，所述负载模块包括瞬态抑制二极管d18、共模电感l8和输出端子p1，所述
共模电感l8的第1端、偏置模块的输入端和隔离模块的输出端均与瞬态抑制二极管d18的负极连接，所述共模电感l8的第3端和第4端均与输出端子p1连接，所述瞬态抑制二极管d18的正极和共模电感l8的第2端均接地。
9.优选的，所述偏置模块包括偏置电源和偏置电路，所述偏置电源包括电阻r1353、稳压二极管dz6和电容ec31，所述电阻r1353的一端与供电模块的输出端连接，所述电阻r1353的另一端、稳压二极管dz6的负极和电容ec31的一端、判断模块的输入端、负载模块的输入端和隔离模块的输出端均与偏置电路连接，所述稳压二极管dz6的正极和电容ec31的另一端接地。
10.优选的，所述偏置模块包括电阻r1353、稳压二极管dz6、电容ec31、电阻r136、电容c68、电容ec29、电阻r150和二极管d21，所述电阻r1353的另一端、稳压二极管dz6的负极和电容ec31的一端均与电阻r136的一端连接，所述负载模块的输入端和隔离模块的输出端均与二极管d21的负极连接，所述二极管d21的正极与电阻r150的一端连接，所述电阻r150的另一端、电阻r136的另一端、电容ec29的一端和电阻r150的一端均与判断模块的输入端连接，所述稳压二极管dz6的正极、电容ec31的另一端和电容ec29的另一端均接地。
11.优选的，所述判断模块包括运算放大器u23a、运算放大器u23b、电容c88、电阻r137、电阻r151、电阻r155、电容ec30和电容c69，所述电阻r1353的另一端、稳压二极管dz6的负极、电容ec31的一端、电容c88的一端和电阻r136的一端均与电阻r137的一端连接，所述运算放大器u23b的反向输入端和电阻r155的一端均与电阻r137的另一端，所述电阻r150的另一端、电阻r136的另一端、电容ec29的一端和电阻r150的一端和运算放大器u23a的反向输入端均与运算放大器u23b的正向输入端连接，所述电阻r155的另一端和运算放大器u23a的正向输入端均与电阻r155的一端连接，所述运算放大器u23a的输出端和运算放大器u23b的输出端均与输出模块连接，电容ec30的一端、电容c69的一端、运算放大器u23a的电源端输入端均与供电模块输出端连接，电容c88的另一端、电容ec30的另一端、电容c69的另一端和运算放大器u23的接地端均接地。
12.优选的，所述输出模块包括第一输出电路和第二输出电路，所述第一输出电路包括发光二极管d25、电阻r153和光电耦合器u27，所述运算放大器u23a的输出端与发光二极管d25的负极连接，所述发光二极管d25的正极通过电阻r153与光电耦合器u27的发射端负极连接，所述光电耦合器u27的发射端正极与供电模块的输出端连接，所述光电耦合器u27的接收端负极接地，所述运算放大器u23b的输出端通过第二输出电路与控制模块连接。
13.优选的，所述第二输出电路包括发光二极管d23、电阻r142和光电耦合器u22，所述运算放大器u23b的输出端与发光二极管d23的负极连接，所述发光二极管d23的正极通过电阻r142与光电耦合器u22的发射端的负极连接，所述光电耦合器u22的发射端的正极与供电模块的输出端，所述光电耦合器u22的接收端负极接地。
14.优选的，所述控制模块包括光电耦合器u32和光电耦合器u33，所述光电耦合器u32的发射端负极与光电耦合器u22的发射端的负极连接，所述光电耦合器u33的发射端的正极和光电耦合器u32的发射端的正极均与供电模块的输出端连接，所述光电耦合器u33的发射端负极与光电耦合器u27的发射端的负极连接，所述光电耦合器u32的接收端正极与开关控制端连接，所述光电耦合器u32的接收端负极与光电耦合器u33的接收端正极连接，所述光电耦合器u33的接收端负极接地。
15.相比现有技术，本发明的有益效果在于：通过供电模块通过控制开关和隔离模块对负载模块的设备进行供电，同时偏置模块对供电线路(隔离模块到负载模块之间)添加偏置监视信号，具体的，通过在低压直流供电线上添加直流偏置信号，再从供电线上进行直流信号的取样、判断和控制直流供电线的控制开关是否持续打开，从而实现对低压二线直流供电线路的状态监视、线路负载端监视和线路的保护/恢复控制，其中监视信号为直流信号，不会对原本直流电源供电质量造成影响，具有无干扰的特点，再结合采样模块和判断模块实时对供电线路及负载实时采样监视，一旦监视到线路出现开路、短路或负载异常就迅速通过控制模块去控制控制开关关断线路，待线路或负载恢复正常时控制开关接通线路，实现对供电模块供电设备的保护和线路的保护，并同时通过输出模块输出线路状态信息，实现与第三方设备的通讯。
附图说明
16.图1为本发明中所述的直流电源及负载监视保护装置结构示意图。
17.图2为本发明中所述的直流电源及负载监视保护装置的电路图。
18.图3为本发明中所述的供电模块的电路图。
19.图4为本发明中所述的控制开关的电路图。
20.图5为本发明中所述的隔离模块的电路图。
21.图6为本发明中所述的负载模块的电路图。
22.图7为本发明中所述的偏置模块的电路图。
23.图8为本发明中所述的判断模块的电路图。
24.图9为本发明中所述的输出模块的电路图。
25.图10为本发明中所述的控制模块的电路图。
具体实施方式
26.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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和简化描述，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
30.如图1
‑
10所示，在本发明中，一种直流电源及负载监视保护装置，包括用于外接电源的供电模块、用于向用电设备提供电能的负载模块、用于驱使供电模块与负载模块之间
的线路处于导通和断开其中一种状态的控制开关、用于隔离控制开关和负载模块的隔离模块、用于生成偏置信号和取样信号的偏置模块、用于对取样信号进行分析判断以及生成判断信息的判断模块、用于输出判断信息的输出模块和用于驱使控制开关处于导通和断开其中一种状态的控制模块，优选的，所述电源为直流电源。具体的，供电模块通过控制开关和隔离模块对负载模块的设备进行供电，同时通过偏置模块对供电线路(隔离模块到负载模块之间)添加偏置监视信号，判断模块实时对供电线路及负载实时采样监视，一旦监视到线路出现开路、短路或负载异常就迅速通过控制模块去控制控制开关关断线路，待线路或负载恢复正常时控制开关接通线路，实现对供电模块供电设备的保护和线路的保护，并同时通过输出模块输出线路状态信息，实现与第三方设备的通讯。
31.具体的，所述控制开关包括用于输入电信号的开关输入端、用于输出电信号的开关输出端和用于驱使输入端和输出端处于导通和断开其中一种状态的开关控制端，所述供电模块的输出端与开关输入端连接，所述开关输出端与隔离模块的输入端连接，所述偏置模块的输入端和负载模块的输入端均与隔离模块的输出端连接，所述偏置模块的输出端通过判断模块与输出模块的输入端连接，所述输出模块的输出端通过控制模块与开关控制端连接。优选的，所述控制开关包括场效应管q12、电容c65和电阻r134，场效应管q12、电容c65和电阻r134组成供电线路的控制开关，具体的，场效应管q12的源极、电容c65的一端和电阻r134的一端均供电模块的输出端连接，所述电容c65的另一端、电阻r134的另一端和控制模块的输出端均与场效应管q12的栅极连接，所述场效应管q12的漏极与隔离模块的输入端连接；在本实施例中，电阻r134为场效应管q12的栅极提供上拉使场效应管q12默认关闭，电容c65为效应管q12的打开作短暂延时，通过控制效应管q12的源极和漏极之间通断来控制直流线路(直流线路是指从供电模块的输出端到负载模块的输入端之间的线路)的通断，从而在出现故障时，可进行热插拔，不放电弧，即插即用。
32.优选的，所述供电模块包括电感l1、电容ec24和自恢复保险丝f7，电源通过电感l1与自恢复保险丝f7的一端连接，所述自恢复保险丝f7的另一端和电容ec24的一端均与开关输入端连接，所述电容ec24的另一端接地。在本实施例中，所述供电模块用于向直流线路输入3－100v范围内的直流电压，电感l1、电容ec24组成lc滤波器，对输入电源进行初步净化，自恢复保险丝f7对整个直流线路进行限流保护。
33.优选的，所述隔离模块包括三端稳压器vr4和二极管d33，所述三端稳压器vr4的输入端vin与开关输出端连接，所述三端稳压器vr4的输出端vout与二极管d33的正极连接，所述偏置模块的输入端和负载模块的输入端均与二极管d33的负极连接。所述三端稳压器vr4的接地端gnd接地。优选的，所述三端稳压器vr4采用78系列的三端稳压器，将来自供电模块的电压进行线性降压后得到一个低于供电模块电压(vin24_1)的新电压u1，通过二极管d33输送到电源线上，此处二极管d33用于隔离电源线上的其他信号电压反向流动。
34.优选的，所述负载模块包括瞬态抑制二极管d18、共模电感l8和输出端子p1，所述共模电感l8的第1端、偏置模块的输入端和隔离模块的输出端均与瞬态抑制二极管d18的负极连接，所述共模电感l8的第3端和第4端均与输出端子p1连接，所述瞬态抑制二极管d18的正极和共模电感l8的第2端均接地。在本实施例中，瞬态抑制二极管d18用于线路浪涌等干扰的瞬态抑制，共模电感l8用于线路共模干扰的抑制，用于保护电路不被来自直流线路上的干扰信号影响。
35.优选的，所述偏置模块包括电阻r1353、稳压二极管dz6、电容ec31、电阻r136、电容c68、电容ec29、电阻r150和二极管d21，所述电阻r1353的另一端、稳压二极管dz6的负极和电容ec31的一端均与电阻r136的一端连接，所述负载模块的输入端和隔离模块的输出端均与二极管d21的负极连接，所述二极管d21的正极与电阻r150的一端连接，所述电阻r150的另一端、电阻r136的另一端、电容ec29的一端和电阻r150的一端均与判断模块的输入端连接，所述稳压二极管dz6的正极、电容ec31的另一端和电容ec29的另一端均接地。优选的，所述电阻r1353、稳压二极管dz6和电容ec31组成偏置电源，电阻r136、电容c68、电容ec29、电阻r150和二极管d21组成偏置电路。在本实施例中，偏置电源将来自供电模块输出端的电压(vin24_1)稳压为u2(u2比u1大3v左右)，电阻r136、电阻r150和二极管d21将u2添加到直流线路上，电阻r136和电阻r150用于限流，电容ec29和电容c68用于电压的滤波，二极管d21限制偏置电压的反流，由于偏置模块加了独立的偏置电源，保证供电线路被关断后线路上还是有偏置监测信号，这就可以实现线路异常关断后的实时自动监测、自动恢复功能。优选的，电阻r136、电容c68、电容ec29、电阻r150和二极管d21还组成取样模块，即取样模块共用偏置模块的偏置电路部分，取样原理为：偏置电源电压u2被偏置到电源线路上后，如果线路开路(负载设备不存在或短线)，线路上的偏置电压无法形成电流回路，则采样电压u3就等于u2；如果线路短路，线路上的偏置电压通过电阻r136、电阻r150、二极管d21对地形成最大电流，由于电阻r136、电阻r150的分压，此时u3最小，约为1/4u2电压；如果线路上接上了负载设备且设备工作正常，线路上的偏置电压会稍微下降(偏置电源电压供电电流小且电压高3v左右，新电压u1供电电流大，电压低3v左右)，约为9/10u2,通过取样回来的电压范围就可以确定线路的状态和负载的状态。
36.优选的，所述判断模块包括运算放大器u23a、运算放大器u23b、电容c88、电阻r137、电阻r151、电阻r155、电容ec30和电容c69，所述电阻r1353的另一端、稳压二极管dz6的负极、电容ec31的一端、电容c88的一端和电阻r136的一端均与电阻r137的一端连接，所述运算放大器u23b的反向输入端和电阻r155的一端均与电阻r137的另一端，所述电阻r150的另一端、电阻r136的另一端、电容ec29的一端和电阻r150的一端和运算放大器u23a的反向输入端均与运算放大器u23b的正向输入端连接，所述电阻r155的另一端和运算放大器u23a的正向输入端均与电阻r155的一端连接，所述运算放大器u23a的输出端和运算放大器u23b的输出端均与输出模块连接，电容ec30的一端、电容c69的一端、运算放大器u23a的电源端输入端均与供电模块输出端连接，电容c88的另一端、电容ec30的另一端、电容c69的另一端和运算放大器u23的接地端均接地。在本实施例中，电阻r137、电阻r151和电阻r155通过分压的方式为运算放大器u23a和运算放大器u23b提供基准电压，基准电压点分别为1/4u2和9/10u2，即向运算放大器u23a的正向输入端输入1/4u2和向运算放大器u23b的反向输入端输入9/10u2，电容ec30、电容c69为旁路电容，起到净化运算放大器电源的作用，采样电压u3分别送入运算放大器u23a的反向输入端和运算放大器u23b的正向输入端，与基准电压1/4u2和9/10u2进行运算，当u3≤1/4u2时，电源线路短路，运算放大器的7脚输出低电压(约为0v)，1脚输出高电压(约为vin24_1)；当1/4u2＜u3≤9/10u2时，线路负载正常，运算放大器的7脚输出低电压(约为0v)，1脚输出低电压(约为0v)；当u3＞9/10u2时,电源线路开路，运算放大器的7脚输出高电压(约为vin24_1)，1脚输出低电压(约为0v)，通过判断模块已经可以把线路的三种状态对应到三组信号电压，可以实现信号的输出及自动控制等(由于线
路偏置信号实时存在，可以实现实时判断线路及负载的情况，包括异常情况发生关断后的线路及负载)。
37.优选的，所述输出模块包括第一输出电路和第二输出电路，所述第一输出电路包括发光二极管d25、电阻r153和光电耦合器u27，所述运算放大器u23a的输出端与发光二极管d25的负极连接，所述发光二极管d25的正极通过电阻r153与光电耦合器u27的发射端负极连接，所述光电耦合器u27的发射端正极与供电模块的输出端连接，所述光电耦合器u27的接收端负极接地，所述运算放大器u23b的输出端通过第二输出电路与控制模块连接。具体的，所述第二输出电路包括发光二极管d23、电阻r142和光电耦合器u22，所述运算放大器u23b的输出端与发光二极管d23的负极连接，所述发光二极管d23的正极通过电阻r142与光电耦合器u22的发射端的负极连接，所述光电耦合器u22的发射端的正极与供电模块的输出端，所述光电耦合器u22的接收端负极接地。在本实施例中，电阻r142、电阻r153用于限流，发光二极管d23、发光二极管d25用于状态指示，光电耦合器u22、光电耦合器u27用于信号电压的转换，用于把高电压的信号转换为低电压的信号送给外部单片机等设备，以使外部设备获得判断模块发出的判断信息。
38.优选的，所述控制模块包括光电耦合器u32和光电耦合器u33，所述光电耦合器u32的发射端负极与光电耦合器u22的发射端的负极连接，所述光电耦合器u33的发射端的正极和光电耦合器u32的发射端的正极均与供电模块的输出端连接，所述光电耦合器u33的发射端负极与光电耦合器u27的发射端的负极连接，所述光电耦合器u32的接收端正极与开关控制端连接，所述光电耦合器u32的接收端负极与光电耦合器u33的接收端正极连接，所述光电耦合器u33的接收端负极接地。在本实施例中，通过二路串接的方式对控制开关的场效应管q12的栅极进行电压拉低操作，只有当判断模块的运算放大器u23b的输出端和运算放大器u23a的输出端都输出低电压时(线路负载正常)，二路串接的光电耦合器才会导通，才能使场效应管q12打开，实现对电源线路持续的供电，其它情况下始终有一路光电耦合器不导通，从而导致场效应管q12关闭，实现对异常电源线路的断电操作，保护供电模块及线路线材。直流线路在续供电后，偏置电源信号也一直存在，二者共用二根电源线，调整合适的电压差保证互不干扰，以实现保护后自恢复。
39.对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。