直流驱动保护电路、装置及风扇的制作方法

1.本发明涉及电力电子设备领域，特别涉及一种直流驱动保护电路、装置及风扇。


背景技术：

2.随着经济的发展，各种电力电子设备已经成为各行业的常用设备。现有的电力电子设备中，一般采用直流风扇进行风冷散热，对应的，需要设计直流风扇的驱动电路。给这种直流驱动电路提供保护的方式包括借助辅助电源的短路保护功能，以及在驱动电路中增加过流过压保护功能。
3.但目前在驱动电路中增加过流过压保护功能的方式中，要求风扇上电运行时，立即同步触发保护功能，这就存在容易导致风扇无法正常启动的问题。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于：提供一种直流驱动保护电路、装置及风扇，旨在解决现有技术中直流负载驱动电路的保护功能容易导致负载无法正常启动的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.第一方面，本发明提出一种直流驱动保护电路，所述电路的输入端与控制器连接，输出端与负载连接，所述电路包括：
7.驱动模块，分别与所述驱动模块连接的开关模块和保护触发模块，以及与所述保护触发模块连接的稳压保护模块；所述驱动模块与所述控制器连接，所述开关模块和所述稳压保护模块分别与所述负载连接；其中，
8.所述驱动模块，用于接收所述控制器发送的负载驱动信号，并根据所述负载驱动信号使能，输出驱动信号；
9.所述开关模块，用于根据所述驱动信号控制负载工作；
10.所述保护触发模块，用于根据所述驱动信号使能，输出保护触发信号；
11.所述稳压保护模块，用于根据所述保护触发信号进行稳压保护。
12.可选地，上述直流驱动保护电路中，所述电路还包括过流保护模块，所述过流保护模块分别与所述驱动模块和所述开关模块连接；
13.所述过流保护模块，用于根据所述驱动信号控制所述开关模块导通或关断，进行过流保护。
14.可选地，上述直流驱动保护电路中，所述电路还包括过压保护模块，所述过压保护模块分别与所述驱动模块和所述保护触发模块连接；
15.所述过压保护模块，用于根据所述驱动信号控制所述保护触发模块使能，进行过压保护。
16.可选地，上述直流驱动保护电路中，所述驱动模块包括光电耦合器u1；
17.所述光电耦合器u1的第一输入端与电源连接，并通过电阻r1与第二输入端连接，所述第二输入端通过电阻r2与所述控制器连接；所述光电耦合器u1的第一输出端通过电阻
r3与电源连接，第二输出端通过并联的电容c1和电阻r4接地，所述第二输出端还通过电阻r5与所述开关模块连接。
18.可选地，上述直流驱动保护电路中，所述开关模块包括场效应管q2；
19.所述场效应管q2的漏极与所述负载连接，栅极与所述驱动模块连接，源极接地。
20.可选地，上述直流驱动保护电路中，所述保护触发模块包括场效应管q1；
21.所述场效应管q1的漏极通过电阻r6与所述稳压保护模块连接，栅极与所述驱动模块连接，源极通过电阻r7接地。
22.可选地，上述直流驱动保护电路中，所述过流保护模块包括三极管q4；
23.所述三极管q4的集电极与所述驱动模块连接，基极通过电阻r9和电容c3构成的延时电路分别与所述开关模块和采样电路连接，发射极接地；所述采样电路包括并联的采样电阻r10和电容c4。
24.可选地，上述直流驱动保护电路中，所述过压保护模块包括三极管q3；
25.所述三极管q3的集电极与所述驱动模块连接，基极通过电阻r8和电容c2构成的延时电路与所述保护触发模块连接，发射极接地。
26.第二方面，本发明还提出一种直流驱动保护装置，所述装置包括：
27.如上述的直流驱动保护电路；
28.给所述直流驱动保护电路提供工作电压和供电电压的电源。
29.第三方面，本发明还提出一种风扇，所述风扇包括：
30.控制器；
31.设置有如上述的直流驱动保护电路的电路板。
32.本发明提供的上述一个或多个技术方案，可以具有如下优点或至少实现了如下技术效果：
33.本发明提出的一种直流驱动保护电路、装置及风扇，通过采用驱动模块接收控制器发送的负载驱动信号并使能，输出驱动信号给开关模块，控制负载工作，实现负载驱动；还通过采用保护触发模块根据驱动信号使能，输出保护触发信号给稳压保护模块，进行稳压保护，实现在负载驱动信号使能后触发本地保护；本发明的电路兼顾负载驱动和本地保护双重功能，可满足负载运行后再开启保护功能的应用需求，避免了设备上电时保护功能立即触发而导致的负载无法启动等误动作。
附图说明
34.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示出的结构获得其他的附图。
35.图1为本发明直流驱动保护电路第一实施例的连接示意图；
36.图2为本发明直流驱动保护电路的电路原理图；
37.图3为本发明直流驱动保护电路第二实施例的连接示意图。
38.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
39.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.需要说明，在本发明实施例中，所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变，则该方向性指示也相应地随之改变。
41.在本发明中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的装置或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种装置或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的装置或者系统中还存在另外的相同要素。另外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，也可以是两个元件的相互作用关系。
42.在本发明中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。另外，各个实施例的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
43.对现有技术进行分析发现，现有的电力电子设备中，多采用igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)模块进行能量变换，igbt模块高损耗会导致过热，一般采用直流风扇进行风冷散热，对应的，需要设计直流风扇的驱动电路。
44.现有的无转速反馈的直流风扇驱动电路，设计时多以满足风扇驱动能力为基础，设计比较简单，只能满足基本功能，不能兼顾风扇本地保护功能。但实际中，难免会出现风扇故障的情况，需要给这种直流驱动电路提供保护，传统的方式是利用独立于该直流驱动电路的辅助电源的短路保护功能提供保护，这种方式存在的问题是，当风扇出现故障时，辅助电源的短路保护功能启动，同时，依附于该短路保护功能的其他驱动电路也会受到影响，而且，辅助电源的短路保护功能是立即触发的，没有故障反应时间，导致故障影响范围较大。
45.目前，针对驱动电路加入保护功能的现有技术中，有只加入过流保护功能提供保护的方式，这种方式存在的问题是，无法实现对场效应管的漏源电压的过压保护，容易造成场效应管损坏，保护能力不足；有加入过流过压保护功能提供保护的方式，这种方式存在的问题是，要求风扇上电运行时，立即同步触发保护功能，这就存在容易导致风扇无法正常启动的问题。
46.鉴于现有技术中直流负载驱动电路的保护功能容易导致负载无法正常启动的技术问题，本发明提供了一种直流驱动保护电路，总体思路如下：
47.所述电路的输入端与控制器连接，输出端与负载连接，所述电路包括驱动模块，分别与所述驱动模块连接的开关模块和保护触发模块，以及与所述保护触发模块连接的稳压保护模块；所述驱动模块与所述控制器连接，所述开关模块和所述稳压保护模块分别与所述负载连接；其中，所述驱动模块，用于接收所述控制器发送的负载驱动信号，并根据所述负载驱动信号使能，输出驱动信号；所述开关模块，用于根据所述驱动信号控制负载工作；所述保护触发模块，用于根据所述驱动信号使能，输出保护触发信号；所述稳压保护模块，用于根据所述保护触发信号进行稳压保护。
48.通过上述技术方案，采用驱动模块接收控制器发送的负载驱动信号并使能，输出驱动信号给开关模块，控制负载工作，实现负载驱动；还通过采用保护触发模块根据驱动信号使能，输出保护触发信号给稳压保护模块，进行稳压保护，实现在负载驱动信号使能后触发本地保护；本发明的电路兼顾负载驱动和本地保护双重功能，可满足负载运行后再开启保护功能的应用需求，避免了设备上电时保护功能立即触发而导致的负载无法启动等误动作。
49.实施例一
50.参照图1至图2，图1为本发明直流驱动保护电路第一实施例的连接示意图，图2为本发明直流驱动保护电路的电路原理图；本实施例提出一种直流驱动保护电路。所述电路的输入端与控制器连接，输出端与负载连接。所述电路包括：
51.驱动模块，分别与所述驱动模块连接的开关模块和保护触发模块，以及与所述保护触发模块连接的稳压保护模块；所述驱动模块与所述控制器连接，所述开关模块和所述稳压保护模块分别与所述负载连接；其中，
52.所述驱动模块，用于接收所述控制器发送的负载驱动信号，并根据所述负载驱动信号使能，输出驱动信号；
53.所述开关模块，用于根据所述驱动信号控制负载工作；
54.所述保护触发模块，用于根据所述驱动信号使能，输出保护触发信号；
55.所述稳压保护模块，用于根据所述保护触发信号进行稳压保护。
56.具体的，所述控制器可以是负载对应的控制装置或控制面板、嵌入式处理器等等，可以发送负载驱动信号的设备。负载可以是直流电压驱动控制的负载，比如直流电动机、直流风扇等等。本实施例以直流风扇为负载进行详细说明。
57.具体的，如图2所示，所述驱动模块包括光电耦合器u1；
58.所述光电耦合器u1的第一输入端与电源连接，并通过电阻r1与第二输入端连接，所述第二输入端通过电阻r2与所述控制器连接；所述光电耦合器u1的第一输出端通过电阻r3与电源连接，第二输出端通过并联的电容c1和电阻r4接地，所述第二输出端还通过电阻r5与所述开关模块连接。
59.本实施例中，光电耦合器u1的第一输入端与电源连接，电源提供 5v工作电压，第一输入端还通过电阻r1与第二输入端连接，第二输入端通过电阻r2与控制器连接，接收控制器发送的负载驱动信号，即风扇驱动信号；光电耦合器u1的第一输出端通过电阻r3与电源连接，电源提供 24v供电电压，第二输出端通过并联的电容c1和电阻r4接地，还通过电阻r5与开关模块连接，需要说明，该电阻r5的阻值可以根据实际情况设定。
60.具体的，如图2所示，所述开关模块包括场效应管q2；
61.所述场效应管q2的漏极与所述负载连接，栅极与所述驱动模块连接，源极接地。
62.本实施例中，场效应管q2的漏极与负载连接，即与风扇的一端连接，栅极与驱动模块连接，具体通过所述电阻r5与驱动模块中光电耦合器u1的第二输出端连接，源极接地。
63.具体的，如图2所示，所述保护触发模块包括场效应管q1；
64.所述场效应管q1的漏极通过电阻r6与所述稳压保护模块连接，栅极与所述驱动模块连接，源极通过电阻r7接地。
65.本实施例中，场效应管q1和场效应管q2均采用n沟道mosfet管，场效应管q1的漏极通过电阻r6与稳压保护模块连接，栅极与驱动模块连接，具体与驱动模块中光电耦合器u1的第二输出端连接，源极通过电阻r7接地。
66.具体的，如图2所示，所述稳压保护模块包括稳压二极管d1；
67.所述稳压二极管d1的一端与所述保护触发模块连接，另一端与负载连接。所述负载与电源连接。
68.本实施例中，稳压二极管d1的一端与保护触发模块连接，具体通过所述电阻r6与所述场效应管q1的漏极连接，另一端与负载连接，具体与风扇的另一端连接，该风扇的另一端还与电源连接，电源给风扇提供 24v供电电压。
69.正常工作时，负载驱动信号使能后，光电耦合器u1副边导通，通过电阻r3、r4分压，驱动场效应管q2导通，为负载驱动提供电流通道，负载开始运行。同时，驱动场效应管q1导通，为稳压二极管d1提供工作电流通道。当负载故障时，场效应管q1的漏源极过压，触发稳压保护，即稳压二极管d1过压击穿，对场效应管q2封管，实现故障状态下的场效应管漏源过压保护。
70.若设备上电后，负载驱动信号未使能，负载两端没有压降，而是接近 24v供电电压，此电位高于稳压二极管d1的击穿电压值。为了避免在负载驱动信号未使能时，保护功能被触发，进入保护状态，使场效应管q2封管，从而导致负载不能正常启动的情况发生，因此加入场效应管q1，增加一级保护功能触发电路，也就是保护触发模块。这样，只有在负载驱动信号使能后，光电耦合器u1副边导通，驱动场效应管q1导通，保护功能才会被触发，可避免设备上电后电路保护即被误触发，导致负载不能正常启动的情况发生。
71.由于mosfet是电压型驱动器件，输入阻抗很大，驱动电流非常小，所述电路在正常工作时，r5上压降非常小，此时，场效应管q1和q2的驱动电压几乎相同，该驱动电压的计算式为：
[0072][0073]
因此，在具体实施过程中，可以具体设置r3和r4的值，以此来满足场效应管q1和q2的驱动电压的要求。
[0074]
另外，为了使保护电路处于持续保护状态，可以让场效应管q1保持持续导通，具体可以通过设置电阻r5的阻值，来使场效应管q1的驱动电压持续满足驱动要求，从而使保护电路持续保护。此时，场效应管q1的驱动电压的计算式为：
[0075]
[0076]
因此，在具体实施过程中，还可以具体设置r5的值，以此来满足场效应管q1的驱动电压的要求，使场效应管q1保持持续导通。
[0077]
通过在驱动模块中加入电阻r5，并合理设置其阻值，可以保证电路保护被触发后，场效应管q1的驱动电压持续满足驱动要求，使保护电路持续触发，设备可靠工作。
[0078]
本实施例提供的直流驱动保护电路，通过采用驱动模块接收控制器发送的负载驱动信号并使能，输出驱动信号给开关模块，控制负载工作，实现负载驱动；还通过采用保护触发模块根据驱动信号使能，输出保护触发信号给稳压保护模块，进行稳压保护，实现在负载驱动信号使能后触发本地保护；本发明的电路兼顾负载驱动和本地保护双重功能，可满足负载运行后再开启保护功能的应用需求，避免了设备上电时保护功能立即触发而导致的负载无法启动等误动作。在兼顾负载驱动和本地保护双重功能的同时，实现了负载运行后再开启保护功能的效果。
[0079]
实施例二
[0080]
参照图2和图3，图3为本发明直流驱动保护电路第二实施例的连接示意图；在实施例一的基础上，本实施例继续提出一种直流驱动保护电路。
[0081]
进一步地，所述电路还包括过流保护模块，所述过流保护模块分别与所述驱动模块和所述开关模块连接；
[0082]
所述过流保护模块，用于根据所述驱动信号控制所述开关模块导通或关断，进行过流保护。
[0083]
具体的，如图2所示，所述过流保护模块包括三极管q4；
[0084]
所述三极管q4的集电极与所述驱动模块连接，基极通过电阻r9和电容c3构成的延时电路分别与所述开关模块和采样电路连接，发射极接地；所述采样电路包括并联的采样电阻r10和电容c4。
[0085]
本实施例中，三极管q4的集电极与驱动模块连接，具体通过所述电阻r5与驱动模块中光电耦合器u1的第二输出端连接，基极通过电阻r9和电容c3构成的rc延时电路分别与开关模块和采样电路连接，具体与开关模块中场效应管q2的源极连接，发射极接地，具体的，采样电路包括并联的采样电阻r10和电容c4。
[0086]
更进一步地，所述电路还包括过压保护模块，所述过压保护模块分别与所述驱动模块和所述保护触发模块连接；
[0087]
所述过压保护模块，用于根据所述驱动信号控制所述保护触发模块使能，进行过压保护。
[0088]
具体的，如图2所示，所述过压保护模块包括三极管q3；
[0089]
所述三极管q3的集电极与所述驱动模块连接，基极通过电阻r8和电容c2构成的延时电路与所述保护触发模块连接，发射极接地。
[0090]
本实施例中，三极管q3和q4均采用npn型三极管；三极管q3的集电极与驱动模块连接，具体通过所述电阻r5与驱动模块中光电耦合器u1的第二输出端连接，基极通过电阻r8和电容c2构成的rc延时电路与保护触发模块连接，具体与保护触发模块中场效应管q1的源极连接，发射极接地。
[0091]
在三极管q3的基极加入rc延时电路，可以避免风扇驱动信号被使能后，风扇还未启动，过压保护模块便被误触发的情况发生。
[0092]
本实施例中，负载两端还并联有一个续流二极管d2，消除直流回路中因电感负载两端电压、电流突变引起的反向电压，保护开关模块的场效应管q2不被击穿或烧坏。
[0093]
本实施例中，正常工作时，风扇驱动信号使能后，光电耦合器u1副边导通，通过电阻r3、r4分压，驱动场效应管q2导通，为风扇驱动提供电流通道，风扇开始运行。同时，驱动场效应管q1导通，为稳压二极管d1提供工作电流通道。当风扇故障时，便可以触发稳压保护，对场效应管q2封管。
[0094]
在风扇运行过程中，场效应管q2呈导通状态，当电路中电流超过预设电流值时，采样电阻r10采样到两端电压上升，且超过三极管q4基极和发射极之间的电压v
be
，三极管q4产生可靠的基极电流，三极管q4导通，将驱动模块输出的驱动信号拉低，使得场效应管q2关断，如此，便实现了过流保护。
[0095]
考虑到仅仅添加过流保护模块可能会因为三极管q4导通与场效应管q2关断形成一种动态平衡状态，即场效应管q2不能完全关断。虽然电流不大，但高阻抗仍容易导致场效应管q2的漏源电压v
ce
过高，损耗依然很大，容易烧坏场效应管q2。因此，为了使场效应管q2可靠关断，加入过压保护模块，作为过压保护支路。那么，当场效应管q2的漏源电压v
ce
超过一定值时，会击穿稳压二极管d1，产生动态电流，从而使得三极管q3导通，直接将输入到场效应管q2的驱动信号拉低，场效应管q2关断。如此，通过过流保护模块和过压保护模块，实现了对风扇故障状态时的双重保护，而且这种保护属于本地保护机制，不会对其它电路造成影响。这种双重保护机制，实现了使场效应管可靠关断的效果。
[0096]
若设备上电后，风扇驱动信号未使能，风扇两端没有压降，而是接近 24v供电电压，此电位高于稳压二极管d1的击穿电压值。为了避免在风扇驱动信号未使能时，过压保护功能被触发，进入保护状态，使场效应管q2封管，从而导致风扇不能正常启动的情况发生，因此加入场效应管q1，增加一级保护功能触发电路，也就是保护触发模块。这样，只有在风扇驱动信号使能后，光电耦合器u1副边导通，驱动场效应管q1导通，保护功能才会被触发，也就是过压保护支路才会被使能。如此，可避免设备上电后电路保护即被误触发，导致风扇不能正常启动的情况发生。
[0097]
由于mosfet是电压型驱动器件，输入阻抗很大，驱动电流非常小，所述电路在正常工作时，r5上压降非常小，此时，场效应管q1和q2的驱动电压几乎相同，该驱动电压的计算式为：
[0098][0099]
因此，在具体实施过程中，可以具体设置r3和r4的值，以此来满足场效应管q1和q2的驱动电压的要求。
[0100]
由前述可知，电路的保护功能被触发后，电路中三极管q3、q4会被导通，场效应管q2的驱动信号被直接拉低至低电平，但此时场效应管q1还需要继续保持导通，才能使保护电路处于持续保护状态。要使场效应管q1保持持续导通，可以通过设置电阻r5的阻值，来使场效应管q1的驱动电压持续满足驱动要求，从而使保护电路持续保护。本实施例中，场效应管q1的驱动电压的计算式为：
[0101][0102]
因此，在具体实施过程中，还可以具体设置r5的值，以此来满足场效应管q1的驱动电压的要求，使场效应管q1保持持续导通。
[0103]
设备正常上电，风扇驱动信号被使能后，场效应管q1、q2的驱动电压一样，两个mosfet导通速度几乎相同，而稳压二极管d1击穿速度很快，仍可能存在过压保护模块被快速触发的可能，即存在风扇不能正常启动的可能。为了避免上述情况发生，在三极管q3的基极加入了rc延时电路，对保护触发信号进行延时，让场效应管q2导通后迅速将漏源电压v
ce
拉低，从而保证过压保护支路，即过压保护模块不被触发，风扇可以正常启动。
[0104]
本实施例提供的直流驱动保护电路，兼顾风扇驱动和保护的双重功能，可以实现对风扇故障的本地保护，相比较传统保护方式，不再因借助于辅助电源触发保护功能而影响其它电路工作，可减小故障影响范围，同时，可以满足风扇运行后再开启保护功能的需求，避免设备上电保护功能即触发而导致的误动作。
[0105]
本实施例可以直接在现有的负载驱动电路上进行升级优化，实现对负载短路、过流和过压等多重保护，这种多重保护机制，不仅可以减小故障影响范围，还可以避免保护误触发导致负载无法正常启动的情况发生。
[0106]
实施例三
[0107]
本实施例提出一种直流驱动保护装置，该装置可以包括：
[0108]
直流驱动保护电路；
[0109]
给所述直流驱动保护电路提供工作电压和供电电压的电源。
[0110]
需要说明，该直流驱动保护电路的具体结构参照上述实施例，由于本实施例采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
[0111]
实施例四
[0112]
本实施例提出一种风扇，该风扇为直流风扇，可以包括：
[0113]
控制器；
[0114]
设置有直流驱动保护电路的电路板；
[0115]
控制器根据用户输入的控制指令生成风扇驱动信号，并将所述风扇驱动信号发送给所述电路板，以实现驱动风扇工作，以及在风扇运行后触发本地保护功能，即短路、过压和过流保护功能。
[0116]
需要说明，该直流驱动保护电路的具体结构参照上述实施例，由于本实施例采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
[0117]
需要说明的是，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。