一种具有高精度过流保护功能的大功率电子开关的制作方法

1.本实用新型涉及电子开关的技术领域，尤其是涉及一种具有高精度过流保护功能的大功率电子开关。


背景技术：

2.机械式开关在开通关断时其触点会受到电弧长期侵蚀作用，随着工作时间变长，开关性能逐渐下降，表现为导通电阻的大幅提升，甚至出现不能关断的现象。
3.电子继电器、固态继电器等采用半导体器件作为开关执行元件的电子开关，在切换状态时无电弧、无触点侵蚀等情况，在许多领域中实现了对机械式开关的取代。但是传统电子开关通常采用pmos管作为开关器件，因此其载流量、功率容量都比较小，所使用的pmos管数量较多，不利于小型化和低成本化设计。
4.除此之外，传统电子开关通常采用检测pmos管导通压降的方法实现过流保护，但由于pmos管导通压降受温度、寄生参数等影响较大，且检测电压等级较低，因此难以实现较为精确的过流保护。而且，传统电子开关当发生pmos管击穿现象时，不具备击穿保护功能，会导致负载长期处于工作回路中进而被损坏。


技术实现要素：

5.本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种具有高精度过流保护功能的大功率电子开关，在提供较大功率容量的同时，使用数量较少的半导体器件，尺寸及成本具有明显优势，并同时具备高精度过流保护功能以及击穿保护功能，比传统pmos管电子开关工作更加稳定。
6.为实现上述目的，本实用新型的具有高精度过流保护功能的大功率电子开关的具体技术方案如下：
7.一种具有高精度过流保护功能的大功率电子开关，包括电子开关，所述电子开关包括高精度过流保护电路、保险丝组、nmos管组、击穿保护电路、升压电源、驱动电路以及mcu微控器，所述电子开关具有4个引脚，4个引脚分别为sgin引脚、vin引脚、vo引脚、gnd引脚；
8.其中，vin引脚连接至蓄电池bat的正极，gnd引脚连接至蓄电池bat的负极，vo引脚连接至负载load的一端，负载load的另一端同样连接至蓄电池bat的负极，sgin引脚连接至外部控制信号。
9.进一步，所述高精度过流保护电路包括分流器r1、分流器r2、分流器r3、分流器r4、分流器r5、分流器r6、分流监测计csa1、下拉电阻r7、限流电阻r8、稳压管z1、滤波电容c1；
10.分流器r1、分流器r2、分流器r3、分流器r4、分流器r5以及分流器r6的一端短接在一起并连接至分流监测计csa1的正极输入；
11.分流器r1、分流器r2、分流器r3、分流器r4、分流器r5以及分流器r6的另一端短接在一起并连接至分流监测计csa1的负极输入，同时连接至保险丝组的输入端；
12.分流监测计csa1的输出端分别经下拉电阻r7、限流电阻r8连接至gnd引脚、mcu微控器的2管脚；
13.稳压管z1的一端与滤波电容c1的一端短接并连接至mcu微控器的2管脚；
14.稳压管z1的另一端与滤波电容c1的另一端短接并连接gnd引脚。
15.进一步，所述保险丝组包括保险丝fu1、保险丝fu2、保险丝fu3、保险丝fu4、保险丝fu5、保险丝fu6；
16.保险丝fu1、保险丝fu2、保险丝fu3、保险丝fu4、保险丝fu5以及保险丝fu6的一端短接在一起，作为保险丝组的输入端与高精度过流保护电路相连；
17.保险丝fu1、保险丝fu2、保险丝fu3、保险丝fu4、保险丝fu5以及保险丝fu6的另一端短接在一起，作为保险丝组的输出端，连接至nmos管组的输入端。
18.进一步，所述nmos管组包括nmos管s1和nmos管s2；
19.nmos管s1和nmos管s2的漏极短接在一起，作为nmos管组的输入端与保险丝组相连；
20.nmos管s1和nmos管s2的源极短接在一起连接至vo引脚；
21.nmos管s1和nmos管s2的栅极短接在一起，并连接至驱动电路的输出端。
22.进一步，所述击穿保护电路包括nmos管s3和驱动电阻r9；
23.nmos管s3的漏极连接至vo引脚，nmos管s3的源极连接至gnd引脚，nmos管s3的栅极经驱动电阻r9连接至mcu微控器的5管脚。
24.进一步，所述升压电源包括升压电感l1、升压二极管d1、nmos管s4、驱动电阻r10、输出电容c2；
25.升压电感l1的一端连接至vin引脚，升压电感l1的另一端连接至升压二极管d1的阳极；
26.升压电感l1与升压二极管d1的公共端连接至nmos管s4的漏极；
27.nmos管s4的栅极经驱动电阻r10连接至mcu微控器的3管脚；
28.升压二极管d1的阴极连接至输出电容c2的一端，输出电容c2的另一端连接至gnd引脚；
29.升压二极管d1与输出电容c2的公共端连接至驱动电路的输出端。
30.进一步，所述驱动电路包括光耦oc1、稳压管z2、限流电阻r11、限流电阻r12；
31.光耦oc1的阳极连接至mcu微控器的5管脚，光耦oc1的阴极经限流电阻r11连接至gnd引脚；
32.光耦oc1的集电极与稳压管z2的阴极短接作为驱动电路的输出端，分别与nmos管组、升压电源相连；
33.光耦oc1的发射极与稳压管z2的阳极短接后与vo引脚相连，并经限流电阻r12连接至gnd引脚。
34.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
35.本实用新型的一种具有高精度过流保护功能的大功率电子开关，其高精度过流保护电路采用分流器及分流检测计结构为电子开关提供了高精度的过流保护功能；保险丝组及击穿保护电路共同为电子开关提供了击穿保护功能；nmos管组的使用提高了电子开关功率容量，并减小了尺寸与成本；升压电源及驱动电路共同实现了对nmos管组的驱动。
附图说明
36.图1为本实用新型一种具有高精度过流保护功能的大功率电子开关的电路图；
37.图中标记说明：1、电子开关；2、高精度过流保护电路；3、保险丝组；4、nmos管组；5、击穿保护电路；6、升压电源；7、驱动电路。
具体实施方式
38.为了更好地了解本实用新型的目的、结构及功能，下面结合附图和具体较佳实施方式，对本实用新型一种具有高精度过流保护功能的大功率电子开关做进一步详细的描述。
39.实施例1：
40.请参阅图1，本实用新型提供一种技术方案：一种具有高精度过流保护功能的大功率电子开关，包括电子开关1，所述电子开关1包括高精度过流保护电路2、保险丝组3、nmos管组4、击穿保护电路5、升压电源6、驱动电路7以及mcu微控器，所述电子开关1具有4个引脚，4个引脚分别为sgin引脚、vin引脚、vo引脚、gnd引脚；
41.其中，vin引脚连接至蓄电池bat的正极，gnd引脚连接至蓄电池bat的负极，vo引脚连接至负载load的一端，负载load的另一端同样连接至蓄电池bat的负极，sgin引脚连接至外部控制信号；
42.电子开关1在外部控制信号控制下，进行导通与关断，在vo引脚处实现输出与停止，从而实现控制负载load是否接入工作回路的功能。
43.进一步，所述高精度过流保护电路2包括分流器r1、分流器r2、分流器r3、分流器r4、分流器r5、分流器r6、分流监测计csa1、下拉电阻r7、限流电阻r8、稳压管z1、滤波电容c1；
44.分流器r1、分流器r2、分流器r3、分流器r4、分流器r5以及分流器r6的一端短接在一起并连接至分流监测计csa1的正极输入；
45.分流器r1、分流器r2、分流器r3、分流器r4、分流器r5以及分流器r6的另一端短接在一起并连接至分流监测计csa1的负极输入，同时连接至保险丝组3的输入端；
46.分流监测计csa1的输出端分别经下拉电阻r7、限流电阻r8连接至gnd引脚、mcu微控器的2管脚；
47.稳压管z1的一端与滤波电容c1的一端短接并连接至mcu微控器的2管脚；
48.稳压管z1的另一端与滤波电容c1的另一端短接并连接gnd引脚；
49.分流器两端电压与电流呈线性关系，分流监测计csa1放大后，mcu微控器可根据2管脚处电压值精确计算电流大小，从而实现高精度的过流保护功能。当nmos管组4关断时，分流监测计csa1输出电压将超过mcu微控器承受能力，此时限流电阻r8，稳压管z1共同构成的稳压电路可将mcu微控器管脚电压钳位至较低水平，避免mcu微控器的损坏。
50.进一步，所述保险丝组3包括保险丝fu1、保险丝fu2、保险丝fu3、保险丝fu4、保险丝fu5、保险丝fu6；
51.保险丝fu1、保险丝fu2、保险丝fu3、保险丝fu4、保险丝fu5以及保险丝fu6的一端短接在一起，作为保险丝组3的输入端与高精度过流保护电路2相连；
52.保险丝fu1、保险丝fu2、保险丝fu3、保险丝fu4、保险丝fu5以及保险丝fu6的另一
端短接在一起，作为保险丝组3的输出端，连接至nmos管组4的输入端；当流过电流超过保险丝组3的容量上限时，则其熔断从而实现对负载load的保护。
53.进一步，所述nmos管组4包括nmos管s1和nmos管s2；
54.nmos管s1和nmos管s2的漏极短接在一起，作为nmos管组4的输入端与保险丝组3相连；
55.nmos管s1和nmos管s2的源极短接在一起连接至vo引脚；
56.nmos管s1和nmos管s2的栅极短接在一起，并连接至驱动电路7的输出端；
57.nmos管容量大、导通压降低，采用2颗并联形式即可满足大功率要求。
58.进一步，所述击穿保护电路5包括nmos管s3和驱动电阻r9；
59.nmos管s3的漏极连接至vo引脚，nmos管s3的源极连接至gnd引脚，nmos管s3的栅极经驱动电阻r9连接至mcu微控器的5管脚；
60.电子开关1关断时，如若高精度过流保护电路2检测到电流流过，则说明出现了mos管击穿情况；此时mcu微控器在5管脚输出高电平，驱动nmos管s3导通，产生短暂的大电流使保险丝组3熔断，从而实现击穿保护功能。
61.进一步，所述升压电源6包括升压电感l1、升压二极管d1、nmos管s4、驱动电阻r10、输出电容c2；
62.升压电感l1的一端连接至vin引脚，升压电感l1的另一端连接至升压二极管d1的阳极；
63.升压电感l1与升压二极管d1的公共端连接至nmos管s4的漏极；
64.nmos管s4的栅极经驱动电阻r10连接至mcu微控器的3管脚；
65.升压二极管d1的阴极连接至输出电容c2的一端，输出电容c2的另一端连接至gnd引脚；
66.升压二极管d1与输出电容c2的公共端连接至驱动电路7的输出端；
67.mcu微控器在3管脚输出高频pwm信号，驱动nmos管s4导通与关断，构成boost电路；此时输出电容c2电压将远高于vin电压，因此可作为nmos管组4的驱动电源。
68.进一步，所述驱动电路7包括光耦oc1、稳压管z2、限流电阻r11、限流电阻r12；
69.光耦oc1的阳极连接至mcu微控器的5管脚，光耦oc1的阴极经限流电阻r11连接至gnd引脚；
70.光耦oc1的集电极与稳压管z2的阴极短接作为驱动电路7的输出端，分别与nmos管组4、升压电源6相连；
71.光耦oc1的发射极与稳压管z2的阳极短接后与vo引脚相连，并经限流电阻r12连接至gnd引脚；
72.当mcu微控器sgin接收到开启信号时，在4管脚输出低电平使光耦oc1关闭，此时升压电源6产生的高压经稳压管z2钳位后，在nmos管组4栅源之间产生稳定的驱动电压，从而使电子开关导通；当mcu微控器sgin接收到关闭信号时，在4管脚输出高电平使光耦oc1导通，此时nmos管组4栅源电压钳位至零，从而使电子开关关断。
73.工作原理：
74.本实用新型提供了一种具有高精度过流保护功能的大功率电子开关，包括：高精度过流保护电路2，保险丝组3，nmos管组4、击穿保护电路5、升压电源6、驱动电路7、mcu微控
器。
75.所述高精度过流保护电路2包括并不限于：分流器r1、r2、r3、r4、r5、r6，分流监测计csa1，下拉电阻r7，限流电阻r8，稳压管z1，滤波电容c1。主功率回路中采用分流器压降作为过流保护判断依据，并使用分流检测计进行线性比例放大，因此过流保护精度远高于传统电子开关。
76.所述保险丝组3包括并不限于：保险丝fu1、fu2、fu3、fu4、fu5、fu6。保险丝组的添加可有效解决mos管击穿导致的负载不能脱离工作回路情况，当检测到mos管击穿时，迅速熔断保险丝组，可使负载快速脱离工作回路，从而实现击穿保护，进而提高电子开关工作的可靠性。
77.所述nmos管组4包括并不限于：nmos管s1、s2。对于电子开关所选用的半导体器件，由于nmos管相比pmos管通常有着更低的导通阻抗、更高的功率容量以及更低的成本，因此选用nmos管作为开关器件时，所使用的nmos管数量少，功率容量大、尺寸小、成本低。
78.所述击穿保护电路5包括并不限于：nmos管s3、驱动电阻r9。mos管击穿时，通过开始击穿保护电路，使保险组上瞬时通过较大电流，从而使其熔断，实现击穿保护。可提供传统电子开关不具备的击穿保护功能。
79.所述升压电源6包括并不限于：升压电感l1，升压二极管d1，nmos管s4，驱动电阻r10，输出电容c2。由于采用nmos作为开关器件，当其导通时所需栅极电压高于外部供电电压，因此通过升压电源产生高压从而为nmos管驱动提供条件。
80.所述驱动电路7包括并不限于：光耦oc1，稳压管z2，限流电阻r11、r12。nmos管与系统浮地，采用光耦提供不同电位接地，从而实现nmos管的驱动。
81.可以理解，本实用新型是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本实用新型的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本实用新型的精神和范围。因此，本实用新型不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本实用新型所保护的范围内。