CN110086162B - 具有自检互锁抗干扰功能的直流电源防反接电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有自检互锁抗干扰功能的直流电源防反接电路。该电路在直流电源反接时，第一分压单元和第二分压单元两端没有电势差，第一分压端和第二分压端上都没有电压信号，可控开关单元无法导通，加载在直流输出端上的正极输入信号无法接入电路回路中，电路中接入的负载无法工作；在直流电源正接时，只要从直流输入端分压得到的第一分压端的电压信号，和从开关电源的输出端分压得到的第二分压端的电压信号，这两个电压信号中任一个能够达到可控开关单元的开启电压就能够实现可控开关单元的导通。通过本发明，解决了基于可控开关单元的直流电源防反接电路因电压波动而可靠性低的问题，提高了直流电源防反接电路的可靠性。

Description

具有自检互锁抗干扰功能的直流电源防反接电路

技术领域

本发明涉及电源领域，具体而言，涉及一种具有自检互锁抗干扰功能的直流电源防反接电路。

背景技术

随着直流电器产品的需求持续增长，基于直流电源的空调电器产品也逐步被创新开发。但是相对于交流输入电源来说，直流属于电源必须区分输入电源的极性，以防止输入电源极性反接导致空调控制器烧毁甚至炸裂。

针对上述问题，相关技术中一般采用下列的解决方案：

图1是基于二极管的直流电源防反接电路，该电路是通过一个普通的单极性二极管，通过二极管的单向导通特性来实现电路防反。这种接入方法简单可靠，但是输入电流较大时，二极管的损耗大，发热严重，存在电源转换效率低问题。

图2是基于整流桥的直流电源防反接电路，该电路是通过在输入端增加一个整流桥器件，同样通过二极管的单向导通特性，通过桥式整流来实现电路防反。不论输入端如何接入电源，电路都可以正常工作。但由于负载电流每次都需要经过两个二极管形成回路，整流桥式防反保护电路的功耗将是二极管管型防反接保护电路的两倍，同样存在效率低问题。

发明人研究发现：在上述的防反接电路中，在电源电流一定的情况下，电源转换效率与二极管的导通阻抗有关；导通阻抗越大则电源转换效率越低。而绝缘栅型场效应管(MOS)的导通阻抗比二极管小，因此，如果使用绝缘栅型场效应管替代二极管，有可能提高电源转换效率。在防反接电路中使用绝缘栅型场效应管或者其他的可控开关单元时，在电源正接的情况下产生一个开启电压导通可控开关单元，在电源反接的情况下无法产生开启电压而关断可控开关单元的方式，可以替代二极管起到直流电源防反接的作用。然而，在继续研究过程中发现：在实际的直流电网中，直流电网的直流输出电压存在电压波动，尤其在电压波动到较低电压等级时，可能导致可控开关单元的控制端达不到开启电压，而导致可控开关单元的异常关断，进而影响负载设备的工作。

发明内容

本发明提供了一种具有自检互锁抗干扰功能的直流电源防反接电路，以至少解决相关技术中基于可控开关单元的直流电源防反接电路因电压波动而可靠性低的问题。

本发明实施例提供了一种直流电源防反接电路，包括：直流输入端、直流输出端、可控开关单元、第一分压单元、隔离单元、开关电源和第二分压单元，其中，第一分压单元连接在直流输入端和公共端之间，并引出第一分压端；开关电源的输入端与直流输入端连接；第二分压单元连接在开关电源的输出端和公共端之间，并引出第二分压端；可控开关单元的控制端与第一分压端连接，可控开关单元的第一开关端与直流输出端连接，可控开关单元的第二开关端与公共端连接；隔离单元的一端与可控开关单元的控制端连接，隔离单元的另一端与第二分压端连接，隔离单元用于隔离第一分压端和第二分压端上的电压信号。

可选地，开关电源用于将直流输入端的直流输入电压转换为预定电压等级的电压，并实现稳压功能。

可选地，第一分压单元包括：第一电阻R1、第二电阻R2，其中，第一电阻R1的一端连接直流输入端，第一电阻R1的另一端为第一分压端连接；第二电阻R2的一端与第一分压端连接，第二电阻R2的另一端与公共端连接。

可选地，电路还包括：第三电阻R3，第三电阻R3的一端与可控开关单元的控制端连接，第三电阻R3的另一端与第一分压端连接。

可选地，第一分压单元还包括：第一电容C1，第一电容C1的一端与第一分压端连接，第一电容C1的另一端与公共端连接。

可选地，第一分压单元还包括：稳压二极管D1，稳压二极管D1的负极与第一分压端连接，稳压二极管D1的正极与公共端连接。

可选地，隔离单元包括：二极管D2，二极管D2的负极与可控开关单元的控制端连接，二极管D2的正极与第二分压端连接。

可选地，电路还包括：第四电阻R4和第二电容C2，其中，第四电阻R4的一端与可控开关单元的第一开关端连接，第四电阻R4的另一端与第二电容C2的一个极板连接，第二电容C2的另一个极板与可控开关单元的第二开关端连接。

可选地，可控开关单元为绝缘栅型场效应管Q1，其中，可控开关单元的控制端为绝缘栅型场效应管Q1的栅极，可控开关单元的第一开关端为绝缘栅型场效应管Q1的源极，可控开关单元的第二开关端为绝缘栅型场效应管Q1的漏极。

可选地，第二分压单元包括：第五电阻R5、三极管Q2、第六电阻R6，其中，第五电阻R5的一端与三极管Q2的发射极连接，第五电阻R5的另一端与公共端连接；第六电阻R6的一端与开关电源的输出端连接，第六电阻R6的另一端与三极管Q2的基极连接；三极管Q2的集电极与开关电源的输出端连接；三极管Q2的发射极为第二分压端。

可选地，第二分压单元包括：第五电阻R5、三极管Q2、控制芯片，其中，第五电阻R5的一端与三极管Q2的发射极连接，第五电阻R5的另一端与公共端连接；控制芯片由开关电源供电，控制芯片的控制端与三极管Q2的基极连接；三极管Q2的集电极与开关电源的输出端连接；三极管Q2的发射极为第二分压端。

可选地，第二分压单元还包括：第三电容C3，第三电容C3的一个极板与公共端连接，第三电容的另一个极板与三极管Q2的发射极连接。

通过本发明实施例提供的具有自检互锁抗干扰功能的直流电源防反接电路，通过该电路，在直流电源反接时，因直流输出端与公共端的电势相等，第一分压单元和第二分压单元两端没有电势差，第一分压端和第二分压端上都没有电压信号，可控开关单元无法导通，加载在直流输出端上的正极输入信号无法接入电路回路中，电路中接入的负载无法工作；在直流电源正接时，只要从直流输入端分压得到的第一分压端的电压信号，和从开关电源的输出端分压得到的第二分压端的电压信号，这两个电压信号中任一个能够达到可控开关单元的开启电压就能够实现可控开关单元的导通。解决了基于可控开关单元的直流电源防反接电路因电压波动而可靠性低的问题，提高了直流电源防反接电路的可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据相关技术的基于二极管的直流电源防反接电路的拓扑结构图；

图2是根据相关技术的基于整流桥的直流电源防反接电路的拓扑结构图；

图3是根据本发明实施例的具有自检互锁抗干扰功能的直流电源防反接电路的拓扑结构图；

图4是根据本发明实施例的具有自检互锁抗干扰功能的直流电源防反接电路的优选拓扑结构图一；

图5是根据本发明实施例的具有自检互锁抗干扰功能的直流电源防反接电路的优选拓扑结构图二；

图6是根据本发明实施例的具有自检互锁抗干扰功能的直流电源防反接电路的工作流程图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，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过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本实施例中提供了一种具有自检互锁抗干扰功能的直流电源防反接电路，图3是根据本发明实施例的具有自检互锁抗干扰功能的直流电源防反接电路的拓扑结构图，如图3所示，该直流电源防反接电路包括：直流输入端10、直流输出端20、可控开关单元30、第一分压单元40、隔离单元50、开关电源60和第二分压单元70，其中，第一分压单元40连接在直流输入端10和公共端之间，并引出第一分压端；开关电源60的输入端与直流输入端10连接；第二分压单元70连接在开关电源60的输出端和公共端之间，并引出第二分压端；可控开关单元30的控制端与第一分压端连接，可控开关单元30的第一开关端与直流输出端20连接，可控开关单元30的第二开关端与公共端连接；隔离单元50的一端与可控开关单元30的控制端连接，隔离单元50的另一端与第二分压端连接，隔离单元50用于隔离第一分压端和第二分压端上的电压信号。

通过上述电路，在直流电源反接时，因直流输出端与公共端的电势相等，第一分压单元和第二分压单元两端没有电势差，第一分压端和第二分压端上都没有电压信号，可控开关单元无法导通，加载在直流输出端上的正极输入信号无法接入电路回路中，电路中接入的负载无法工作；在直流电源正接时，只要从直流输入端分压得到的第一分压端的电压信号，和从开关电源的输出端分压得到的第二分压端的电压信号，这两个电压信号中任一个能够达到可控开关单元的开启电压就能够实现可控开关单元的导通。解决了基于可控开关单元的直流电源防反接电路因电压波动而可靠性低的问题，提高了直流电源防反接电路的可靠性。

需要说明的是，根据本实施例提供的电路拓扑结构图，结合直流电源防反接电路的具体应用场景，运用一般的电路设计理论知识，就可以确定本实施例中各个元器件的具体选型和参数，因此在本实施例中不再例举各元器件的具体选型和参数。

可选地，开关电源60用于将直流输入端10的直流输入电压转换为预定电压等级的电压，并实现稳压功能。具有稳压功能的开关电源60能够保证第二分压端上电压信号的稳定，进一步提高本实施例的直流电源防反接电路的可靠性。

图4是根据本发明实施例的具有自检互锁抗干扰功能的直流电源防反接电路的优选拓扑结构图。下面将结合图4对本实施例的直流电源防反接电路进行描述和说明。

可选地，分压单元采用多个电阻分压的方式，例如第一分压单元40包括：第一电阻R1、第二电阻R2，其中，第一电阻R1的一端连接直流输入端10，第一电阻R1的另一端为第一分压端连接；第二电阻R2的一端与第一分压端连接，第二电阻R2的另一端与公共端连接。

可选地，电路还包括：第三电阻R3，第三电阻R3的一端与可控开关单元30的控制端连接，第三电阻R3的另一端与第一分压端连接。第三电阻R3用于限制第一分压端流向可控开关单元的控制端的电流。

可选地，第一分压单元40还包括：第一电容C1，第一电容C1的一端与第一分压端连接，第一电容C1的另一端与公共端连接。该第一电容C1用于滤波。

可选地，第一分压单元40还包括：稳压二极管D1，稳压二极管D1的负极与第一分压端连接，稳压二极管D1的正极与公共端连接。该稳压二极管D1用于稳定第二电阻R2两端的电压，第二电阻R2两端的电压即为第一分压端的电压。

可选地，隔离单元50包括：二极管D2，二极管D2的负极与可控开关单元30的控制端连接，二极管D2的正极与第二分压端连接。

可选地，电路还包括：第四电阻R4和第二电容C2，其中，第四电阻R4的一端与可控开关单元30的第一开关端连接，第四电阻R4的另一端与第二电容C2的一个极板连接，第二电容C2的另一个极板与可控开关单元30的第二开关端连接。第四电阻R4和第二电容C2构成了软启动电路；第二电容C2还起到滤波的作用。

可控开关单元30包括但不限于：三极管、绝缘栅型场效应管、继电器等。在本实施例中，为了降低可控开关单元30对电源的损耗，可选地，可控开关单元30为绝缘栅型场效应管Q1，其中，可控开关单元30的控制端为绝缘栅型场效应管Q1的栅极，可控开关单元30的第一开关端为绝缘栅型场效应管Q1的源极，可控开关单元30的第二开关端为绝缘栅型场效应管Q1的漏极。

参考图5，第二分压单元也可以采用多个电阻分压的方式。由于开关电源的输出电压比较稳定，因此采用一个具有固定导通压降的三极管来替代分压电阻能够确保第二分压端的电压信号的电压等级保持稳定。为此，在本实施例中，第二分压单元70包括：第五电阻R5、三极管Q2、第六电阻R6，其中，第五电阻R5的一端与三极管Q2的发射极连接，第五电阻R5的另一端与公共端连接；第六电阻R6的一端与开关电源60的输出端连接，第六电阻R6的另一端与三极管Q2的基极连接；三极管Q2的集电极与开关电源60的输出端连接；三极管Q2的发射极为第二分压端。

参考图4，三极管Q2的基极电压信号也可以由控制芯片直接产生，该控制芯片优选为防反接电路所在设备的MCU。可选地，第二分压单元70包括：第五电阻R5、三极管Q2、控制芯片MCU，其中，第五电阻R5的一端与三极管Q2的发射极连接，第五电阻R5的另一端与公共端连接；控制芯片MCU由开关电源60供电，控制芯片MCU的控制端与三极管Q2的基极连接；三极管Q2的集电极与开关电源60的输出端连接；三极管Q2的发射极为第二分压端。

可选地，第二分压单元70还包括：第三电容C3，第三电容C3的一个极板与公共端连接，第三电容的另一个极板与三极管Q2的发射极连接。第三电容C3用于滤波。

图6是根据本发明实施例的具有自检互锁抗干扰功能的直流电源防反接电路的工作流程图，下面将结合图4和图6对本实施例的工作过程进行说明。

在图4所示的直流电源防反接电路中：

如果不增加由MCU产生的互锁信号，在输入电源电压有较大波动，但不影响VCC电压稳定的情况下，Q1导通情况会受到输入电源电压波动的影响。在输入电压波动到下限值，使R1电阻与R2电阻经过电阻分压，R2上得到MOS管Q1栅极电压小于开启电压，Q1就会异常断开，电路电源被切断，影响正常工作。

如果增加由MCU产生的互锁信号，在输入电源电压有较大波动，但不影响VCC电压稳定的情况下，Q1导通情况不会受到输入电源电压波动的影响。在输入电压波动到下限值，即使R2上得到MOS管Q1栅极电压小于开启电压，但MCU在稳定电源VCC供电条件下，可以产生控制信号，使Q2的导通，Q2导通后R5电阻上将产生接近VCC的电压，此时互锁信号为高电平。互锁信号经过D2后控制Q1的栅极电压，使Q1再次得到开启电压，维持Q1导通。Q1导通，电路电源正常供电，不影响正常工作。

因此，本实施例提供的直流电源防反接电路可以防止外部电源受到浪涌干扰时Q1误动作而关断。

参考图4，R1～R5为电阻器件；C1～C3为电容器件；D1稳压二极管；D2为开关二极管；Q1为MOS管(G：栅极，S：源极，D：漏极)；Q2为三极管；VCC为Vout经过开关电源的降压变换和线性稳压块变换得到的稳定电源；MCU为控制器的主芯片，可下载控制程序；Load为负载；VDC+是直流电源输入的正极，GND是直流电源输入的负极。D1为稳压二极管，C1为滤波电容，用于稳定分压电阻R2上得到的电压。R3为驱动限流电阻，用于限制经过Q1器件G栅极控制信号的电流大小。D2为开关二极管，用于隔离互锁信号与R2分压电阻得到的启动的电压信号。R4与C2构成RC软启动电路，可以吸收Q1器件开关信号产生的噪声干扰。

当接线正确时，R1电阻与R2电阻经过电阻分压，在R2上得到能够开启MOS管Q1的开启电压，使得Q1导通，电源VDC+经过Load负载到达电源GND形成回路，正常供电。

在输入电源电压有较大波动，但不影响VCC电压稳定的情况下，Q1导通情况不受到输入电源电压波动的影响，这个过程叫做“电路抗干扰”，可有效防止电源干扰导致MOS开关误动作。

参考图6，本实施例所称的“电路抗干扰”具体是指：MCU在稳定电源VCC供电条件下，可以产生控制信号，使Q2的导通，Q2导通后R5电阻上将产生接近VCC的电压，C3用于给R5电阻分压后滤波，此时互锁信号为高电平。本实施例所称的“自检互锁”是指：互锁信号(即第二分压端上的电压信号)经过D2后控制Q1的G栅极电压，使Q1再次得到开启电压，维持Q1导通；通过MCU发送控制指令，使Q1维持导通。

当接线错误时，Q1器件G栅极无法得到开启电压，始终处于关闭状态，电源VDC+无法经过负载Load到达电源GND形成回路，电路中无电流，可以防止电路烧毁和控制器炸裂。

上述实施例提供的直流电源防反接电路可以应用于各种使用直流电源的电器设备，例如直流电源空调等。

综上所述，通过本发明的上述实施例和实施方式，能够实现下列有益效果：

1、防止空调机组输入电源极性接反而导致控制器烧毁和炸板；

2、降低电源防反电路自身器件的功耗，提高电路工作效率低；

3、可控开关单元的开关信号实现互锁，防止外部电源受到浪涌干扰导致的开关误动作。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种直流电源防反接电路，其特征在于，包括：直流输入端、直流输出端、可控开关单元、第一分压单元、隔离单元、开关电源和第二分压单元，其中，

所述第一分压单元连接在所述直流输入端和公共端之间，并引出第一分压端；

所述开关电源的输入端与所述直流输入端连接；

所述第二分压单元连接在所述开关电源的输出端和所述公共端之间，并引出第二分压端；

所述可控开关单元的控制端与所述第一分压端连接，所述可控开关单元的第一开关端与所述直流输出端连接，所述可控开关单元的第二开关端与所述公共端连接；

所述隔离单元的一端与所述可控开关单元的控制端连接，所述隔离单元的另一端与所述第二分压端连接，所述隔离单元用于隔离所述第一分压端和所述第二分压端上的电压信号。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述开关电源用于将所述直流输入端的直流输入电压转换为预定电压等级的电压，并实现稳压功能。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一分压单元包括：第一电阻(R1)、第二电阻(R2)，其中，

所述第一电阻(R1)的一端连接所述直流输入端，所述第一电阻(R1)的另一端为所述第一分压端连接；

所述第二电阻(R2)的一端与所述第一分压端连接，所述第二电阻(R2)的另一端与所述公共端连接。

4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：第三电阻(R3)，所述第三电阻(R3)的一端与所述可控开关单元的控制端连接，所述第三电阻(R3)的另一端与所述第一分压端连接。

5.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述第一分压单元还包括：第一电容(C1)，所述第一电容(C1)的一端与所述第一分压端连接，所述第一电容(C1)的另一端与所述公共端连接。

6.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述第一分压单元还包括：稳压二极管(D1)，所述稳压二极管(D1)的负极与所述第一分压端连接，所述稳压二极管(D1)的正极与所述公共端连接。

7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述隔离单元包括：二极管(D2)，所述二极管(D2)的负极与所述可控开关单元的控制端连接，所述二极管(D2)的正极与所述第二分压端连接。

8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：第四电阻(R4)和第二电容(C2)，其中，

所述第四电阻(R4)的一端与所述可控开关单元的第一开关端连接，所述第四电阻(R4)的另一端与所述第二电容(C2)的一个极板连接，所述第二电容(C2)的另一个极板与所述可控开关单元的第二开关端连接。

9.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述可控开关单元为绝缘栅型场效应管(Q1)，其中，

所述可控开关单元的控制端为所述绝缘栅型场效应管(Q1)的栅极，所述可控开关单元的第一开关端为所述绝缘栅型场效应管(Q1)的源极，所述可控开关单元的第二开关端为所述绝缘栅型场效应管(Q1)的漏极。

10.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第二分压单元包括：

第五电阻(R5)、三极管(Q2)、第六电阻(R6)，其中，

所述第五电阻(R5)的一端与所述三极管(Q2)的发射极连接，所述第五电阻(R5)的另一端与所述公共端连接；

所述第六电阻(R6)的一端与所述开关电源的输出端连接，所述

第六电阻(R6)的另一端与所述三极管(Q2)的基极连接；

所述三极管(Q2)的集电极与所述开关电源的输出端连接；所述三极管(Q2)的发射极为所述第二分压端。

11.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第二分压单元包括：第五电阻(R5)、三极管(Q2)、控制芯片，其中，

所述第五电阻(R5)的一端与所述三极管(Q2)的发射极连接，所述第五电阻(R5)的另一端与所述公共端连接；

所述控制芯片由所述开关电源供电，所述控制芯片的控制端与所述三极管(Q2)的基极连接；

所述三极管(Q2)的集电极与所述开关电源的输出端连接；所述三极管(Q2)的发射极为所述第二分压端。

12.根据权利要求10或11所述的电路，其特征在于，所述第二分压单元还包括：第三电容(C3)，所述第三电容(C3)的一个极板与所述公共端连接，所述第三电容的另一个极板与所述三极管(Q2)的发射极连接。

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