一种电子控制单元智能输出电路及其控制方法转让专利
申请号 : CN202011242936.7
文献号 : CN112103910B
文献日 : 2021-03-09
发明人 : 陈爱林 , 陈方良 , 周香梅
申请人 : 南京华士电子科技有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.电子控制单元智能输出电路,其特征在于,包括第一开关管(Q1),第二开关管(Q2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)、第十一电阻(R11)、第十二电阻(R12)、第十三电阻(R13)、第十四电阻(R14)、第十五电阻(R15)、第十六电阻(R16)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)、第五电容(C5)、第一运算放大器(U2)、第二运算放大器(U3)和智能控制芯片(U1);
第一开关管(Q1)、第一电阻(R1)、第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)、第四电容(C4)和第一运算放大器(U2)组成电压采集模块,电压采集模块中,第一开关管(Q1)的D极连接电源;第一开关管(Q1)的G极经第四电阻(R4)连接智能控制芯片(U1)的RC1端,经第五电阻(R5)连接RTN;第一开关管(Q1)的S极经第八电阻(R8)连接第一运算放大器(U2)的同向输入端,经第九电阻(R9)连接第一运算放大器(U2)的反向输入端;第一运算放大器(U2)的输出端和反正输入端之间连接第四电容(C4)和第十电阻(R10)的并联电路;第一运算放大器(U2)的输出端经第十四电阻(R14)连接智能控制芯片(U1)的RA2/AN2端,经第十四电阻(R14)和第一电容(C1)的串联电路连接RTN;第一电容(C1)的两端并联第一稳压管(ZV1),第一稳压管(ZV1)的正极接RTN,负极接第十四电阻(R14)和第一电容(C1)的连接点;
第二开关管(Q2)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第十一电阻(R11)、第十二电阻(R12)、第十三电阻(R13)、第五电容(C5)和第二运算放大器(U3)组成电流采集模块,电流采集模块中,第二开关管(Q2)的D极经第二电阻(R2)连接电源;第二开关管(Q2)的G极经第六电阻(R6)连接智能控制芯片(U1)的RC0端,经第七电阻(R7)连接RTN;第二开关管(Q2)的S极经第十五电阻(R15)连接智能控制芯片(U1)的RA1/AN1端,经第十五电阻(R15)和第二电容(C2)的串联电路接RTN;第二电容(C2)的两端并联第二稳压管(ZV2),第二稳压管(ZV2)的正极接RTN,负极接第十五电阻(R15)和第二电容(C2)的连接点;第二开关管(Q2)的S极还经第十一电阻(R11)连接第二运算放大器(U3)的同向输入端,经第三电阻(R3)连接RTN,经第三电阻(R3)和第十二电阻(R12)的串联电路连接第二运算放大器(U3)的反向输入端;第二运算放大器(U3)的输出端和反正输入端之间连接第五电容(C5)和第十三电阻(R13)的并联电路;
第二运算放大器(U3)的输出端经第十六电阻(R16)连接智能控制芯片(U1)的RA0/AN0端,经第十六电阻(R16)和第三电容(C3)的串联电路连接RTN,所述第十六电阻(R16)和第三电容(C3)构成低通滤波器;第三电容(C3)的两端并联第三稳压管(ZV3),第三稳压管(ZV3)的正极接RTN,负极接第十六电阻(R16)和第三电容(C3)的连接点;
电子控制单元智能输出电路的控制方法,包括如下步骤:步骤1,检测智能控制芯片(U1)RC1端的输入信号DO_CMD,在输入信号DO_CMD无效时,智能控制芯片(U1)通过RC1端DO_CTRL信号控制第一开关管(Q1)关闭,输出端DO不具备功率输出能力;同时,通过RC0的SENSE信号控制第二开关管(Q2)导通;此时,电源电压经过第二电阻(R2)、第三电阻(R3)和负载电阻(RL)构成回路,电压采集模块工作,采集第三电阻(R3)上的电压,通过2种方式到智能控制芯片(U1),第1种,通过第十五电阻(R15)和第二电容(C2)构成的低通滤波器,直接输出到智能控制芯片(U1),第二电容(C2)的两端并联第二稳压管(ZV2),当第三电阻(R3)采样电压超过范围时,稳压生效,可以保护智能控制芯片(U1);第2种,通过第十一电阻(R11)、第十二电阻(R12)接到第二运算放大器(U3)的输入端,第二运算放大器(U3)输出放大后的第三电阻(R3)采样电压,通过第十六电阻(R16)和第三电容(C3)构成低通滤波器,送给智能控制芯片(U1),第三稳压管(ZV3)并联在第三电容(C3)的两端,当第三电阻(R3)采样电压的放大信号超过范围时,稳压生效,保护智能控制芯片(U1);
智能控制芯片(U1)根据直接采集的第三电阻(R3)上的电压计算电源电压,如果在电压正常工作阈值范围内,则判断电源正常、输出回路正常,等待输入信号DO_CMD有效,等待过程中循环检查电源电压;
步骤2,当DO_CMD有效后,智能控制芯片(U1)通过RC1端的DO_CTRL信号控制第一开关管(Q1)导通,输出端DO具备功率输出能力;此时,输出功率电流经过第一开关管(Q1)、第一电阻(R1)和负载电阻(RL)构成回路,电流采样模块工作,采集第一电阻(R1)上的电压,通过第八电阻(R8)、第九电阻(R9)接到第一运算放大器(U2)的输入端,第一运算放大器(U2)输出放大后的第一电阻(R1)中的电压,通过第十四电阻(R14)和第一电容(C1)构成低通滤波器送给智能控制芯片(U1),第一稳压管(ZV1)并联在第一电容(C1)的两端,当放大信号超过范围时,稳压生效,保护智能控制芯片(U1);
智能控制芯片(U1)根据放大后的第一电阻(R1)中的电压计算输出回路的电流,即流过第一开关管(Q1)、第一电阻(R1)和负载电阻(RL)的电流,当输出电回路流超过设定值时,关闭第一开关管(Q1),关闭输出端DO,延时5秒后,回到步骤1,重新开始,否则转至步骤3;
步骤3,当第一开关管(Q1)导通后,第三电阻(R3)上的电压为第一开关管(Q1)的电压,智能控制芯片(U1)采集第三电阻(R3)上的电压,结合输出回路的电流,计算第一开关管(Q1)上的功耗,当第一开关管(Q1)上的功耗超过其发热限定值,关闭第一开关管(Q1),关闭输出端DO,延时5秒后,回到步骤1,重新开始,否则,继续检测DO_CMD有效状态,执行对应操作。
2.根据权利要求1所述的电子控制单元智能输出电路,其特征在于,所述第一运算放大器(U2)、第二运算放大器(U3)采用N沟道的MOSFET。
3.根据权利要求1所述的电子控制单元智能输出电路,其特征在于,所述智能控制芯片(U1)采用微型PIC16F系列单片机。
4.基于权利要求1-3任一项所述的电子控制单元智能输出电路的控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,检测智能控制芯片(U1)RC1端的输入信号DO_CMD,在输入信号DO_CMD无效时,智能控制芯片(U1)通过RC1端DO_CTRL信号控制第一开关管(Q1)关闭,输出端DO不具备功率输出能力;同时,通过RC0的SENSE信号控制第二开关管(Q2)导通;此时,电源电压经过第二电阻(R2)、第三电阻(R3)和负载电阻(RL)构成回路,电压采集模块工作,采集第三电阻(R3)上的电压,通过2种方式到智能控制芯片(U1),第1种,通过第十五电阻(R15)和第二电容(C2)构成的低通滤波器,直接输出到智能控制芯片(U1),第二电容(C2)的两端并联第二稳压管(ZV2),当第三电阻(R3)采样电压超过范围时,稳压生效,可以保护智能控制芯片(U1);第2种,通过第十一电阻(R11)、第十二电阻(R12)接到第二运算放大器(U3)的输入端,第二运算放大器(U3)输出放大后的第三电阻(R3)采样电压,通过第十六电阻(R16)和第三电容(C3)构成低通滤波器,送给智能控制芯片(U1),第三稳压管(ZV3)并联在第三电容(C3)的两端,当第三电阻(R3)采样电压的放大信号超过范围时,稳压生效,保护智能控制芯片(U1);
智能控制芯片(U1)根据直接采集的第三电阻(R3)上的电压计算电源电压,如果在电压正常工作阈值范围内,则判断电源正常、输出回路正常,等待输入信号DO_CMD有效,等待过程中循环检查电源电压;
步骤2,当DO_CMD有效后,智能控制芯片(U1)通过RC1端的DO_CTRL信号控制第一开关管(Q1)导通,输出端DO具备功率输出能力;此时,输出功率电流经过第一开关管(Q1)、第一电阻(R1)和负载电阻(RL)构成回路,电流采样模块工作,采集第一电阻(R1)上的电压,通过第八电阻(R8)、第九电阻(R9)接到第一运算放大器(U2)的输入端,第一运算放大器(U2)输出放大后的第一电阻(R1)中的电压,通过第十四电阻(R14)和第一电容(C1)构成低通滤波器送给智能控制芯片(U1),第一稳压管(ZV1)并联在第一电容(C1)的两端,当放大信号超过范围时,稳压生效,保护智能控制芯片(U1);
智能控制芯片(U1)根据放大后的第一电阻(R1)中的电压计算输出回路的电流,即流过第一开关管(Q1)、第一电阻(R1)和负载电阻(RL)的电流,当输出电回路流超过设定值时,关闭第一开关管(Q1),关闭输出端DO,延时5秒后,回到步骤1,重新开始,否则转至步骤3;
步骤3,当第一开关管(Q1)导通后,第三电阻(R3)上的电压为第一开关管(Q1)的电压,智能控制芯片(U1)采集第三电阻(R3)上的电压,结合输出回路的电流,计算第一开关管(Q1)上的功耗,当第一开关管(Q1)上的功耗超过其发热限定值,关闭第一开关管(Q1),关闭输出端DO,延时5秒后,回到步骤1,重新开始,否则,继续检测DO_CMD有效状态,执行对应操作。
5.根据权利要求4所述的控制方法,其特征在于,步骤1中,根据直接采集的第三电阻上的电压VD0-0,结合分压原理,计算输出电源电压VDD,具体关系为:VD0-0=VDD× =VDD× K1其中:K1=
其中,RQ2为第二开关管的阻值,R2第二电阻的阻值、R3为第三电阻的阻值,RL为负载电阻的阻值
变换上式,即得到VDD的计算公式:
VDD= VD0-0÷K1。
6.根据权利要求4所述的控制方法,其特征在于,步骤2中,根据放大后的第一电阻中的电压,即第一运算放大器的输出VC-0,结合分压原理,计算输出回路的电流I,具体关系为:VC-0= = R1 = = K2 × I其中, 为第一电阻上的电压,I为输出回路电流,K2 = ,R1为第一电阻的阻值,R9为第九电阻的阻值,R10为第十电阻的阻值;
变换上式,即得到输出回路电流I的计算公式:I = VC-0÷K2。
7.根据权利要求4所述的控制方法,其特征在于,步骤3中,第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)都闭合,存在如下关系:
左边Q1回路的电压 = 右边Q2回路的电压其中:
左边Q1回路的电压 = Q1的导通电压 +R1的电压右边Q2回路的电压 = R2的电压+ Q2的导通电压 +R3的电压因此,通过采集右边Q2回路的电压VDD右,即得到左边Q1回路的电压VDD左,进而,计算出第一开关管的导通电压UQ1;
右边Q2回路的电压采集原理与电压采样模块中的计算原理类似:VDD右 = I右×(R2 + RQ2 + R3) = ×(R2 + RQ2 + R3)其中,RQ2为第二开关管(Q2)的阻值,UR3为第三电阻(R3)的电压;
由于在极端情况下,UR3较小,不便于ADC进行有效的分辨,因此与电流采样的电路相似,采用放大后的第三电阻(R3)上的电压,即第二运算放大器(U3)的输出VD1-0进行计算:VD1-0= UR3×
将UR3代入VDD右计算公式后得到右边Q2回路的电压,进而,结合下式计算第一开关管(Q1)的导通电压,即:
UQ1 = VDD左– UR1
= VDD右–IR1×R1
其中,IR1为经过第一电阻R1的电流,与步骤2计算的输出回路电流相等;
则第一开关管(Q1)的功耗PQ1为:
PQ1 = UQ1× IQ1
= UQ1× IR1;
其中,IQ1为经过第一开关管的电流,与步骤2计算的输出回路电流相等。
说明书 :
一种电子控制单元智能输出电路及其控制方法
技术领域
背景技术
般以嵌入式CPU为核心,配置各种外设,包括DI(开关量输入)、DO(开关量输出)、AI(模拟量
输入)以及通讯。其中DO(开关量输出)信号一般为DC110V电压等级,允许的电压波动百分比
为70% 125%,对应电压范围为77V 137.5V。传统的方式通常采用继电器输出,存在如下缺
~ ~
点:
发明内容
电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、
第十五电阻、第十六电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第一运算放
大器、第二运算放大器和智能控制芯片;
四电阻连接智能控制芯片的RC1端,经第五电阻连接RTN;第一开关管的S极经第八电阻连接
第一运算放大器的同向输入端,经第九电阻连接第一运算放大器的反向输入端;第一运算
放大器的输出端和反正输入端之间连接第四电容和第十电阻的并联电路;第一运算放大器
的输出端经第十四电阻连接智能控制芯片的RA2/AN2端,经第十四电阻和第一电容的串联
电路连接RTN;第一电容的两端并联第一二极管,第一稳压管的正极接RTN,负极接第十四电
阻和第一电容的连接点;
接电源;第二开关管的G极经第六电阻连接智能控制芯片的的RC0端,经第七电阻连接RTN;
第二开关管的S极经第十五电阻连接智能控制芯片的RA1/AN1端,经第十五电阻和第二电容
的串联电路接RTN;第二电容的两端并联第二稳压管,第二稳压管的正极接RTN,负极接第十
五电阻和第二电容的连接点;第二开关管的S极还经第十一电阻连接第二运算放大器的同
向输入端,经第三电阻连接RTN,经第三电阻和第十二电阻的串联电路连接第二运算放大器
的反向输入端;第二运算放大器的输出端和反正输入端之间连接第五电容和第十三电阻的
并联电路;第二运算放大器的输出端经第十六电阻连接智能控制芯片的RA0/AN0端,经第十
六电阻和第三电容的串联电路连接RTN,所述第十六电阻和第三电容构成低通滤波器;第三
电容的两端并联第三稳压管,第三稳压管的正极接RTN,负极接第十六电阻和第三电容的连
接点。
同时,通过RC0的SENSE信号控制第二开关管导通;此时,电源电压经过第二电阻、第三电阻
和负载电阻构成回路,电压采集模块工作,采集第三电阻上的电压,通过2种方式到智能控
制芯片,第1种,通过第十五电阻和第二电容构成的低通滤波器,直接输出到智能控制芯片,
第二电容的两端并联第二稳压管,当第三电阻采样电压超过范围时,稳压生效,可以保护智
能控制芯片;第2种,通过第十一电阻、第十二电阻接到第二运算放大器的输入端,第二运算
放大器输出放大后的第三电阻采样电压,通过第十六电阻和第三电容构成低通滤波器,送
给智能控制芯片,第三稳压管并联在第三电容的两端,当第三电阻采样电压的放大信号超
过范围时,稳压生效,保护智能控制芯片;
中循环检查电源电压;
电阻构成回路,电流采样模块工作,采集第一电阻上的电压,通过第八电阻、第九电阻接到
第一运算放大器的输入端,第一运算放大器输出放大后的第一电阻中的电压,通过第十四
电阻和第一电容构成低通滤波器送给智能控制芯片,第一稳压管管并联在第一电容的两
端,当放大信号超过范围时,稳压生效,保护智能控制芯片;
闭输出端DO,延时5秒后,回到步骤1,重新开始,否则转至步骤3;
管上的功耗超过其发热限定值,关闭第一开关管,关闭输出端DO,延时5秒后,回到步骤1,重
新开始,否则,继续检测DO_CMD有效状态,执行对应操作。
算,提供下列智能监控保护功能:负载是否异常(开路、短路),开关管健康状态,电压异常。
附图说明
具体实施方式
用于限定本申请。
电流采集电路,用于采集相关电压信号,供智能控制模块计算输出电流和功耗;智能控制模
块,用于计算电源电压、输出电流和功耗,在超过安全阈值时,切断电源连接或者关闭输出。
电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九
电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第
十五电阻R15、第十六电阻R16、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电
容C5、第一运算放大器U2、第二运算放大器U3和智能控制芯片U1,其中:
第一开关管Q1的G极经第四电阻R4连接智能控制芯片U1的RC1端,经第五电阻R5连接RTN;第
一开关管Q1的S极经第八电阻R8连接第一运算放大器U2的同向输入端,经第九电阻R9连接
第一运算放大器U2的反向输入端;第一运算放大器U2的输出端和反正输入端之间连接第四
电容C4和第十电阻R10的并联电路,所述第四电容C4和第十电阻R10构成放大反馈回路;第
一运算放大器U2的输出端经第十四电阻R14连接智能控制芯片U1的RA2/AN2端,经第十四电
阻R14和第一电容C1的串联电路连接RTN,所述第十四电阻R14和第一电容C1构成低通滤波
器;第一电容C1的两端并联第一稳压管ZV1,第一稳压管ZV1的正极接RTN,负极接第十四电
阻R14和第一电容C1的连接点,当采样放大信号超过范围时,稳压生效,保护智能控制芯片
U1。
管Q2的D极经第二电阻R2连接电源;第二开关管Q2的G极经第六电阻R6连接智能控制芯片U1
的的RC0端,经第七电阻R7连接RTN;第二开关管Q2的S极经第十五电阻R15连接智能控制芯
片U1的RA1/AN1端,经第十五电阻R15和第二电容C2的串联电路接RTN,所述第十五电阻R15
和第二电容C2构成低通滤波器,第二电容C2的两端并联第二稳压管ZV2,第二稳压管ZV2的
正极接RTN,负极接第十五电阻R15和第二电容C2的连接点,当采样信号超过范围时,稳压生
效,保护智能控制芯片U1;第二开关管Q2的S极还经第十一电阻R11连接第二运算放大器U3
的同向输入端,经第三电阻R3连接RTN,经第三电阻R3和第十二电阻R12的串联电路连接第
二运算放大器U3的反向输入端;第二运算放大器U3的输出端和反正输入端之间连接第五电
容C5和第十三电阻R13的并联电路,所述第五电容C5和第十三电阻R13构成放大反馈回路;
第二运算放大器U3的输出端经第十六电阻R16连接智能控制芯片U1的RA0/AN0端,经第十六
电阻R16和第三电容C3的串联电路连接RTN,所述第十六电阻R16和第三电容C3构成低通滤
波器;第三电容C3的两端并联第三稳压管ZV3,第三稳压管ZV3的正极接RTN,负极接第十六
电阻R16和第三电容C3的连接点,当采样放大信号超过范围时,稳压生效,保护智能控制芯
片U1。
电压,通过2种方式到智能控制芯片U1。第1种,通过第十五电阻R15和第二电容C2构成的低
通滤波器,直接输出到智能控制芯片U1,第二电容C2的两端并联第二稳压管ZV2,当第三电
阻R3采样电压超过范围时,稳压生效,可以保护智能控制芯片U1。第2种,通过第十一电阻
R11、第十二电阻R12接到第二运算放大器U3的输入端,第二运算放大器U3输出放大后的第
三电阻R3采样电压,通过第十六电阻R16和第三电容C3构成低通滤波器,送给智能控制芯片
U1,第三稳压管ZV3并联在第三电容C3的两端,当第三电阻R3采样电压的放大信号超过范围
时,稳压生效,保护智能控制芯片U1。
循环检查电源电压VDD。
直接采集R3上的电压VD0-0,结合分压原理,可以计算输出电源电压VDD。
器U2的输入端,第一运算放大器U2输出放大后的第一电阻R1中的电压,通过第十四电阻R14
和第一电容C1构成低通滤波器送给智能控制芯片U1,第一稳压管ZV1并联在第一电容C1的
两端,当放大信号超过范围时,稳压生效,保护智能控制芯片U1。
算得到的第一电阻R1的电流也是第1开关管Q1的电流,同时也是负载RL的电流,当输出电流
超过设定值时,关闭第一开关管Q1,关闭输出端DO,延时5秒后,回到步骤1,重新开始,否则
转至步骤3。
R1上的电压,可以计算输出回路的电流,
算第一开关管Q1上的功耗,当第一开关管Q1上的功耗超过其发热限定值,关闭第一开关管
Q1,关闭输出端DO,延时5秒后,回到步骤1,重新开始,否则,继续检测DO_CMD有效状态,执行
对应操作。
后,存在如下关系:
进行计算。
实现回路的输出,Q2主要实现电压检测功能。
该回路中采样电阻R1两端通过R8和R9接到运放U2的输入端,C4和R10构成放大反馈回路。U2
的1脚输出的信号为放大后的R1中的电流,等效负载电流,该信号通过R14和C1构成低通滤
波器,然后送给智能控制专用芯片U1,ZV1并联在C1的两端,当信号超过范围时,稳压生效,
保护U1。
负载RL构成回路,通过R3的分压可获得该回路的电压。R3上的电压通过2种方式到智能控制
专用芯片U1,第1种,直接输出到U1,R3上的信号通过R15和C2构成低通滤波器,送到U1,ZV2
并联在C2的两端,当信号超过范围时,稳压生效,保护U1。第2种,通过U3放大后给U1。分压电
阻R3两端通过R11和R12接到运放U3的输入端,C5和R13构成放大反馈回路。U3的1脚输出的
信号为放大后的R3中的电压,等效回路电压,该信号通过R16和C3构成低通滤波器,然后送
给智能控制专用芯片U1,ZV3并联在C3的两端,当信号超过范围时,稳压生效,保护U1。
信号,R5为Q1的G极下拉电阻,防止干扰信号触发Q1导通。U3通过SENSE连接到R6,给Q2的G极
提供驱动信号,R7为Q2的G极下拉电阻,防止干扰信号触发Q2导通。
道3个(2个电压、1个电流),DO通道3个(2个MOSFET控制,1个健康反馈),1个DI(控制单元CPU
发送从输出指令),采用PIC16F系列的单片机实现。
正常,等待DO_CMD的命令有效;等待过程中循环检查电源电压VDD。
延时10秒后,回步骤1,重新开始。
级,可以忽略
级,可以忽略,VDD右≈ ×(R2 + R3)
160mΩ范围内;R1=27mΩ。
采样。
进行预估和报警。
关管Q1导通后,同时也导通Q2,通过采集和计算负载电流,确定开关管Q1的功耗,实现下列
功能:
进行预估和报警。
盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护
范围。因此,本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。