一种无缝接入电压电流换挡控制系统
阅读：953发布：2023-02-26
专利汇可以提供一种无缝接入电压电流换挡控制系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种无缝接入 电压 电流 换挡控制系统，具体涉及电压、电流换挡控制领域。它解决了现有的电压、电流换挡控制系统存在换档 波动 的不足。该无缝接入电压电流换挡控制系统，包括依次连接的高电压低电流量程切换限流 电路 、中电压中电流量程切换限流电路、 低电压 高电流量程切换限流电路、功率 开关 电流检测电路和输出防反接电路，功率开关电流检测电路上连接有吸收滤波电路和电平脉冲驱动电路，高电压低电流量程切换限流电路、中电压中电流量程切换限流电路和低电压高电流量程切换限流电路中均包括三只 三极管 ，其中第一只三极管的集 电极 与第二只三极管的基极相连，第二只三极管的发射极与第三只三极管的基极相连。，下面是一种无缝接入电压电流换挡控制系统专利的具体信息内容。
1.一种无缝接入电压电流换挡控制系统，其特征在于，包括依次连接的高电压低电流量程切换限流电路、中电压中电流量程切换限流电路、低电压高电流量程切换限流电路、功率开关电流检测电路和输出防反接电路，所述功率开关电流检测电路上连接有吸收滤波电路和电平脉冲驱动电路，所述高电压低电流量程切换限流电路、中电压中电流量程切换限流电路和低电压高电流量程切换限流电路中均包括三只三极管，三只三极管级联，其中第一只三极管的集电极与第二只三极管的基极相连，第二只三极管的发射极与第三只三极管的基极相连。
2.如权利要求1所述的一种无缝接入电压电流换挡控制系统，其特征在于，所述第一只三极管的基极与第二只三极管的基极之间设有一只电容。
3.如权利要求1所述的一种无缝接入电压电流换挡控制系统，其特征在于，所述功率开关电流检测电路包括功率调整三极管，所述功率调整三极管的发射集连接一只电阻。
4.如权利要求1所述的一种无缝接入电压电流换挡控制系统，其特征在于，所述输出防反接电路包括并联在一起的一只二极管、一只电容和一只电阻。
5.如权利要求1所述的一种无缝接入电压电流换挡控制系统，其特征在于，所述吸收滤波电路包括电阻，电阻的两端分别串联有一只电容。
6.如权利要求1所述的一种无缝接入电压电流换挡控制系统，其特征在于，所述电平脉冲驱动电路包括驱动三极管，所述驱动三极管的基极、集电极和发射集上各串联有一只电阻。
一种无缝接入电压电流换挡控制系统
技术领域
[0001] 本发明涉及电压、电流换挡控制领域，具体涉及一种无缝接入电压电流换挡控制系统。
背景技术
[0002] 现有的电压、电流换档控制电路一般是采用继电器换档控制法和开关管换档控制法。继电器换档控制法，通过对输出电压、输出电流分别进行检测，将检测的电压、电流值和需要输出的电压、电流值分别进行比较，得到不同的继电器控制电平，进而控制相应电压、电流档位的继电器导通和关断，达到电压、电流的换档控制，这种控制方法的最大缺点是存在换档断流和打火拉弧问题，对电路损害极大。开关管换档控制法和继电器换档控制法基本相同，其区别是开关管换档控制法的换档执行单元为半导体开关管，不存在打火拉弧问题，换档断流也基本上可以忽略，但仍然存在较大的换档波动，以及较为复杂的换档控制电路。因此，对于半导体分析仪类等尖端产品，电压检测灵敏度要求高达μV级，电流检测灵敏度要求高达pA级，采用传统的电压、电流换档控制方法，任何的换档波动就会显著影响电压、电流的检测指标；当进行微弱电压、电流信号输出、测试时，甚至会完全淹没微弱的电压、电流信号。
发明内容
[0003] 本发明的目的是针对现有的电压、电流换挡控制系统存在换档波动、电路结构复杂的不足，提出了通过设置高电压低电流量程切换限流电路、中电压中电流量程切换限流电路和低电压高电流量程切换限流电路三个电路，且上述三个电路中均包含三个级联的三极管，实现电路的自适应电压选择功能和自适应分级电流控制功能的一种无缝接入电压电流换挡控制系统。
[0004] 本发明具体采用如下技术方案：
[0005] 一种无缝接入电压电流换挡控制系统，包括依次连接的高电压低电流量程切换限流电路、中电压中电流量程切换限流电路、低电压高电流量程切换限流电路、功率开关电流检测电路和输出防反接电路，所述功率开关电流检测电路上连接有吸收滤波电路和电平脉冲驱动电路，所述高电压低电流量程切换限流电路、中电压中电流量程切换限流电路和低电压高电流量程切换限流电路中均包括三只三极管，三只三极管级联，其中第一只三极管的集电极与第二只三极管的基极相连，第二只三极管的发射极与第三只三极管的基极相连。
[0006] 优选地，所述第一只三极管的基极与第二只三极管的基极之间设有一只电容。
[0007] 优选地，所述功率开关电流检测电路包括功率调整三极管，所述功率调整三极管的发射集连接一只电阻。
[0009] 优选地，所述吸收滤波电路包括电阻，电阻的两端分别串联有一只电容。
[0010] 优选地，所述电平脉冲驱动电路包括驱动三极管，所述驱动三极管的基极、集电极和发射集上各串联有一只电阻。
[0011] 本发明具有如下有益效果：
[0013] (2)采用无缝量程切换技术，避免了传统切换电路固有的切换“死区”产生的电压电流动态瞬变；采用无缝量程切换技术，稳定可靠的电压性能，实现各档电压、电流的无缝衔接，无需额外的开关切换，提高测试速度和稳定性。
[0014] (3)采用无延时过流保护，实时进入保护状态、改变电压或电流量程，保护该输出负载或被测件。
[0015] (4)采取电平脉冲驱动电路，使电路既能输出直流电压、电流信号，也能输出脉冲电压、电流信号。
[0017] 图1为一种无缝接入电压电流换挡控制系统结构框图；
[0018] 图2为一种无缝接入电压电流换挡控制系统具体电路图。
具体实施方式
[0019] 下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
[0020] 如图1所述，一种无缝接入电压电流换挡控制系统，包括依次连接的高电压低电流量程切换限流电路、中电压中电流量程切换限流电路、低电压高电流量程切换限流电路、功率开关电流检测电路和输出防反接电路，所述功率开关电流检测电路上连接有吸收滤波电路和电平脉冲驱动电路，高电压低电流量程切换限流电路、中电压中电流量程切换限流电路和低电压高电流量程切换限流电路中均包括三只三极管(其中高电压低电流量程切换限流电路中的三只三极管分别是V11、V12、V13，中电压中电流量程切换限流电路中的三只三极管分别是V21、V22、V23，低电压高电流量程切换限流电路中的三只三极管分别是V31、V32、V33)，三只三极管级联，其中第一只三极管的集电极与第二只三极管的基极相连，第二只三极管的发射集与第三只三极管的基极相连，第一只三极管的基极与第二只三极管的基极之间设有一只电容。功率开关电流检测电路包括功率调整三极管V42，功率调整三极管V42的发射集连接一只电阻R45。输出防反接电路包括并联在一起的一只二极管V43、一只电容C45和一只电阻C47。吸收滤波电路包括电阻R46，电阻R46的两端分别串联有电容C43和C44。电平脉冲驱动电路包括驱动三极管V41，该驱动三极管的基极、集电极和发射集上各串联有一只电阻(分别为R41、R42和R43)。
[0021] 其中，根据输出电压、输出电流的设置及实际负载变化需求，自动进行相应电压、电流档位的无缝量程切换，并进行一次稳压调整控制，将电压稳定到比输出电压高4V的电压点，并经过吸收滤波电路进行纹波、噪声滤波净化，再通过功率开关电流检测电路和输出防反接电路进行二次稳压调整控制，从而达到输出电压、电流的精确调整控制。三级量程切换限流电路实现电路的电压量程和电流量程的自适应切换功能，以及限流保护功能；功率开关电流检测电路，实现输出电压、电流的精确调整、可控；电平脉冲驱动电路对输入直流电平或脉冲信号进行放大后，通过驱动功率开关电流检测电路中功率调整管的基极，使电路既能输出直流电压、电流，也能输出脉冲形式的电压、电流，实现仪器设备的电平测量和脉冲测量；吸收滤波电路进行纹波、噪声滤波净化；输出防反接电路，避免了负载对电路的影响。
[0022] 如图2所述，该无缝接入电压电流换挡控制系统的工作原理为：在电压、电流控制输出换档工作时，电流限值由电阻R17、R27和R31的阻值来控制，因为三极管V11、V21、V31的b-e极之间的端电压Vbe是一定的(为0.5V)，因此，对应流过限流电阻R17、R27和R31的限流值IS1、IS2、IS3也是一定的，根据需要输出的电流来调节电阻R17、R27和R31的大小，以确保电路在一定的输出电流范围内能正常调控输出。其中，高电压低电流量程切换限流电路对应的电压大小为120V，电流大小为0.125A；中电压中电流量程切换限流电路对应的电压大小为60V，电流大小为0.25A；低电压高电流量程切换限流电路对应的电压大小为30V，电流大小为0.5A。
[0023] 当输出电流小于高电压低电流量程切换限流电路的电流限值IS1时，限流电阻R17、R27和R31上的压降均小于三极管V11、V21、V31的基极端电压，三极管V11、V21、V31关断，三极管V12、V22、V32导通，分别为三极管V13、V23、V33提供基极电流，功率三极管V13、V23、V33导通，但因为输入电压+Vin1的电压值远高于+Vin2、+Vin3电压值，二极管V14、V24反向截止，只有输入电压+Vin1经由L1、V13、R17、V23、R27、V33、R31通路施加到功率调整三极管V42的集电极，图2中功率调节输入信号PA-IN是由输出电压Force-COM和输出电流取样信号I-Sense经过一系列的处理运算得到的，通过功率调节输入信号PA-IN对功率调整三极管V42的精确调整控制，经由V42、R45、V43通路输出。既要保证功率调整三极管V42可靠工作在放大区，又要综合考虑功率调整三极管V42功耗限制设计要求，因此V42的集电极、发射极之间压降设计为4V，设计原理是通过分压电阻R33、R34将电阻R34上的电压值限定在5V左右，减去电阻R37、三极管V32和V33的b-e极导通压降约1V，这样就能保证V42的集电极、发射极之间压降设计为4V左右，再考虑到功率通路中其它功率三极管、限流电阻、二极管的工作压降，以及工作电流等因素，本发明将输入电压+Vin1、+Vin2、+Vin3和输出电压Force-COM之间的可调节压差均设计为10V。因此输出电压为0～(+Vin1-10V)量程，输出电流为0～IS1量程。
[0024] 当输出电流趋向高电压低电流量程切换限流电路的电流限值IS1时，限流电阻R17上的压降逼近三极管V11的基极端电压，三极管V11逐渐导通，三极管V12逐渐关断，三极管V12为功率三极管V13提供的基极电流逐渐减小，功率三极管V13逐渐关断，功率三极管V13的集电极和发射极之间的压降逐渐增大，二极管V14的阴极电压逐渐下降，直至当输出电流达到高电压低电流量程切换限流电路的电流限值IS1时，二极管V14的阴极电压值下降到(+Vin2-0.5V)，这里二极管V14的正向压降约为0.5V，二极管V14正向导通，输入电压+Vin2通过二极管V14实现无缝接入；当输出电流大于高电压低电流量程切换限流电路的电流限值IS1时，使得限流电阻R17上的压降大于三极管V11的b-e极之间的端电压Vbe，促使三极管V11完全导通，三极管V12关断，不再为功率三极管V13提供基极电流，功率三极管V13关断，电压+Vin1完全截止。此时，限流电阻R27、R31上的电压均小于三极管V21、V31的基极端电压，三极管V21、V31关断，三极管V22、V32导通，分别为功率三极管V23、V33提供基极电流，功率三极管V23、V33导通，但因为+Vin2电压值远高于+Vin3电压值，二极管V24反向截止，输入电压+Vin2经由L2、V14、R17、V23、R27、V33、R31通路施加到功率调整三极管V42的集电极，通过功率调节输入信号PA-IN对功率调整三极管V42的精确调整控制，经由V42、R45、V43通路输出，因此输出电压为0～(+Vin2-10V)量程，输出电流为IS1～IS2量程。
[0025] 当输出电流趋向中电压中电流量程切换限流电路的电流限值IS2时，限流电阻R27上的压降逼近三极管V21的基极端电压，三极管V21逐渐导通，三极管V22逐渐关断，三极管V22为功率三极管V23提供的基极电流逐渐减小，功率三极管V23逐渐关断，功率三极管V23的集电极和发射极之间的压降逐渐增大，二极管V24的阴极电压逐渐下降，直至当输出电流达到高电压低电流量程切换限流电路的电流限值IS2时，二极管V24的阴极电压值下降到(+Vin3-0.5V)，这里V24的正向压降约为0.5V，二极管V24正向导通，输入电压+Vin3通过二极管V24实现无缝接入；当输出电流大于中电压中电流量程切换限流电路的电流限值IS2时，使得限流电阻R27上的压降大于三极管V21的b-e极之间的端电压Vbe，促使三极管V21完全导通，三极管V22关断，不再为功率三极管V23提供基极电流，功率三极管V23关断，输入电压+Vin2完全截止。此时，限流电阻R31上的电压小于三极管V31的基极端电压，三极管V31关断，三极管V32导通，为功率三极管V33提供基极电流，功率三极管V33导通，输入电压+Vin3经由L3、V24、R27、V33、R31通路施加到功率调整三极管V42的集电极，通过功率调节输入信号PA-IN对功率调整三极管V42的精确调整控制，经由V42、R45、V43通路输出，因此输出电压为0～(+Vin3-10V)量程，输出电流为IS2～IS3量程。
[0026] 当输出电流趋向低电压高电流量程切换限流电路的电流限值IS3时，限流电阻R31上的电压逼近三极管V31的基极端电压，三极管V31逐渐导通，三极管V32逐渐关断，三极管V32为功率三极管V33提供的基极电流逐渐减小，功率三极管V33逐渐关断，直至当输出电流大于低电压高电流量程切换限流电路的电流限值IS3时，功率三极管V33关断，输入电压+Vin3完全截止。与此同时，由功率开关电流检测电路将限流电阻R45上检测的电流限值进行一系列的处理运算，使得功率调整输入信号PA-IN变为低电平关断信号，低电平关断信号通过电阻R41施加到三极管V41基极，三极管V41关断，不再为功率调整三极管V42提供基极电流，功率调整三极管V42关断，实现电路保护。
[0027] 三极管V11、V21、V31均为小功率三极管，分别用于限流电阻R17、R27、R31上电流信号的一次放大，选用放大倍数、频率特征参数较高的小型三极管，实现相应的放大控制要求；三极管V12、V22、V32均为中小功率三极管，分别用于限流电阻R17、R27、R31上电流信号的二次放大，以及分别为功率调整管V13、V23、V33提供基极驱动电流，采用高电压、中小电流的三极管即可实现对功率调整管V13、V23、V33的驱动控制，易于选择放大倍数、频率特征参数相对较高的三极管；三极管V13、V23、V33均为功率三极管，分别用于高电压低电流、中电压中电流、低电压高电流三级电压电流量程的切换控制，主要是要求额定电压、额定电流应分别满足+Vin1、+Vin2、+Vin3和IS1、IS2、IS3的功率三极管。功率调整三极管V42只需额定电流满足限流值IS3的要求，额定电压则要求很低，所以非常容易选择放大倍数较大的三极管，提高调整速度、灵敏度。电阻R46、电容C43、C44组成吸收滤波电路，用于电压电流的纹波和噪声的滤波净化，电阻R46选用普通功率即可，但电容C43、C44则需要选用泄漏电流较低、频率特性较好的电容器。限流电阻R17、R27、R31在一定程度上决定了IS1、IS2、IS3的限流值和准确度，选用精度较高、温度系数较好的精密功率电阻，以保证IS1、IS2、IS3的限流值和准确度；同样分压电阻R33、R34也在一定程度上决定了功率调整三极管V42的工作电压调节范围，选用精度较高、性能稳定的精密电阻，以确保功率调整三极管V42的电压工作点和功耗限制。限流电阻R17、R27、R31，以及分压电阻R33、R34的选择应按照公式(1)、(2)进行。
[0028] R17＝0.5/IS1，R27＝0.5/IS2，R31＝0.5/IS3 (1)
[0029] R34÷(R33+R34)×15＝5，即R33＝2*R34 (2)
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