技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种电子负载开关，尤其涉及一种宽电压适应性的高效率智能高边电子负载开关。
背景技术
[0002] 相比机械开关，使用
半导体技术实现通断的电子负载开关具有体积小、损耗低、动作速度快、通断可靠、有效寿命长、可实现PWM输出等优点，是各类直流电器驱动、PWM控制不可或缺的模
块，应用十分广泛。
[0003] 虽然电子负载开关在应用上具有很多优势，但其主要部件开关管对驱动条件要求很高，尤其对工作电压特别敏感，不同的工作电压下，开关管的性能会有很大的变化，导致性能下降甚至无法正常工作或发热烧毁；为了应对这一问题，一般电子负载开关产品对其工作电压范围都会作出严格限定，不同工作电压段的产品不允许通用；随着电子电气产品的发展，功能上只能单纯被动受控开通关断的电子负载开关已经难以满足高可靠性产品的需求，具有自主监控和负载安全保护等智能化功能的电子负载开关是未来发展的方向。
[0004] 负载开关按开关所处
位置可分为高边与低边两种，高边是指开关位于电源正极与负载正极之间；低边是指开关位于负载负极与电源负极之间，从负载通断性能上看，高边开关在安全性和耐用性上都优于低边开关，因为高边开关关断后负载侧不带电，各种保护开关管的措施也易于实现；但从设计
角度看，实现相同性能的前提下高边开关就较低边开关要更加困难；目前市面低边开关一般采用N
沟道MOS管作为开关管，结构简单，开关速度和效率都很高；高边开关一般多采用P沟道MOS管作为开关管，结构虽简单，但由于使用的是P沟道MOS管，其开关速度和效率较N沟道MOS管要差很多，发热较大，难以适用于高
频率或大
电流应用场合，若改为使用N沟道MOS管，又需解决开关管驱动电压高于负载电压的问题。
发明内容
[0005] 本实用新型要解决的技术问题是：针对
现有技术存在的问题，提供一种采用N沟道MOS管作为开关管、具有宽电压适应性的高效率智能高边电子负载开关，目的在于拓宽电子负载开关的电压适应范围，提高各种工作环境下开关产品的通用性、安全性、工作频率和开关效率，同
时针对开关智能化的需求，加入多种监控保护功能，实现对负载工况的智能监控和保护，以克服上述已有技术所存在的不足。
[0006] 本实用新型采取的技术方案是：一种宽电压适应性的高效率智能高边电子负载开关，包括供电模块、核心控
制模块、自举升压模块、电压检测模块、电流检测模块和开关模块；
[0007] 所述核心
控制模块的输入端
接口分别连接外部开关控制输入、电压检测模块和电流检测模块的输入端，其输出端接口分别连接自举升压模块和开关模块；所述电压检测模块和电流检测模块的输入端分别与供电模块连接，其输出端连接核心控制模块的输入端接口；所述自举升压模块的输入端与核心控制模块的输出端接口连接，自举升压模块的输出端连接开关模块；所述供电模块输入端与外部电源连接，输出端分别连接所述核心控制模块、自举升压模块、电流检测模块、电压检测模块和开关模块；所述供电模块用于接受外部供电电源输入，并为所述核心控制模块、自举升压模块、电流检测模块、电压检测模块和开关模块提供相应的供电和检测接入点。
[0008] 所述核心控制模块用于
信号采集、信息处理、存储和逻辑控制：一是接受外部开关控制
输入信号、电流检测模块和电压检测模块输出的检测信号，并按内部存储的程序处理分析监控数据，控制开关模块完成相应动作，二是为自举升压模块提供PWM
控制信号；所述电压检测模块用于检测开关模块的实时工作电压，并将检测数据传递给核心控制模块处理分析；所述电流检测模块用于检测开关模块的实时工作电流，并将检测数据传递给核心控制模块处理分析；所述自举升压模块用于接受核心控制模块的控制，为开关模块中的开关管提供所需的驱动电压；所述开关模块用于接受核心控制模块的控制，执行负载的通断动作。
[0009] 其进一步的技术方案是：所述核心控制模块包括数字微
控制器模块、内部电源管理模块、PWM模块、I/O控制器模块、非易失性
存储器模块、ADC模块和内部时钟模块；
[0010] 所述数字
微控制器模块是核心控制模块的控制中心，用于执行各种计算或指令；所述内部电源管理模块为所述数字微控制器模块、
非易失性存储器模块、I/O控制器模块、ADC模块、内部时钟模块、PWM模块提供合适的供电管控，一是用于接受数字微控制器模块的控制，关闭或开启除数字微控制器模块以外其他模块的供电，最小化系统电
力消耗，二是用于独立执行电压检测：当输入电压过低或不稳时发送通知给数字
微处理器模块，使其及时采取措施避免出现控制紊乱；内部电源管理模块使用1号端口作为输入负极，使用2端口作为输入正极；所述PWM模块用于根据数字微控制器的设定、产生一定频率和占空比的稳定PWM信号，并通过6号输出端口驱动控制自举升压模块的工作；所述I/O控制器模块用于为核心控制模块提供与数据交换和端口驱动的服务，并通过5号输出端口控制开关模块的通断，通过7号输入端口接收外部开关控制输入的指令：或直接将数字式指令信号传递给数字微控制器模块分析，或将模拟式指令信号送ADC模块处理转换后再提交给数字微控制器模块分析；所述非易失性存储器模块用于存贮判定
阀值变量的配置数据，并在数字微控制器模块的控制下对内数据进行写入、擦除、读取操作；所述ADC模块为
模数转换模块，用于采集
采样点电压，将所得数字信息转换后传送给数字微控制器模块处理，以监控和判断负载开关的工作电压电流情况是否正常；ADC模块使用3号端口作为电流检测输入口，4号端口作为电压检测输入口；所述内部时钟模块用于为数字微控制器提供工作所需
时钟信号。
[0011] 其更进一步的技术方案是：所述供电模块包括稳压管DZ1、
二极管D1、线性调压器N2、
电阻R1和电容C1；所述线性调压器N2用于对输入电压进行调整以输出稳定的低压直流电供其他低压
电路模块使用；所述稳压管DZ1用于吸收直流电源中的高压脉冲，避免线性调压器N2被击穿，所述二极管D1用于防止电流逆流、防止直流电源输入极性变化影响线性调压器N2；所述电阻R1和电容C1组成低通滤波电路，用于滤除线性调压器N2输入端上的高频纹波，以提高线性调压器N2输出
质量。
[0012] 所述电压检测模块包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、集成运放N3A、集成运放N3B和稳压管DZ2；所述电阻R2与电阻R3组成分压电路以产生直流电源输入的电压采样值，输入给采用正向跟随器接法的集成运放N3B；所述集成运放N3B用于隔离、稳定采样信号；所述电阻R5、电阻R6、电阻R7与集成运放N3A组成
差分放大器，用于对电压采样信号进行调整处理、并输出给核心控制模块进行分析；所述稳压管DZ2和电阻R4用于为所述
差分放大器提供稳定的参考电压。
[0013] 所述电流检测模块包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、集成运放N3C和集成运放N3D；所述电阻R8为采样电阻，用于采集直流电源输送给负载的总电流；所述电阻R9、电阻R10、电阻R11与电阻R12组成降压电阻网络，与由集成运放N3C和电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16组成的差分放大器共同对电流采样信号进行调整处理，再输送给核心控制模块进行分析；所述集成运放N3D和电阻R17、电阻R18为差分放大器提供静态工作点电压，以降低其放大失真。
[0014] 所述自举升压模块包括电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电容C3、二极管D2、
三极管V1、三极管V2、三极管V3、三极管V4和稳压管DZ3；所述R19为限流电阻，其一端连接核心控制模块的6号输出端口、即PWM模块输出端口，另一端连接三极管V1和三极管V2的发射极；所述电阻R20和电阻R21组成分压电路为PWM信号提供翻转参考电平，提高翻转效率；所述电容C3为自举电容，电阻R22与电容C3串接，用于电容C3充电的限流；所述二极管D2用于阻止电容C3电流逆流、限制电容C3
输出电压峰值，保护开关模块；所述三极管V3和三极管V4分别通过三极管V1和三极管V2的驱动，实现高低压的隔离及低压驱动高压的通断：
[0015] 当PWM输出高电平时，三极管V1和三极管V3截止，三极管V2和三极管V4导通，直流电源通过D2和R22给自举电容C3充电，电容C3充电完后保持两端电压与直流电源相同；
[0016] 当PWM输出变为低电平之后，三极管V1和三极管V3导通，三极管V2三极管V4截止，直流电源强行抬高电容C3负端电压，使电容C3正极得到2倍于直流
电源电压的电动势，用于驱动开关模块中的高边N沟道MOS管。
[0017] 所述开关模块包括电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、二极管D3、二极管D4、二极管D5、三极管V5、三极管V6、三极管V7、三极管V8、三极管V9、N沟道MOS管V10和可调
电阻器RP1；所述R23为限流电阻，其一端连接核心控制模块的5号输出端口，另一端连接三极管V5和三极管V6的发射极；所述电阻R24与电阻R25组成分压电路为核心控制模块输出的开关控制信号提供翻转参考电平，提高翻转效率；所述三极管V7和三极管V8分别通过三极管V5和三极管V6的驱动，实现高低压的隔离、以及低压驱动高压的通断：
[0018] 当开关控制信号为低电平时，三极管V6和三极管V8截止，三极管V5和三极管V7导通，自举升压模块输出的高电压通过限流电阻R26加到N沟道MOS管V10的栅级，使得N沟道MOS管V10导通，开始为负载供电；当开关控制信号为高电平时，三极管V6和三极管V8导通，三极管V5和三极管V7截止，N沟道MOS管V10栅极通过二极管D3快速放电拉
低电压，N沟道MOS管V10迅速截止，切断对负载的供电；
[0019] 所述三极管V9、电阻R27与可调电阻器RP1组成
负反馈电路，用于调节N沟道MOS管V10栅极最大输入电压的大小，以保护N沟道MOS管V10栅极不被过高电压击穿；所述二极管D4、电阻R28与电容C4组成RC脉冲吸收电路，用于吸收由负载引发的N沟道MOS管V10开通关断过程中源极与漏极间的瞬时高压脉冲，保护N沟道MOS管V10不被击穿；所述二极管D5用于负载为感性情况下，在N沟道MOS管V10关断瞬间为负载续流，保护N沟道MOS管V10不被击穿。
[0020] 由于采用上述技术方案，与现有技术相比，本实用新型之一种宽电压适应性的高效率智能高边电子负载开关具有如下有益效果：
[0021] 1.由于使用了完善的低压控制高压电路，提高了高压端可允许电压阀值，使得本实用新型之一种宽电压适应性的高效率智能高边电子负载开关具有更宽的工作电压范围和很高的工作频率；
[0022] 2. 本实用新型之一种宽电压适应性的高效率智能高边电子负载开关采用自举升压驱动高边N沟道MOS管的方式来实现开关的开通与关断，并辅以多种辅助电路，从而实现了开关的高效率、高频率、低损耗；
[0023] 3. 本实用新型之一种宽电压适应性的高效率智能高边电子负载开关使用了微控制器进行智能控制和监控，当监控发现异常的电压、电流时，可自动关断负载供电，避免在无人监控情况下出现危险状况，使开关本身和负载都得到了更安全的保护，具有更高的安全性；
[0024] 4．本实用新型之一种宽电压适应性的高效率智能高边电子负载开关具有可编程性，使得本负载开关的功能和适用范围得到极大拓展：
[0025] 在重负载应用情况下，为避免启动时因快速完全导通而引起突发大电流冲击电源，可编程使用PWM渐变占空比方式，控制启动过程中的输出电流有效值，实现输出电流由小及大的平缓过渡，完成重负载的软启动；
[0026] 通过可编程可实现复杂条件下的自动通断控制，如延时、定时通断、触发保护后的自定义再导通尝试；可以PWM方式对负载消耗功率进行调节，实现受控或自动的负载功率控制。
[0027] 下面结合
附图和
实施例对本实用新型之一种宽电压适应性的高效率智能高边电子负载开关的技术特征作进一步的说明。
附图说明
[0028] 图1为本实用新型之一种宽电压适应性的高效率智能高边电子负载开关结构
框图；
[0029] 图2为本实用新型之一种宽电压适应性的高效率智能高边电子负载开关电路图；
[0030] 图3为核心控制模块结构框图；
[0031] 图4为自举升压模块电路图；
[0032] 图5为电压检测模块电路图；
[0033] 图6为电流检测模块电路图；
[0034] 图7为开关模块电路图；
[0035] 图8为供电模块电路图。
[0036] 图中： 00—供电模块，11—核心控制模，110—数字微控制器模块，111—内部电源管理模块，112—PWM模块，113—I/O控制器模块，114—非易失性存储器模块，115—ADC模块，116—内部时钟模块，12—自举升压模块，13—电压检测模块， 14—电流检测模块，15—开关模块。
具体实施方式
实施例
[0037] 一种宽电压适应性的高效率智能高边电子负载开关，所述智能高边电子负载开关包括供电模块00、核心控制模块11、自举升压模块12、电压检测模块13、电流检测模块14和开关模块15；所述核心控制模块11的输入端接口分别连接外部开关控制输入、电压检测模块和电流检测模块的输入端，其输出端接口分别连接自举升压模块和开关模块；所述电压检测模块13和电流检测模块14的输入端分别与供电模块连接，其输出端连接核心控制模块的输入端接口；
[0038] 所述自举升压模块12的输入端与核心控制模块的输出端接口连接，自举升压模块的输出端连接开关模块；所述供电模块00输入端与外部电源连接，输出端分别连接所述核心控制模块、自举升压模块、电流检测模块、电压检测模块和开关模块；所述供电模块用于接受外部供电电源输入，并为所述核心控制模块、自举升压模块、电流检测模块、电压检测模块和开关模块提供相应的供电和检测接入点。
[0039] 所述核心控制模块11用于信号采集、信息处理、存储和逻辑控制：一是接受外部开关控制输入信号、电流检测模块和电压检测模块输出的检测信号，并按内部存储的程序处理分析监控数据，控制开关模块完成相应动作，二是为自举升压模块提供PWM控制信号；所述电压检测模块13用于检测开关模块的实时工作电压，并将检测数据传递给核心控制模块处理分析；所述电流检测模块14用于检测开关模块的实时工作电流，并将检测数据传递给核心控制模块处理分析；所述自举升压模块12用于接受核心控制模块的控制，为开关模块中的开关管提供所需的驱动电压；所述开关模块15用于接受核心控制模块的控制，执行负载的通断动作。
[0040] 所述核心控制模块11包括数字微控制器模块110、内部电源管理模块111、PWM模块112、I/O控制器模块113、非易失性存储器模块114、ADC模块115和内部时钟模块116；所述数字微控制器模块110是核心控制模块的控制中心，用于执行各种计算或指令；所述内部电源管理模块111为核心控制模块内的数字微控制器模块、非易失性存储器模块、I/O控制器模块、ADC模块、内部时钟模块、PWM模块提供合适的供电管控，一是用于接受数字微控制器模块的控制，关闭或开启除数字微控制器模块以外其他模块的供电，最小化系统电力消耗，二是用于独立执行电压检测：当输入电压过低或不稳时发送通知给数字微处理器模块，使其及时采取措施避免出现控制紊乱；内部电源管理模块使用1号端口作为输入负极，使用2端口作为输入正极；所述PWM模块112用于根据数字微控制器的设定、产生一定频率和占空比的稳定PWM信号，并通过6号输出端口驱动控制自举升压模块的工作；所述I/O控制器模块113用于为核心控制模块提供与数据交换和端口驱动的服务，并通过5号输出端口控制开关模块的通断，通过7号输入端口接收外部开关控制输入的指令：或直接将数字式指令信号传递给数字微控制器模块110分析，或将模拟式指令信号送ADC模块115处理转换后再提交给数字微控制器模块110分析；所述非易失性存储器模块114用于存贮判定阀值变量的配置数据，并在数字微控制器模块（110）的控制下对内数据进行写入、擦除、读取操作；所述ADC模块115为模数转换模块，用于采集采样点电压，将所得数字信息转换后传送给数字微控制器模块110处理，以监控和判断负载开关的工作电压电流情况是否正常；ADC模块使用3号端口作为电流检测输入口，4号端口作为电压检测输入口；所述内部时钟模块116为数字微控制器提供工作所需时钟信号。
[0041] 所述供电模块00包括稳压管DZ1、二极管D1、线性调压器N2、电阻R1和电容C1；所述线性调压器N2用于对输入电压进行调整以输出稳定的低压直流电供其他低压电路模块使用；所述稳压管DZ1用于吸收直流电源中的高压脉冲，避免线性调压器N2被击穿，所述二极管D1用于防止电流逆流、防止直流电源输入极性变化影响线性调压器N2；所述电阻R1和电容C1组成低通滤波电路，用于滤除线性调压器N2输入端上的高频纹波，以提高线性调压器N2输出质量。
[0042] 所述电压检测模块13包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、集成运放N3A、集成运放N3B和稳压管DZ2；所述电阻R2与电阻R3组成分压电路以产生直流电源输入的电压采样值，输入给采用正向跟随器接法的集成运放N3B；所述集成运放N3B用于隔离、稳定采样信号；所述电阻R5、电阻R6、电阻R7与集成运放N3A组成差分放大器，用于对电压采样信号进行调整处理、并输出给核心控制模块进行分析；所述稳压管DZ2和电阻R4用于为所述差分放大器提供稳定的参考电压。
[0043] 所述电流检测模块14包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、集成运放N3C和集成运放N3D；所述电阻R8为采样电阻，用于采集直流电源输送给负载的总电流；所述电阻R9、电阻R10、电阻R11与电阻R12组成降压电阻网络，与由集成运放N3C和电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16组成的差分放大器共同对电流采样信号进行调整处理，再输送给核心控制模块进行分析；所述集成运放N3D和电阻R17、电阻R18为差分放大器提供静态工作点电压，以降低其放大失真。
[0044] 所述自举升压模块12包括电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电容C3、二极管D2、三极管V1、三极管V2、三极管V3、三极管V4和稳压管DZ3；所述R19为限流电阻，其一端连接核心控制模块的6号输出端口、即PWM模块输出端口，另一端连接三极管V1和三极管V2的发射极；所述电阻R20和电阻R21组成分压电路为PWM信号提供翻转参考电平，提高翻转效率；所述电容C3为自举电容，电阻R22与电容C3串接，用于电容C3充电的限流；所述二极管D2用于阻止电容C3电流逆流、限制电容C3输出电压峰值，保护开关模块；所述三极管V3和三极管V4分别通过三极管V1和三极管V2的驱动，实现高低压的隔离及低压驱动高压的通断：
[0045] 当PWM输出高电平时，三极管V1和三极管V3截止，三极管V2和三极管V4导通，直流电源通过D2和R22给自举电容C3充电，电容C3充电完后保持两端电压与直流电源相同；当PWM输出变为低电平之后，三极管V1和三极管V3导通，三极管V2三极管V4截止，直流电源强行抬高电容C3负端电压，使电容C3正极得到2倍于直流电源电压的电动势；用于驱动开关模块中的高边N沟道MOS管。
[0046] 所述开关模块15包括电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、二极管D3、二极管D4、二极管D5、三极管V5、三极管V6、三极管V7、三极管V8、三极管V9、N沟道MOS管V10和可调电阻器RP1；所述R23为限流电阻，其一端连接核心控制模块的5号输出端口，另一端连接三极管V5和三极管V6的发射极；所述电阻R24与电阻R25组成分压电路为核心控制模块输出的开关控制信号提供翻转参考电平，提高翻转效率；所述三极管V7和三极管V8分别通过三极管V5和三极管V6的驱动，实现高低压的隔离、以及低压驱动高压的通断：
[0047] 当开关控制信号为低电平时，三极管V6和三极管V8截止，三极管V5和三极管V7导通，自举升压模块输出的高电压通过限流电阻R26加到N沟道MOS管V10的栅级，使得N沟道MOS管V10导通，开始为负载供电；当开关控制信号为高电平时，三极管V6和三极管V8导通，三极管V5和三极管V7截止，N沟道MOS管V10栅极通过二极管D3快速放电拉低电压，N沟道MOS管V10迅速截止，切断对负载的供电。
[0048] 所述三极管V9、电阻R27与可调电阻器RP1组成负反馈电路，用于调节N沟道MOS管V10栅极最大输入电压的大小，以保护N沟道MOS管V10栅极不被过高电压击穿；所述二极管D4、电阻R28与电容C4组成RC脉冲吸收电路，用于吸收由负载引发的N沟道MOS管V10开通关断过程中源极与漏极间的瞬时高压脉冲，保护N沟道MOS管V10不被击穿；所述二极管D5用于负载为感性情况下，在N沟道MOS管V10关断瞬间为负载续流，保护N沟道MOS管V10不被击穿。
[0049] 上述实施例中：
[0050] 1.所述核心控制模块采用为单一集成芯片、如MC9S08QD2CSC芯片，作为变换，在某些特殊情况下也可采用具有相应功能的模块集合体；
[0051] 2.上述实施例中所述时钟信号产生方式为RC电路方式，RC电路时钟频率和
精度都较低，受
温度影响较大，如需要更高频率，核心控制模块可以关闭内部时钟模块，使用外接的外部时钟模块来提供高频时钟信号。
[0052] 工作程序及原理
[0053] 将本开关设置为接受外部电平信号控制工作模式，开启过流、
短路保护和自恢复功能；
[0054] 接通直流电源，供电模块开始工作，核心控制模块上电完成自检启动等待外部开关指令，其PWM模块此时不工作，并保持开关模块处于关断状态；
[0055] 核心控制模块接收到外部开关指令接通负载，核心控制模块确认指令后开启PWM模块，使自举升压模块开始工作为开关模块提供驱动N沟道MOS管所需的电压，短暂的延时确保自举升压模块输出稳定后，控制开关模块开通，开始为负载供电；
[0056] 开关模块开通后，核心控制模块持续周期性接收电压检测模块、电流检测模块传来的检测信号，与自身预先存储的设定阀值进行对比，确认当前负载工作情况：
[0057] 如检测结果电压电流在正常范围内，就保持开关模块持续开通；
[0058] 如检测到电压正常，电流超阀值，可判定为负载电流过大，激活过流保护程序，控制开关模块关断负载输出，延迟一段预设时间后，重新控制开关模块开通负载供电，检测电压电流情况是否恢复正常，如恢复正常，开关模块可持续开通，如未恢复正常，开关模块关断，延迟一段预设时间后再次尝试开通，如此往复；
[0059] 如检测到电压低于电压阀值，同时电流高于电流阀值，可判定为出现负载短路，激活短路保护程序，控制开关模块关断负载输出，延迟一段预设时间后，重新控制开关模块开通负载供电，检测电压电流情况是否恢复正常，如恢复正常，开关模块可持续开通；如未恢复正常，开关模块关断，延迟一段预设时间后再次尝试开通；如连续3次尝试后电压电流仍未恢复正常，可判定此短路故障无法自行消除，PWM模块和自升压模块将停止工作，开关模块关断负载，核心控制模块也不再做恢复开通的尝试，直至本智能开关断电后重新上电为止。
