一种具有电压监控功能的电源板卡

技术领域

本发明涉及电路技术领域，尤其涉及一种具有电压监控功能的电源板卡。

背景技术

电源板卡是电力机车的网络控制系统和牵引控制系统的重要组成部分，负责给列车车辆的变流器、变压器、控制器等主要设备供电。这些设备的供电电源若不稳定，则会直接影响各功能模块的正常运行，严重的可能导致设备失效或者起火，从而直接影响列车的安全行驶。其稳定性直接影响到变流器、变压器、控制器等主要设备的稳定性和可靠性，对列车安全运行有着非常重要的作用，现有电源板卡没有高电压检测保护功能，电源板卡低电压检测精度不足，当输入电压超出范围时不能自动关闭板卡，且无法将故障信息发送给其他设备。

发明内容

本发明提供一种具有电压监控功能的电源板卡，以克服没有高电压检测保护功能、电源板卡低电压检测精度不足，当输入电压超出范围时不能自动关闭板卡，且无法将故障信息发送给其他设备的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种具有电压监控功能的电源板卡，其特征在于：包括前面板接口，背板接口，滤波保护电路，高电压检测电路，低电压检测电路，DC/DC开关电路；

滤波保护电路用于滤除外部输入电源的干扰，为电源板卡提供输入电压；

高电压检测电路用于检测输入电压中的高压电检测信号，并将高压电检测信号传输给中央处理单元；

低电压检测电路用于检测输入电压中的低压电检测信号，并将低压电检测信号传输给中央处理单元；

DC/DC开关电路用于控制电源板卡工作状态；

前面板接口输出端与滤波保护电路输入端相连，滤波保护电路输出端分别与高电压检测信号输入端、低电压检测信号输入端和DC/DC开关电路输入端相连，高电压检测信号输出端、低电压检测信号输出端与DC/DC开关电路输入端和背板接口输入端相连、DC/DC开关电路输出端与背板接口输入端相连。

进一步的，高电压检测电路包括第一压敏电阻D9、第一并联稳压器U2、第一开关管Q2、第二开关管Q3、第一光耦元件U1、第一稳压管D8、第二稳压管D10、第一限流电阻R9、第二限流电阻R14、第三限流电阻R7、第一下拉电阻R15、第一上拉电阻R8、第二上拉电阻R10、第一调试电阻R13、第一运算放大器IC1A，第一电容C9、第二电容C10、第三电容C11、第一分压电阻R20、第二分压电阻R11、第一精密电阻R12、第二精密电阻R17、第三精密电阻R18和第四精密电阻R19；

第一压敏电阻D9与第二电容C10、第三精密电阻R18、第四精密电阻R19并联，第一限流电阻R9、第二分压电阻R11、第一电容C9并联，第一并联稳压器U2介于第四精密电阻R19与第一限流电阻R9之间，第一精密电阻R12一端连接第三精密电阻R18，另一端连接第三限流电阻R7一端；第三限流电阻R7另一端连接第一稳压管D8一端，第一稳压管D8另一端连接第二稳压管D10一端，第二稳压管D10另一端连接第一并联稳压器U2和第一分压电阻R20一端；第一分压电阻R20一端连接第二稳压管D10与第三电容C11一端，另一端连接第二分压电阻R11；第三电容C11一端连接第一分压电阻R20与第二精密电阻R17，另一端连接第一电容C9和第二开关管Q3；同时第二开关管Q3与第二精密电阻R17一端和第一光耦元件U1一端相连；第一光耦元件U1另一端连接第一调试电阻R13一端、第一上拉电阻R8一端和第一开关管Q2一端，第一下拉电阻R15介于第一调试电阻R13和第一开关管Q2之间；第二上拉电阻R10连接第一开关管Q2；第二限流电阻R14一端介于第一下拉电阻R15和第一开关管Q2之间，第二限流电阻R14另一端连接第一运算放大器IC1A。

进一步的，第一并联稳压器U2管脚1连接第一限流电阻R9，第一并联稳压器U2管脚2、管脚3、管脚6、管脚7短接后连接输入电压负端；第一光耦元件U1管脚1连接第三限流电阻R7，第一光耦元件U1管脚2连接第二开关管Q3，第一光耦元件U1管脚3连接第一调试电阻R13，第一光耦元件U1管脚4连接第一上拉电阻R8。

进一步的，第一调试电阻R13为0欧姆。

进一步的，低电压检测电路包括第二压敏电阻D12、第二并联稳压器U5、第三开关管Q6、第四开关管Q7、第二光耦元件U4、第四限流电阻R37、第五限流电阻R26、第六限流电阻R24、第七限流电阻R33、第二运算放大器IC1B、第三稳压管D11、第四稳压管D13、第三上拉电阻R28、第四上拉电阻R29、第二调试电阻R32、第四电容C15、第五电容C16、第六电容C17、第五精密电阻R34、第六精密电阻R35、第七精密电阻R31、第三分压电阻R36和第四分压电阻R30；

第五电容C16、第五精密电阻R34、第六精密电阻R35并联后串联连接第七精密电阻R31一端、第二压敏电阻D12一端和第二并联稳压器U5一端，第七精密电阻R31另一端和第二压敏电阻D12另一端与滤波保护电路输出端相连，第二并联稳压器U5另一端与第五限流电阻R26一端、第四稳压管D13一端、第六电容C17一端和第七限流电阻R33一端相连，第四稳压管D13、第三稳压管D11串联后连接第六限流电阻R24一端，第三分压电阻R36、第四分压电阻R30串联后连接第六限流电阻R24一端，第六电容C17和第四电容C15串联后连接第六限流电阻R24一端，第四开关管Q7介于第六电容C17和第四电容C15之间，第七限流电阻R33、第四开关管Q7和第二光耦元件U4的管脚1、管脚2串联后连接第六限流电阻R24一端，第六限流电阻R24另一端连接第五限流电阻R26，第二光耦元件U4的管脚3连接第二调试电阻R32一端，U4的管脚4连接第四上拉电阻R29一端，第二调试电阻R32另一端和第四上拉电阻R29另一端，第三开关管Q6连接第四上拉电阻R29、第二调试电阻R32和第三上拉电阻R28，第四限流电阻R37一端介于第三上拉电阻R28和第三开关管Q6之间，第四限流电阻R37另一端连接第二运算放大器IC1B。

进一步的，第二并联稳压器U5管脚1连接第五限流电阻R26，第二并联稳压器U5管脚2、管脚3、管脚6、管脚7短接后连接输入电压负端，并且还与第四稳压管D13、第三分压电阻R36、第六电容C17和第七限流电阻R33相连。

进一步的，第二调试电阻R32为0欧姆。

进一步的，DC/DC开关电路包括第一三极管Q4、第二三极管Q5、DC/DC转换模块U3、第一调整电阻R22、第二调整电阻R23、第三调整电阻R27、第一输入限流电阻R16、第二输入限流电阻R21、第七电容C12、第八电容C13、第九电容C14和第二下拉电阻R25；

第一三极管Q4与第二三极管Q5并联输入端与DC/DC转换模块U3输出管脚8相连，第一三极管Q4与第二三极管Q5并联输出端与DC/DC转换模块U3控制端相连；第一三极管Q4输入端与第一输入限流电阻R16相连，第二三极管Q5输入端与第二输入限流电阻R21相连，DC/DC转换器U3管脚1连接输入电源Vin1，DC/DC转换器U3管脚2连接第二下拉电阻R25，DC/DC转换模块U3管脚3连接输入电源Vin2，DC/DC转换模块U3管脚8、管脚7短接后连接第二调整电阻R23，第二调整电阻R23连接背板接口输入端，DC/DC转换模块U3管脚6连接第一调整电阻R22，DC/DC转换模块U3管脚4、管脚5短接后连接背板接口输入端，DC/DC转换模块U3管脚2与第九电容C14相连，DC/DC转换模块U3管脚4、管脚5短接后与第九电容C14相连，第一调整电阻R22介于第三调整电阻R27和第二调整电阻R23之间，第七电容C12与第八电容C13并联后连接DC/DC转换模块U3管脚8和DC/DC转换模块U3管脚4，第三调整电阻R27一端连接第一调整电阻R22和第二调整电阻R23，第三调整电阻R27另一端连接DC/DC转换模块U3管脚4。

有益效果：本发明提供一种同时具有高精度高电压检测保护与低电压检测保护功能的电源板卡，当电源板卡前面板接口进入的输入电压超过一定的高电压阈值，或者低于一定的低电压阈值时，板卡能够自动关闭DC/DC开关电路，从而起到保护板卡自身及其所供电的设备的功能；同时将高电压信号与低电压信号通过背板接口发送给列车的主要控制设备，从而方便列车驾驶人员及控制系统做出合理及时的安全动作，从而保证列车的安全运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种具有电压监控功能的电源板卡电源板卡结构图；

图2为本发明一种具有电压监控功能的电源板卡高电压检测电路；

图3为本发明一种具有电压监控功能的电源板卡低电压检测电路；

图4为本发明一种具有电压监控功能的电源板卡DC/DC开关电路。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种具有电压监控功能的电源板卡，如图1，包括前面板接口，背板接口，滤波保护电路，高电压检测电路，低电压检测电路，DC/DC开关电路；

滤波保护电路用于滤除外部输入电源的干扰，为电源板卡提供输入电压；

高电压检测电路用于检测输入电压中的高压电检测信号，并将高压电检测信号传输给中央处理单元；

低电压检测电路用于检测输入电压中的低压电检测信号，并将低压电检测信号传输给中央处理单元；

DC/DC开关电路用于控制电源板卡工作状态；

前面板接口输出端与滤波保护电路输入端相连，滤波保护电路输出端分别与高电压检测信号输入端、低电压检测信号输入端和DC/DC开关电路输入端相连，高电压检测信号输出端、低电压检测信号输出端与DC/DC开关电路输入端和背板接口输入端相连、DC/DC开关电路输出端与背板接口输入端相连。

外接电源通过前面板接口接入板卡，经过滤波保护电路后接入DC/DC开关电路，经过电压变换后通过背板给远程输入输出单元、中央控制单元、交换机、中继器、控制器等供电；经过滤波保护电路后也可分别接入高电压检测电路和低电压检测电路，分别发出高电压检测信号与低电压检测信号，这两个信号一方面可以直接接入DC/DC开关电路直接控制板卡的工作状态，另一方面通过背板发送给远程输入输出单元、中央控制单元、交换机、中继器、控制器等，作为整个列车系统安全策略的判定依据。

高精度的高电压检测与低电压检测电路方案，并利用检测结果直接控制DC/DC开关电路的通断。具体为：中央处理单元预留一个控制开关，可以直接控制整个电路的通断，控制开关直接控制DC/DC转换模块，其控制条件为DC/DC转换模块引脚接入低电平时，整个DC/DC开关电路导通，若DC/DC转换模块接入高电平，整个DC/DC开关电路关闭。

同时还将检测信号通过背板接口发送给中央处理单元，检测信号的精度可达1％以内，在输入电压过高或者过低时能够自动保护性关闭，并将检测信号报送给其他设备，能够有效提高电源板卡的安全稳定性和使用寿命。

如图2，在具体实施例中，所述高电压检测电路的优选方案是：包括第一压敏电阻D9、第一并联稳压器U2、第一开关管Q2、第二开关管Q3、第一光耦元件U1、第一稳压管D8、第二稳压管D10、第一限流电阻R9、第二限流电阻R14、第三限流电阻R7、第一下拉电阻R15、第一上拉电阻R8、第二上拉电阻R10、第一调试电阻R13、第一运算放大器IC1A，第一电容C9、第二电容C10、第三电容C11、第一分压电阻R20、第二分压电阻R11、第一精密电阻R12、第二精密电阻R17、第三精密电阻R18和第四精密电阻R19；

第一压敏电阻D9与第二电容C10、第三精密电阻R18、第四精密电阻R19并联，第一限流电阻R9、第二分压电阻R11、第一电容C9并联，第一并联稳压器U2介于第四精密电阻R19与第一限流电阻R9之间，第一精密电阻R12一端连接第三精密电阻R18，另一端连接第三限流电阻R7一端；第三限流电阻R7另一端连接第一稳压管D8一端，第一稳压管D8另一端连接第二稳压管D10一端，第二稳压管D10另一端连接第一并联稳压器U2和第一分压电阻R20一端；第一分压电阻R20一端连接第二稳压管D10与第三电容C11一端，另一端连接第二分压电阻R11；第三电容C11一端连接第一分压电阻R20与第二精密电阻R17，另一端连接第一电容C9和第二开关管Q3；同时第二开关管Q3与第二精密电阻R17一端和第一光耦元件U1一端相连；第一光耦元件U1另一端连接第一调试电阻R13一端、第一上拉电阻R8一端和第一开关管Q2一端，第一下拉电阻R15介于第一调试电阻R13和第一开关管Q2之间；第二上拉电阻R10连接第一开关管Q2；第二限流电阻R14一端介于第一下拉电阻R15和第一开关管Q2之间，第二限流电阻R14另一端连接第一运算放大器IC1A。

第一压敏电阻D9可以防止浪涌冲击，第一并联稳压器其特性为当REF输入管脚信号大于阈值电压Vth1时，内部管脚1、管脚2管脚会导通，当REF输入管脚信号小于阈值电压Vth1时，内部管脚1、管脚2管脚会断开，查器件手册可得定值Vth1。通过设定第一精密电阻R12、第三精密电阻R18、第四精密电阻R19的值调节高电压检测阈值Vth2，当输入电压Vin1＞Vth2时，第四精密电阻R19两端电压大于Vth1，则第一并联稳压器U2管脚1、管脚2内部导通，从而使得第一分压电阻R20两端短接，使得第二开关管Q3的Vgs栅源极电压小于导通阈值，从而导致第二开关管Q3关闭，第一光耦元件U1不导通。此时第一开关管Q2的Vgs栅源极电压为5V，第一开关管Q2导通，即5V高电平信号经过第二限流电阻R14后接入第一运算放大器IC1A，此时ACFAIL_1信号为5V高电平。当输入电压Vin1＜Vth2时，第四精密电阻R19两端电压小于Vth1，则第一并联稳压器U2管脚1、管脚2内部断开，从而使得第一分压电阻R20两端电压升高，使得第二开关管Q3的Vgs栅源极电压大于导通阈值，从而导致第二开关管Q3导通，第一光耦元件U1导通。此时第一开关管Q2的Vgs栅源极电压小于导通阈值，第一开关管Q2关断，即0V信号经过第二限流电阻后接入第一运算放大器IC1A，此时ACFAIL_1信号为0V低电平。其中电阻第一精密电阻R12、第三精密电阻R18、第四精密电阻R19起到设定第一并联稳压器U2动作阈值和限定REF输入电流的作用；第一限流电阻R9用于防止第一并联稳压器U2内部过流损坏；第三限流电阻R7、第二精密电阻R17为防止第一光耦元件输入端过流损坏；第三限流电阻R7、第二分压电阻R11、第一分压电阻R20共同组成分压电路，保证第二开关管Q3的栅源极、栅漏极电压，起到分压和保护的作用，提供足够的电压控制第二开关管Q3的导通与关闭；第一稳压管D8、第二稳压管D10起到稳压保护的作用，当输入电压Vin1过高时，第一稳压管D8、第二稳压管D10导通，将第二开关管Q3管脚间电压限定在安全值以内，从而保护右侧电路；第一光耦元件U1起到高压侧检测电路与低压侧检测输出信号的光电隔离；第一上拉电阻R8、第二上拉电阻R10用于限流；第一下拉电阻R15、第二限流电阻R14用于第一运算放大器IC1A；第一调试电阻R13此处为0Ω；第一运算放大器IC1A用于电压跟随和电压信号的隔离。

如图3，在具体实施例中，所述低电压检测电路的优选方案是:包括第二压敏电阻D12、第二并联稳压器U5、第三开关管Q6、第四开关管Q7、第二光耦元件U4、第四限流电阻R37、第五限流电阻R26、第六限流电阻R24、第七限流电阻R33、第二运算放大器IC1B、第三稳压管D11、第四稳压管D13、第三上拉电阻R28、第四上拉电阻R29、第二调试电阻R32、第四电容C15、第五电容C16、第六电容C17、第五精密电阻R34、第六精密电阻R35、第七精密电阻R31、第三分压电阻R36和第四分压电阻R30；

第五电容C16、第五精密电阻R34、第六精密电阻R35并联后串联连接第七精密电阻R31一端、第二压敏电阻D12一端和第二并联稳压器U5一端，第七精密电阻R31另一端和第二压敏电阻D12另一端与滤波保护电路输出端相连，第二并联稳压器U5另一端与第五限流电阻R26一端、第四稳压管D13一端、第六电容C17一端和第七限流电阻R33一端相连，第四稳压管D13、第三稳压管D11串联后连接第六限流电阻R24一端，第三分压电阻R36、第四分压电阻R30串联后连接第六限流电阻R24一端，第六电容C17和第四电容C15串联后连接第六限流电阻R24一端，第四开关管Q7介于第六电容C17和第四电容C15之间，第七限流电阻R33、第四开关管Q7和第二光耦元件U4的管脚1、管脚2串联后连接第六限流电阻R24一端，第六限流电阻R24另一端连接第五限流电阻R26，第二光耦元件U4的管脚3连接第二调试电阻R32一端，U4的管脚4连接第四上拉电阻R29一端，第二调试电阻R32另一端和第四上拉电阻R29另一端，第三开关管Q6连接第四上拉电阻R29、第二调试电阻R32和第三上拉电阻R28，第四限流电阻R37一端介于第三上拉电阻R28和第三开关管Q6之间，第四限流电阻R37另一端连接第二运算放大器IC1B。

第二压敏电阻D12可以防止浪涌冲击，第二并联稳压器U5与第一并联稳压器U2相同，当REF输入管脚信号大于阈值电压Vth1时，管脚1、管脚2管脚会导通，当REF输入管脚信号小于阈值电压Vth1时，管脚1、管脚2会断开，查器件手册可得定值Vth1。通过设定电阻第七精密电阻R31、第五精密电阻R34、第六精密电阻R35可以设定低电压检测阈值Vth3，当输入电压Vin1＞Vth3时，第六精密电阻R35两端电压大于Vth1，则第二并联稳压器U5管脚1、管脚2内部导通，从而使得第三分压电阻R36两端短接，使得第四开关管Q7的Vgs栅源极电压小于导通阈值，从而导致第四开关管Q7关闭，第二光耦元件U4不导通。此时第三开关管Q6的Vgs栅源极电压为5V，第三开关管Q6导通，即0V低电平信号经过第四限流电阻R37后接入第二运算放大器IC1B，此时ACFAIL_2信号为0V低电平。当输入电压Vin1＜Vth3时，第六精密电阻R35两端电压小于Vth1，则第二并联稳压器U5管脚1、管脚2内部断开，从而使得第三分压电阻R36两端电压升高，使得第四开关管Q7的Vgs栅源极电压大于导通阈值，从而导致第四开关管Q7导通，第二光耦元件U4导通。此时第三开关管Q6的Vgs栅源极电压小于导通阈值，第三开关管Q6关断，即5V信号经过第四限流电阻R37后接入第二运算放大器IC1B，此时ACFAIL_2信号为5V高电平。第七精密电阻R31、第五精密电阻R34、第六精密电阻R35起到设定第二并联稳压器U5动作阈值和限定REF输入电流的作用；限流电阻R26为用于防止第二并联稳压器U5内部过流损坏；第六限流电阻R24、第七限流电阻R33防止第二光耦元件U4输入端过流损坏；第六限流电阻R24、第四分压电阻R30、第三分压电阻R36共同组成分压电路，保证第四开关管Q7的栅源极、栅漏极电压，起到分压和保护的作用，提供足够的电压控制第四开关管Q7的导通与关闭；稳压管D11、D13起到稳压保护的作用，当输入电压Vin1过高时，第三稳压管D8、第二稳压管D10导通，将第四开关管Q7管脚间电压限定在安全值以内，从而保护右侧电路；第二光耦元件U4起到高压侧检测电路与低压侧检测输出信号的光电隔离；第四上拉电阻R29、第三上拉电阻R28用于限流；第四限流电阻R37用于第二运算放大器IC1B；第二调试电阻R32、此处为0Ω；第二运算放大器IC1B用于电压跟随和电压信号隔离。第一并联稳压器U2、第二并联稳压器U5可以为LR431A或LR431ALT1等器件。

如图4，在具体实施例中，所述DC/DC开关电路的优选方案是:第一三极管Q4、第二三极管Q5、DC/DC转换模块U3、第一调整电阻R22、第二调整电阻R23、第三调整电阻R27、第一输入限流电阻R16、第二输入限流电阻R21、第七电容C12、第八电容C13、第九电容C14和第二下拉电阻R25；

第一三极管Q4与第二三极管Q5并联输入端与DC/DC转换模块U3输出管脚8相连，第一三极管Q4与第二三极管Q5并联输出端与DC/DC转换模块U3控制端相连；第一三极管Q4输入端与第一输入限流电阻R16相连，第二三极管Q5输入端与第二输入限流电阻R21相连，DC/DC转换器U3管脚1连接输入电源Vin1，DC/DC转换器U3管脚2连接第二下拉电阻R25，DC/DC转换模块U3管脚3连接输入电源Vin2，DC/DC转换模块U3管脚8、管脚7短接后连接第二调整电阻R23，第二调整电阻R23连接背板接口输入端，DC/DC转换模块U3管脚6连接第一调整电阻R22，DC/DC转换模块U3管脚4、管脚5短接后连接背板接口输入端，DC/DC转换模块U3管脚2与第九电容C14相连，DC/DC转换模块U3管脚4、管脚5短接后与第九电容C14相连，第一调整电阻R22介于第三调整电阻R27和第二调整电阻R23之间，第七电容C12与第八电容C13并联后连接DC/DC转换模块U3管脚8和DC/DC转换模块U3管脚4，第三调整电阻R27一端连接第一调整电阻R22和第二调整电阻R23，第三调整电阻R27另一端连接DC/DC转换模块U3管脚4。

ACFAIL_1\2两路信号分别经过第一三极管Q4、第二三极管Q5接入DC/DC转换模块U3的控制管脚，DC/DC转换模块U3的控制管脚为低电平时模块正常导通，电压输出正常接入背板接口；控制管脚为高电平时模块关闭，不再向背板接口输出电压。结合表1电压检测信号表可知，当输入Vin1超过设定高电压阈值Vth2时，信号ACFAIL_1位高电平时，第一三极管Q4导通条件为高电平，DC/DC转换模块U3关闭，整个电路板处于保护状态，背板接口无电压输出，但有过压信号输出，发送给外部控制系统进行报警；当输入Vin1低于设定低电压阈值Vth3时，第二三极管Q5导通条件为高电平，DC/DC转换模块U3关闭，整个电路板处于保护状态，背板接口无电压输出，但有欠压信号输出，发送给外部控制系统进行报警；当输入Vth3＜Vin1＜Vth2，DC/DC转换模块导通条件为低电平，DC/DC转换模块正常导通，电源板卡正常输出电压到背板接口。第一输入限流电阻R16、第二输入限流电阻R21、第二下拉电阻R25即有限流保护第一三极管Q4、第二三极管Q5的作用，也有下拉信号的作用。第一调整电阻R22、第二调整电阻R23、第三调整电阻R27可以通过改变阻值调整DC/DC转换模块U3的输出电压值。第七电容C12、第八电容C13、第九电容C14为滤波电容，用于吸收输出纹波。

表1电压检测信号

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。