一种直流开关

技术领域

本发明涉及开关技术领域，尤其涉及一种直流开关。

背景技术

直流开关又称为直流快速开关或直流快速自动开关，它能对直流电路进行分闸、合闸操作，并在短路、过载时起跳闸保护作用。

在电力系统的一些应用场合中，例如配电场合，通常会采用直流继电器与直流电能表组合作为直流开关以控制大电流回路的通断，从而间接控制负载的运行与停止。

发明人在实现本发明创造的过程中发现：直流继电器在大电流切换场景中容易引起的直流电弧问题，为解决电弧的危害通常需要灭弧装置；直流继电器和接触器均为机械装置，存在切换寿命问题，不适合应用于频繁切换场合；直流继电器和接触器动作时间较长，负载短路时容易引起事故扩大。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种直流开关，可以解决现有的直流继电器大电流切换容易引起直流电弧的问题。

本发明实施例提供一种直流开关，包括：开关主电路、驱动控制电路及开关采样电路，所述开关主电路包括设于输入与输出回路中的MOS管，所述驱动控制电路的输入端用于连接控制器的输出端，驱动控制电路的输出端连接于所述MOS管；

所述开关采样电路包括输入电压采样电路及输出电流采样电路，所述输入电压采样电路包括第一分压电阻与第二分压电阻，所述第一分压电阻与第二分压电阻串联，所述第一分压电阻的输入端连接于供电电源，所述第二分压电阻的输出端接电源地，所述第一分压电阻与第二分压电阻之间的节点用于连接控制器的输入端；

所述输出电流采样电路包括采样电阻，所述采样电阻第一端连接于MOS管源极，第二端接电源地，所述采样电阻的两端还用于连接控制器的输入端。

根据本发明实施例的一种可选方式，所述输出电流采样电路还包括输入电阻、运算放大器及反馈电阻，所述输入电阻的输入端连接于所述采样电阻第一端，输出端连接于所述运算放大器的同相输入端，所述反馈电阻第一端连接于运算放大器的反相输入端，第二端连接于运算放大器输出端，所述反馈电阻的第一端还接电源地。

根据本发明实施例的又一种可选方式，在所述运算放大器的同相输入端还连接有偏置电路。

根据本发明实施例的一种可选方式，所述偏置电路包括直流电源、第一偏置电阻及第二偏置电阻，所述第一偏置电阻与第二偏置电阻串联，所述第一偏置电阻的输入端与所述直流电源连接，所述第一偏置电阻的输出端还连接于所述运算放大器的同相输入端，所述第二偏置电阻的输出端接电源地。

根据本发明实施例的一种可选方式，所述反馈电阻的第一端与运算放大器的反相输入端还串联有第一电阻，所述反馈电阻的第一端还通过所述第一电阻接电源地。

根据本发明实施例的一种可选方式，所述开关采样电路还包括：开关状态采样电路，所述开关状态采样电路包括第三分压电阻及第四分压电阻，所述第三分压电阻与第四分压电阻串联，所述第三分压电阻的输入端连接于所述MOS管的漏极，所述第四分压电阻的输出端接电源地，所述第三分压电阻与第四分压电阻之间的节点还用于连接控制器的输入端。

根据本发明实施例的一种可选方式，所述开关主电路还包括续流二极管，所述续流二极管的阴极连接于供电电源输出端，阳极连接于所述MOS管的漏极。

根据本发明实施例的一种可选方式，还包括输入防雷电路，所述输入防雷电路设于所述开关主电路的输入回路中，所述输入防雷电路包括：第一压敏电阻及第一电容，所述第一压敏电阻与第一电容分别并联于供电电源的正、负极，且所述供电电源的正极接大地，所述供电电源的负极接电源地。

根据本发明实施例的一种可选方式，还包括输出防雷电路，所述输出防雷电路设于所述开关主电路的输出回路中，所述输出防雷电路包括第二压敏电阻及第二电容，所述第二压敏电阻与第二电容分别并联于开关主电路输出端，且第二压敏电阻与第二电容分别一端连接供电电源正极，另一端连接于所述MOS管漏极。

根据本发明实施例的一种可选方式，所述MOS管的漏极还连接有电感元件。

根据本发明实施例的一种可选方式，在所述MOS管的漏极与采样电阻第二端之间并联有第一二极管。

根据本发明实施例的一种可选方式，所述开关驱动控制电路包括：第一控制信号输入电路、第二控制信号输入电路及三极管，所述第一控制信号输入电路上设有第二电阻，所述第二电阻的输入端用于与所述控制器的第一输出端连接，所述第二电阻的输出端通过第二二极管与所述三极管的基极连接；

所述第二控制信号输入电路上设有第三电阻，所述第三电阻的输入端用于与所述控制器的第二输出端连接，所述第三电阻的输出端与所述三极管的基极连接，所述三极管的集电极连接有上拉电阻，所述三极管的发射极接电源地；

所述第二电阻与所述第二二极管的之间的节点上还连接有钳位二极管，所述钳位二极管的另一端与所述MOS管的漏极相连。

本发明实施例提供的一种直流开关，包括开关主电路、驱动控制电路及开关采样电路，由于在开关主电路的输入与输出回路之间设置半导体开关器件MOS管以控制电流回路的通断，这样，在对负载供电或断电操作时不会存在电弧现象。

进一步地，由于设置了开关采样电路，包括用于连接控制器的输入电压采样电路及输出电流采样电路，可以实现对电压及电流进行采样，进而便于控制器自动准确地控制MOS管的通断，即控制回路的通断，从而一定程度上有效地保护电路中的负载及其他电子元件。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明提供的一实施例直流开关的电路原理图；

图2为图1中开关主电路一实施例电路原理图；

图3为图1中具有开关采样电路的开关主电路一实施例电路原理图；

图4为图1中开关主电路另一实施例电路原理图；

图5为图1中具有输入、输出防雷电路的开关主电路一实施例电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，为了更加清楚说明本发明，在以下的具体实施例中描述了众多技术细节，本领域技术人员应当理解，没有其中的某些细节，本发明同样可以实施。另外，为了凸显本发明的发明主旨，涉及的一些本领域技术人员所熟知的方法、手段、零部件及其应用等未作详细描述，但是，这并不影响本发明的实施。本文所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明提供的一实施例直流开关的电路原理图；图2为图1中开关主电路一实施例电路原理图；图3为图1中具有开关采样电路的开关主电路一实施例电路原理图。

如图1至图3所示，本发明实施例提供的直流开关，适用于电力配电系统中，用于控制电流回路的通断，进而控制负载的工作与停机。

图中，Vin是直流开关的输入端，VCC用于接供电电源正极，接地侧与电源负极连接，V

所述直流开关可以包括：开关主电路、驱动控制电路及开关采样电路，所述开关主电路包括设于输入与输出回路中的金属-氧化物半导体场效应晶体管M1(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，通常称为MOS管，以下为便于描述，统一采用术语MOS管)，MOS管M1为直流开关的核心开关器件，所述驱动控制电路的输入端用于连接控制器的输出端，控制器也可以认为是处理器，图中均以CPU表示；驱动控制电路的输出端连接于所述MOS管M1。

根据需求，当设备采用该直流开关时，负载RL需要供电工作时，MOS管M1导通，开关主电路导通，负载RL工作；当负载RL需要停止工作时，关断MOS管M1，开关主电路断开，负载RL停机。由于核心开关器件是半导体器件的功率MOS管M1，在对负载RL供电、断电操作时不会存在电弧现象。进一步地，功率MOS管M1的特性使然，基本可以实现无限次对负载RL供电、断电操作，因此可以适用于频繁电流通断切换场合。

所述开关采样电路包括输入电压采样电路及输出电流采样电路。

所述输入电压采样电路用于将高电压转化为控制器易于识别的低电压，进而实现输入电压的采集，使得控制器可以根据设定的过压保护阈值，自动控制电路的通断，实现输入过压保护。

所述输入电压采样电路采用分压电阻采样，具体包括第一分压电阻R10与第二分压电阻R12，所述第一分压电阻R10与第二分压电阻R12串联，所述第一分压电阻R10的输入端连接于供电电源VCC，所述第二分压电阻R12的输出端接电源地，所述第一分压电阻R10与第二分压电阻R12之间的节点用于连接控制器的输入端。这样，通过输入电压采样电路实现输入过压保护，防止因输入电源过压引起负载RL损坏。

具体地，还可以设置欠压保护阈值，控制器根据采集的输入电压值与设定的欠压保护阈值进行比较，可以实现输入欠压保护，防止因输入电源欠压压引起负载RL损坏；同样地，如果输入电源是电池类电源，还可起到对电池下电保护作用，防止电池深度放电损坏。

所述输出电流采样电路用于对输出电流的采样，其包括采样电阻Rs，所述采样电阻Rs第一端连接于MOS管M1源极，第二端接电源地，所述采样电阻Rs的两端还用于连接控制器的输入端，即图中的CPU采样接口，以使控制器实现对输出电流的采样与监视，在必要的时候可以自动切断电路，实现对负载RL的过流保护。

具体地，可以设置过流保护阈值，控制器根据采集的实际电流值与设定的过流保护阈值比较判断，进而实现对负载RL的过流保护控制。

本发明实施例提供的直流开关，包括开关主电路、驱动控制电路及开关采样电路，由于在开关主电路的输入与输出回路之间设置半导体开关器件MOS管M1以控制电流回路的通断，这样，在对负载RL供电或断电操作时不会存在电弧现象。

进一步地，由于设置了开关采样电路，包括用于连接控制器的输入电压采样电路及输出电流采样电路，可以实现对电压及电流进行采样，进而便于控制器自动准确地控制MOS管M1的通断，即控制回路的通断，从而一定程度上有效地保护电路中的负载RL及其他电子元件。

其中，参考图4所示，A1和A2分别为控制器或处理器CPU控制端口，在一些实施例中，所述开关驱动控制电路包括：第一控制信号输入电路、第二控制信号输入电路及三极管N1，所述第一控制信号输入电路上设有第二电阻R1，所述第二电阻R1的输入端用于与所述控制器的第一输出端A1端口连接，所述第二电阻R1的输出端通过第二二极管D2与所述三极管N1的基极连接；

所述第二控制信号输入电路上设有第三电阻R2，所述第三电阻R2的输入端用于与所述控制器的第二输出端A2端口连接，所述第三电阻R2的输出端与所述三极管N1的基极连接，所述三极管N1的集电极连接有上拉电阻R3，上拉电阻R3输入端接入辅助电源VCC1，辅助电源VCC1用于对M1的驱动供电，所述三极管N1的发射极接电源地；

所述第二电阻R1与所述第二二极管D2的之间的节点M上还连接有钳位二极管D1，所述钳位二极管D1的另一端与所述MOS管M1的漏极相连。

其中开关驱动控制电路的工作原理为：

MOS管M1强制导通过程：当控制器端口A1、A2均给低电平时，三极管N1关断，辅助电源VCC1通过上拉电阻R3给MOS管M1的Vgs(栅极G相对于源极S的电压)充电，上拉电阻R3起到一定的限流作用，使得MOS管M1逐渐导通。流过MOS管M1的电流缓慢上升，使得di/dt较小。从而不会产生很大的电磁干扰，同时也不会有很大电流突变干扰其他电路工作，避免了多路开关并联运行时开关切换、短路保护等引起的分路间干扰问题。推而广之，能够确保不同设备并联时不同设备独立工作而不产生相互间干扰。

MOS管M1强制关断过程：控制器端口A1、A2均(或仅A2)给高电平时，三极管N1立即导通，可有效关断功率MOS管M1，并防止误触发。

MOS管M1安全运行状态过程：当MOS管M1强制导通状态执行完毕，将控制器端口A1置为高电平、A2保持低电平，此时MOS管M1保持导通状态，但若输出负载RL发生短路或其他异常情况导致输出电流瞬间急增达到硬件保护电流阈值Im时，MOS管M1可以从硬件方面自行保护关断，可以有效保护MOS管M1自身及供电电源VCC安全运行，且可以不影响并联的其他支路正常运行，因此该状态称为安全运行状态，解决了MOS管M1等半导体器件直接应用于设备端口容易损坏问题。

其中，设：Vds：MOS管M1导通压降；Rdson：MOS管M1的导通电阻；Vd1：钳位二极管D1导通压降；Vd2：第二二极管D2导通压降；Vbe：三极管N1基极发射极间导通压降。于是有硬件保护电流阈值为：Im＝(Vd2+Vbe-Vd1)/Rdson，即过流保护阈值设定的公式依据。

在开关正常导通时，MOS管M1工作于安全运行状态，此时A1为高电平、A2为低电平、三极管N1关断、MOS管M1导通，电源为负载RL供电，负载处于工作状态。

开关驱动控制电路实现保护的原理为：设负载RL电流为I，则MOS管M1漏极电压为：Vmd＝(Rdson+Rs)*I。

三极管N1的基极b和发射极e之间间导通电压为Vbe，则当Vd1+Vmd＜Vd2+Vbe时，M点电压被Vd1+Vmd钳位，第二二极管D2、三极管N1不导通，MOS管M1继续导通。

在Vd1+Vmd＞Vd2+Vbe时，M点电压被Vd2+Vbe钳位，第二二极管D2、三极管N1导通，MOS管M1关断且MOS管M1漏极电压等于电源电压。由于Vmd远大于Vd2+Vbe，而使MOS管M1保持关断状态，从而起到保护并锁死的作用。

本发明实施例中，通过电阻、三极管、二极管的组合形成的电路拓扑，实现了一种具有3种工作状态功率MOS管M1驱动控制方案，可有效保护开关自身，主要是MOS管M1及负载RL的安全运行。

本实施例提供的开关驱动控制电路用于单控制器或CPU端口、非隔离型MOS管M1的驱动控制。实际应用中，可通过光耦等信号隔离器件实现隔离驱动，信号隔离器可为光电耦合器、磁耦合器或电容耦合器；也可对电路中部分电子元器件进行简化，更改后的电路也应视为本发明实施例的延伸。

继续参看图1或图2所示，当负载RL为继电器时，MOS管M1突然关断(包括正常关断和电流过大时产生的保护关断)，在继电器上仍存在较大的感应电压，此感应电压加在MOS管M1的漏极，容易使MOS管M1击穿。因此，在一些实施例中，所述开关主电路还包括续流二极管D3，所述续流二极管D3的阴极连接于供电电源VCC输出端，阳极连接于所述MOS管M1的漏极。当负载RL需要停止工作时，关断MOS管M1；续流二极管D3在MOS管M1关断时对负载RL及开关主电路输出端的其它电子元件进行续流，可有效防止MOS管M1过压击穿，实现对MOS管M1的保护。

继续参看图1及图3所示，所述输出电流采样电路还包括输入电阻R6、运算放大器U1及反馈电阻R5，其中，运算放大器U1包括同相输入端与反相输入端；所述输入电阻R6的输入端连接于所述采样电阻Rs第一端，用于实现阻抗匹配，其输出端连接于所述运算放大器U1的同相输入端，所述反馈电阻R5第一端连接于运算放大器U1的反相输入端，第二端连接于运算放大器U1输出端，所述反馈电阻R5的第一端还接电源地。这样，输出电流经采样电阻Rs后转化成电压Virs(即Rs两端电压)，经运算放大器U1后转化成控制器易于识别的采样电压Vio，使得采样电压Vio处于控制器易于识别的电压范围，从而可以提高电流采样精度。

可以理解的是，为了保证运算放大器U1不失真地将信号放大以及提高运算放大器U1输出端口CPU对信号的采样精度，需要保证运算放大器U1输入级的输入电压及U1输出电压，因此，在一些实施例中，所述运算放大器U1的同相输入端还连接有偏置电路，这样通过偏置电路增加运算放大级输入级的输入电流，可以提高信号放大后的不失真度，从而提高电流采样的精确性。

具体地，所述偏置电路采用直流偏置电路，包括直流电源、第一偏置电阻R8及第二偏置电阻R7，所述直流电源可以为3.3V，所述第一偏置电阻R8与第二偏置电阻R7串联，所述第一偏置电阻R8的输入端与所述直流电源连接，所述第一偏置电阻R8的输出端还连接于所述运算放大器U1的同相输入端，所述第二偏置电阻R7的输出端接电源地。

继续参看图1或图3所示，在一些实施例中，所述反馈电阻R5的第一端与运算放大器U1的反相输入端还串联有第一电阻R4，所述反馈电阻R5的第一端还通过所述第一电阻R4接电源地。其中，第一电阻R4与反馈电阻R5共同构成放大反馈。

为了实现对开关状态的监测，所述开关采样电路还包括：开关状态采样电路，所述开关状态采样电路包括第三分压电阻R9及第四分压电阻R11，所述第三分压电阻R9与第四分压电阻R11串联，所述第三分压电阻R9的输入端连接于所述MOS管M1的漏极，所述第四分压电阻R11的输出端接电源地，所述第三分压电阻R9与第四分压电阻R11之间的节点还用于连接控制器的输入端。通过第三分压电阻R9与第四分压电阻R11分压构成开关状态采样电路，用于采集电压情况，控制器根据电压采样情况判别电路实际处于导通还是关断状态，从而实现对电路的真实运行状态的监视。

在现有的电流配电系统中，除了背景技术中描述的一种现有技术外，还有利用固体继电器与直流检测结合的方案作为开关控制电流的通断。但是，该种方式形成的回路通流量小、不能承受雷击、容易损坏，不能承受大电流冲击。

参看图1及图5所示，图中PE表示大地；为了降低本实施例中的直流开关遭受雷击的可能性，在一些实施例中，所述直流开关还包括输入防雷电路，所述输入防雷电路设于所述开关主电路的输入回路中，所述输入防雷电路包括：第一压敏电阻RV1及第一电容C1，所述第一压敏电阻RV1与第一电容C1分别并联于供电电源VCC的正、负极，且所述供电电源VCC的正极接大地，所述供电电源VCC的负极接电源地。

在另一些实施例中，还包括输出防雷电路，所述输出防雷电路设于所述开关主电路的输出回路中，所述输出防雷电路包括第二压敏电阻RV2及第二电容C2，所述第二压敏电阻RV2与第二电容C2分别并联于开关主电路输出端，且第二压敏电阻RV2与第二电容C2分别一端连接供电电源VCC正极，另一端连接于所述MOS管M1漏极。

当雷浪涌电流通过，线路电压达到预定值时末端会优先启动泄流，当线路电压不断增大时，如果输入与输出两级防雷器之间距离过短(本质就是阻抗过低)，电流快速通过，易造成末端承流过大而损坏。因此，为了更好地实现防雷，所述防雷电路中还包括电感元件，具体地，所述MOS管M1的漏极还连接有电感元件。由于通过电感元件的电流不能跃变，可以阻止电流快速通过，从而可以相对平衡分流能力，提高防雷效果。

为了增加防雷的分流支路，在一些实施例中，在所述MOS管M1的漏极与采样电阻Rs第二端之间并联有第一二极管D4。

其中，本方案防雷的原理简单说就是将浪涌电流引入大地，从而避免浪涌电流过大对直流开关中的元件，主要是MOS管M1的损坏，进而保护具有该直流开关的设备。

所述输入防雷电路的具体工作原理为：

(1)当雷击浪涌电流由Vin+进Vin-输出时，浪涌电流首先流经支路：Vin+→第一电容C1→Vin-；当随着第一电容C1两端电压上升，第一压敏电阻RV1被触发，于是增加第二条电流支路进行分流：Vin+→第一压敏电阻RV1→Vin-。进一步地，由于第二压敏电阻RV2也可能或早或晚触发，于是还可能会增加第三条电流支路，Vin+→第二压敏电阻RV2→L1→MOS管M1→Rs→Vin-；浪涌电流注入导致开关主电路输入电压增加，使得输出电压也会增加，于是还会伴随第四条电流支路：Vin+→RL→L1→MOS管M1→Rs→Vin-。

其中，在输入防雷中，由于退耦电感元件的存在第三、四条支路分的电流相对很小，且随着流过MOS管M1电流增加，MOS管M1关断保护，之后电路的第三、四条电流支路也会断开，由此，输入防雷中，浪涌电流主要由第一、二条支路承担引流入大地的任务，以实现防雷。

(2)当雷击浪涌电流由Vin-进，Vin+输出时，浪涌电流首先流经支路：Vin-→第一电容C1→Vin+；随着电容第一电容C1中电能被释放，第一电容C1两端电压反偏后，续流二极管D3、第一二极管D4导通，于是第一条电流支路逐渐关闭，第二条支路打开，即：Vin-→D4→D3→Vin+；同时，由于并联关系，第三条支路也会分走小部分电流，该支路为：Vin-→RS→MOS管M1→D3→Vin+，浪涌电流经由上述支路引流入大地，实现防雷。

所述输出防雷的具体工作原理为：

(1)当雷击浪涌电流由Vo+进Vo-输出时，浪涌电流首先流经支路：Vo+→第二电容C2→Vo-；当随着第二电容C2两端电压上升，RV2被触发，于是增加第二条电流支路：Vo+→RV2→Vo-；同时RV1也可能或早或晚触发，于是增加第三条电流支路，Vo+→RV1→D4→L1→Vo-；浪涌电流注入导致电路反充电，使得开关主电路输入电压也会增加，于是还会伴随第四条电流支路：Vo+→C1→D4→L1→Vo-；此外与D4并联的Rs、MOS管M1也会分走少量电流形成第五、六电流支路。

(2)当雷击浪涌电流由Vo-进Vo+输出时，浪涌电流首先流经支路：Vin-→第二电容C2→Vin+；当随着第二电容C2放电完毕并且两端电压反向上升至RV2被触发后，增加第二条电流支路：Vo-→RV2→Vo+；由于存在并联关系浪涌电流的第三条电流支路也在放电，即：Vo-→L1→MOS管M1→Rs→C1→Vo+；当C1放电完毕，二极管D3正偏导通，形成第4条电流支路：Vo-→L1→D3→Vo+。由于退耦电感L1的存在，第三、四条支路分的电流相对很小且随着主开关管MOS管M1电流增加，MOS管M1关断保护，之后，电路的第三条电流支路断开，浪涌电流主要由第一、二、四条支路承担，以进行浪涌分流，实现输出防雷保护。

本发明实施例提供的直流开关，以功率MOS管M1作为主要开关器件，能够实现直流大电流的开关切换，并具有体积小、成本低、便于集成等优点。可有效保护开关自身及负载RL的安全运行。

因此，本设计可广泛应用于大电流直流继电切换、功率电路热插拔对接端口场景。

由于其具有较强的抗雷击浪涌能力、保护及时、便于远程自动化控制的特点，可以适用于当前5G产品的分户分路控制、户外抱杆塔装场景、生活区工作区的潮汐电能控制以节约电能等场合中。

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。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。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“包括一个......”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。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。