一种固态继电器

技术领域

本发明属于继电器技术领域，具体地涉及一种固态继电器。

背景技术

能源短缺、石油危机和环境污染愈演愈烈，给人们的生活带来巨大影响，直接关系到国家经济和社会的可持续发展，因此，世界各国都在积极开发新能源技术，电动汽车作为新能源领域的重要组成部分，因其节能环保的优点，得到了快速的发展。

由于继电器具有成本低、导通电阻低等优势，其在电动汽车上被广泛地应用。但现有的汽车级智能MOSFET芯片均为适用于12V24V电压系统中，无法应用于48V电压系统中，且因MOSFET和驱动电路集成一体设计，无法通过较大的电流，故目前市面上只有适用于12V24V电压系统的固态继电器，在48V电压系统中，现在只能使用机械式继电器，但机械式继电器相对于固态继电器存在噪音过大，体积较大，触点容易打火、拉弧等问题，因此，急迫需要开发一款可用于较高电压(如48V)系统中的固态继电器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于较高电压(如48V)系统中的固态继电器用以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种固态继电器，包括开关电路、MOS管驱动芯片和MCU处理器，开关电路由分立的MOS管构成，MOS管驱动芯片与MCU处理器分体设置，开关电路串接在该固态继电器的输入端与输出端之间，MCU处理器的输入端接控制信号输入端，MCU处理器用于控制MOS管驱动芯片驱动开关电路的MOS管通断。

进一步的，述开关电路由至少一双向开关电路构成。

更进一步的，所述双向开关电路由两个NMOS管构成。

进一步的，所述双向开关电路的数量为多个，多个双向开关电路相互并联构成开关电路。

进一步的，还包括DC-DC降压电路，DC-DC降压电路的输入端接该固态继电器的输入端，DC-DC降压电路用于为MOS管驱动芯片和MCU处理器供电。

更进一步的，所述DC-DC降压电路的输入端设有电容滤波电路。

进一步的，还包括电平转换电路，MCU处理器的输入端通过电平转换电路接控制信号输入端。

更进一步的，所述电平转换电路包括TVS二极管D1，TVS二极管D1接在控制信号输入端与接地端之间。

进一步的，所述电平转换电路包括二极管D2，二极管D2的正端接控制信号输入端，二极管D2的负端经过一个电阻接MCU处理器的输入端。

进一步的，所述MOS管驱动芯片和MCU处理器通过SPI通信连接。

进一步的，还包括采样电路，采样电路用于采样通过开关电路的电流，MOS管驱动芯片用于对采样电路的采样信号并进行接收处理后传输给MCU处理器，MCU处理器根据接收到的采样信号进行相应的保护控制。

进一步的，还包括防反接二极管，防反接二极管串接在该固定继电器的接地端。

本发明的有益技术效果：

本发明采用分立的MOS管构成开关电路，MOS管驱动芯片与MCU处理器分体设置，可用于较高电压(如48V)系统中，可通较大工作电流；MOS管驱动芯片与MCU处理器分体设置，增加电子元器件数量，提高了散热能力；采用MCU处理器接收控制信号并进行驱动控制，抗干扰能力强，可靠性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，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他的附图。

图1为本发明实施例一的电路结构框图；

图2为本发明实施例一的DC-DC降压电路的电路图；

图3为本发明实施例一的MOS管驱动芯片的连接电路图；

图4为本发明实施例一的MCU处理器的连接电路图；

图5为本发明实施例一的电平转换电路的电路图；

图6为本发明实施例一的开关电路的电路图；

图7为本发明实施例二的开关电路的电路图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

实施例一

如图1-6所示，一种固态继电器，包括开关电路1、MOS管驱动芯片2、MCU处理器3、DC-DC降压电路4和电平转换电路5，开关电路1由分立的MOS管构成，MOS管驱动芯片2与MCU处理器3分体设置，也即MOS管驱动芯片2与MCU处理器3均为独立封装，开关电路1串接在该固态继电器的输入端与输出端之间，MCU处理器3的输入端通过电平转换电路5接控制信号输入端，MCU处理器3用于控制MOS管驱动芯片2驱动开关电路1的MOS管通断，DC-DC降压电路4的输入端接该固态继电器的输入端，DC-DC降压电路4用于同时为MOS管驱动芯片2和MCU处理器3供电。

开关电路1采用分立的MOS管构成，可用于较高电压系统中，如本实施例中可用于48V系统，且可通较大工作电流；MOS管驱动芯片2与MCU处理器3分体设置，增加电子元器件数量，提高了散热能力；采用MCU处理器3接收控制信号并进行驱动控制，可以对接收的控制信号进行相应处理判断，滤除干扰，相对于传统的用电平信号驱动，抗干扰能力更强，可靠性高。

优选的，本具体实施例中，开关电路1由一双向开关电路构成，实现该固态继电器的输出端无极性要求，使用便捷，且当该固态继电器的输入端接蓄电池时，可实现对蓄电池进行充放电控制。

更优选的，本实施例中，双向开关电路由NMOS管Q3和Q4构成，NMOS管Q4的漏极接该固态继电器的输入端+48V，NMOS管Q4的源极与NMOS管Q3的源极连接，NMOS管Q3的漏接接该固态继电器的输出端OUTPUT，双向开关电路采用NMOS管Q3和Q4构成，导通电阻小，损耗低，发热小，且结构简单，易于实现，成本较低，但并不限于此，在一些实施例中，双向开关电路也可以采用由MOS管构成的其它双向开关电路来实现。

当然，在一些实施例中，开关电路1也可以是单向开关电路，如由单个NMOS管或PMOS管构成，电路结构更简单，成本更低。

优选的，本具体实施例中，MOS管驱动芯片2和MCU处理器3通过SPI通信连接，增强了MOS管驱动芯片2的抗干扰能力，但并不以此为限，在一些实施例中，也可以采用现有的其它通信方式进行通信连接。

本具体实施例中，MOS管驱动芯片2采用型号为2ED4820-EM的驱动芯片U2来实现，驱动芯片U2的驱动输出端2ED4820 GA接NMOS管Q3和Q4的栅极，更具体电路连接请详见图3，采用该驱动芯片U2，内部自带升压电路，可以保证作为高边开关时，也能满足NMOS管Q3和Q4的Vgs电压>10V,此电压下，NMOS管Q3和Q4的导通电阻最小，相应的损耗也最小。但并不以此为限，在一些实施例中，MOS管驱动芯片2也可以采用现有的其它MOS管驱动芯片来实现。

本具体实施例中，MCU处理器3采用型号为KF8A100CSD_DSD的MCU处理器U3来实现，具备低功耗，高可靠性，强抗干扰能力，可抵抗各式噪声干扰等优点，MCU处理器U3的输入端RELAY_SW IN通过电平转换电路5接控制信号输入端RELAY_SW，更具体连接电路请详见图4，此不再细说，但并不限于此，在一些实施例中，MCU处理器3也可以采用现有的其它MCU处理器来实现。

本具体实施例中，电平转换电路5包括电阻R10、电阻R16和电容C15，MCU处理器U3的输入端RELAY_SW IN串联电阻R10接控制信号输入端RELAY_SW，电阻R16和电容C15并联后接在MCU处理器U3的输入端RELAY_SW IN与接地端GND之间。电平转换电路5通过电阻R10和电阻R16串联分压的方式，实现把较高电压的输入信号按比例降低到5V以下，达到保护MCU处理器U3的目的。

进一步的，本具体实施例中，电平转换电路5包括TVS二极管D1，TVS二极管D1接在控制信号输入端RELAY_SW与接地端GND之间。TVS二极管D1用来抑制静电和雷击这种瞬间大电压对电路后级的损害。当TVS二极管D1上的电压超过一定值的时候，TVS二极管D1会迅速对地导通，将电压钳位在一个安全范围内，保护后级的电路。

进一步的，本具体实施例中，电平转换电路5还包括二极管D2，二极管D2的正端接控制信号输入端RELAY_SW，二极管D2的负端串联电阻R19接MCU处理器的输入端RELAY_SWIN。二极管D2起到防反作用，只允许信号从控制信号输入端RELAY_SW向MCU处理器的输入端RELAY_SW IN流动，不允许反过来，提高安全性和可靠性。

优选的，本具体实施例中，电平转换电路5还包括稳压二极管ZD1，稳压二极管ZD1接在MCU处理器U3的输入端RELAY_SW IN与接地端GND之间，稳压二极管ZD1的稳压范围是4.61V-4.79V，不超过5V，用于保护MCU处理器U3的输入端RELAY_SW IN。

当然，在一些实施例中，电平转换电路5也可以采用现有的其它电平转换电路来实现。

本具体实施例中，DC-DC降压电路4用于将48V电压降为5V电压后，同时为MOS管驱动芯片2和MCU处理器3供电，但并不限于此，在一些实施例中，DC-DC降压电路4也可以是其它DC-DC降压电路。采用DC-DC降压电路4，极大地降低了电源损耗。当然，在一些实施例中，也可以采用其它降压电路为MOS管驱动芯片2和MCU处理器3供电。

优选的，本实施例中，由一个DC-DC降压电路4同时为MOS管驱动芯片2和MCU处理器3供电，简化了电路结构，易于实现，成本低，但并不以此为限，在一些实施例中，MOS管驱动芯片2和MCU处理器3也可以分别由一个DC-DC降压电路进行供电。

本具体实施例中，DC-DC降压电路4包括型号为IC_R1260S023A-EZ-KE的控制芯片U1、功率管Q1、功率管Q2、电感L1、电容C30、电容C31和电容C32，具体电路连接请详见图2，降压原理：控制芯片U1先控制功率管Q1打开，对电感L1进行充电，功率管Q1导通一段时间后关闭，然后功率管Q2导通，给电感L1开启续流的通路，功率管Q2导通到周期结束，重新开始下一次的循环，此时，输出端的电压经过电容C30、C31和C32的滤波，就成为5V电源输出。

进一步的，本实施例中，DC-DC降压电路4的输入端设有电容滤波电路，电容滤波电路由电容C35-C40相互并联构成，通过电容滤波电路进行滤波，确保电源波形更干净，也避免了电感L1充电瞬间电流较大，对48V输入电源的影响。当然，在一些实施例中，电容滤波电路也可以采用现有的其它电容滤波电路来实现。

本具体实施例中，DC-DC降压电路4设有欠压保护电路，欠压保护电路包括电阻R14和R15，电阻R14和R15构成分压电路对该固态继电器的输入端+48V输入的电压进行分压后，传输给控制芯片U1的引脚CE，与控制芯片U1的设定电压做比较，一旦低于设定电压，控制芯片U1将立刻停止工作，其他系统因为没有DC-DC降压电路4的支持，都将停止工作，提高安全性和可靠性。当然，在一些实施例中，欠压保护电路也可以采用其它分压电路来实现。

进一步的，本实施例中，还包括防反接二极管D10，防反接二极管D10串接在该固定继电器的接地端GND，保护该固定继电器在电源接反的时候不会损坏，也不会误动作。

进一步的，还包括采样电路6，采样电路6用于采样通过开关电路1的电流，MOS管驱动芯片2用于对采样电路6的采样信号并进行接收处理后传输给MCU处理器3，MCU处理器3根据接收到的采样信号进行相应的保护控制，如短路保护、过载保护、欠流保护功能。通过MOS管驱动芯片2接收采样信号再传输给MCU处理器3，MCU处理器3无需直接接触较高压系统(如48V)，避免了中间可能存在不稳定和不安全的一些因素。

本具体实施例中，采样电路6采用采样电阻R31和R32来实现，采样电阻R31和R32并联后串联在NMOS管Q3和Q4回路中，更具体的电路连接请详见图6，但并不以此为限。

工作原理：

使用时，将该固态继电器的输入端+48V接汽车蓄电池(48V)正极，该固态继电器的输出端OUTPUT接负载(充电电源)，控制信号输入端RELAY_SW接控制信号输入。DC-DC降压电路4把48V DC转换成5V DC供给驱动芯片U2和MCU处理器U3使用，MCU处理器U3上电后会不停地检测输入的控制信号，在检测到稳定的接通信号后，通过SPI通信发指令给驱动芯片U2，驱动芯片U2导通NMOS管Q3和Q4，汽车蓄电池为负载供电(当接到是充电电源时，充电电源为蓄电池充电)；当MCU处理器U3收到稳定的关断信号时，通过SPI通信发指令给驱动芯片U2，驱动芯片U2控制NMOS管Q3和Q4关断，汽车蓄电池停止为负载供电(或充电电源停止为蓄电池充电)；同时，驱动芯片U2采集采样电阻R31和R32的采样信号并传输给MCU处理器U3，MCU处理器U3对采样信号进行处理判断，若判断到负载异常(如短路、过载、欠流等)时，立刻触发中断，以极短的时间发送关闭NMOS管Q3和Q4的指令给驱动芯片U2，驱动芯片U2控制NMOS管Q3和Q4关断，保护后级的电路不受损坏。

实施例二

如图7所示，本实施例与实施例一的电路结构大致相同，主要区别在于：本实施例中，开关电路4由3个双向开关电路构成，3个双向开关电路相互并联，采用多路并联的方式，减小导通电阻，降低发热，可通更大电流(可达100A)，但并不限于此，在一些实施例中，双向开关电路的数量也可以是2个或大于3个等，具体根据实际需要进行设定。

本具体实施例中，3个双向开关电路由NMOS管Q3-Q8构成，NMOS管Q4、Q6和Q8的漏极接该固态继电器的输入端+48V，NMOS管Q4、Q6和Q8的源极与NMOS管Q3、Q5和Q7的源极连接，NMOS管Q3、Q5和Q7的漏接接该固态继电器的输出端OUTPUT，NMOS管Q3-Q8的栅极均接驱动芯片U2的驱动输出端2ED4820 GA，3个双向开关电路采用NMOS管Q3-Q8构成，导通电阻小，损耗低，发热小，且结构简单，易于实现，成本较低，但并不限于此，在一些实施例中，3个双向开关电路也可以采用由MOS管构成的其它双向开关电路来实现。

本实施例的工作原理与实施例一相似，具体可以参考实施例一，此不再细说。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。