本發(fā)明涉及一種繼電模組領域，特別是一種高安全性的繼電模組。

背景技術：

繼電模組作為航天領域配電系統(tǒng)中的核心組件，為各種負載提供與其需求相匹配的電源和功率，并負責配電狀態(tài)檢測，實現(xiàn)負載的接通、關斷和保護控制?，F(xiàn)有的繼電模組不能針對特定的負載進行在線重構，難以為負載配電提供精確的保護控制，也沒有直流電弧檢測和保護功能，不能滿足空間環(huán)境下的使用要求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的上述不足，提供一種高安全性的繼電模組，通過高精度電流采集技術檢測配電線路中的電流，用微控制器分析線路中電流的變化情況，對比真正電弧發(fā)生時電弧電流的不同特征，檢測電弧故障，從而及時關斷功率MOSFET，避免因電弧燃燒而造成的損失。

本發(fā)明的上述目的是通過如下技術方案予以實現(xiàn)的：

一種高安全性的繼電模組，包括串行隔離總線模塊、微控制器、輸入電壓線性光耦隔離檢測模塊、門極驅動模塊、低通濾波模塊、比較器、放大器、功率MOSFET和四線制高邊電流檢測電阻；

輸入電壓線性光耦隔離檢測模塊：供電電路供電后，生成負載的電壓形式模擬電壓信號，并將電壓形式模擬電壓信號發(fā)送至微控制器；

微控制器：接收輸入電壓線性光耦隔離檢測模塊傳來的電壓形式模擬電壓信號；將電壓形式模擬電壓信號發(fā)送至串行隔離總線模塊；接收串行隔離總線模塊傳來的TTL電平的關閉功率MOSFET的指令，并將TTL電平的關閉功率MOSFET的指令發(fā)送至門極驅動模塊；接收串行隔離總線模塊傳來的TTL電平的打開功率MOSFET的指令，并將TTL電平的打開功率MOSFET的指令發(fā)送至門極驅動模塊；接收低通濾波模塊傳來的濾波后的電流形式模擬電壓信號；并將濾波后的電流形式模擬電壓信號發(fā)送至串行隔離總線模塊；接收比較器傳來的中斷信號，將中斷信號發(fā)送至門極驅動模塊；

串行隔離總線模塊：接收微控制器傳來的電壓形式模擬電壓信號，將電壓形式模擬電壓信號轉換為外部總線電平的電壓形式模擬電壓信號，并將外部總線電平的電壓形式模擬電壓信號發(fā)送至外部控制裝置；接收外部控制裝置傳來的外部總線電平的關閉功率MOSFET的指令；并將外部總線電平的關閉功率MOSFET的指令轉換為TTL電平的關閉功率MOSFET的指令，并將TTL電平的關閉功率MOSFET的指令發(fā)送至微控制器；接收外部控制裝置傳來的外部總線電平的打開功率MOSFET的指令；并將外部總線電平的打開功率MOSFET的指令轉換為TTL電平的打開功率MOSFET的指令，并將TTL電平的打開功率MOSFET的指令發(fā)送至微控制器；接收微控制器傳來的濾波后的電流形式模擬電壓信號，將濾波后的電流形式模擬電壓信號轉換為外部總線電平的電流形式模擬電壓信號，并將外部總線電平的電流形式模擬電壓信號發(fā)送至外部控制裝置；

外部控制裝置：接收串行隔離總線模塊傳來的外部總線電平的電壓形式模擬電壓信號，對外部總線電平的電壓形式模擬電壓信號進行監(jiān)測判斷，當電壓形式模擬電壓信號超出預先設定電壓范圍時，發(fā)出外部總線電平的關閉功率MOSFET的指令至串行隔離總線模塊；當電壓形式模擬電壓信號在預先設定電壓范圍內時，發(fā)出外部總線電平的打開功率MOSFET的指令至串行隔離總線模塊；接收串行隔離總線模塊傳來的外部總線電平的電流形式模擬電壓信號；

門極驅動模塊：接收微控制器傳來的TTL電平的關閉功率MOSFET的指令，將TTL電平的關閉功率MOSFET的指令變換為12V的門極關閉控制信號，發(fā)送至功率MOSFET；接收微控制器傳來的TTL電平的打開功率MOSFET的指令，將TTL電平的打開功率MOSFET的指令變換為12V的門極打開控制信號，發(fā)送至功率MOSFET；接收微控制器傳來的傳來額的中斷信號，將中斷信號轉化為12V的中斷信號，將12V的中斷信號發(fā)送至功率MOSFET；

功率MOSFET：接收門極驅動模塊傳來的12V的門極關閉控制信號，功率MOSFET關閉；接收門極驅動模塊傳來的12V的門極打開控制信號，功率MOSFET打開；接收門極驅動模塊傳來的12V的中斷信號，功率MOSFET關閉；

四線制高邊電流檢測電阻：功率MOSFET打開后，供電電路的電流通過四線制高邊電流檢測電阻，產(chǎn)生電阻電壓，并將電阻電壓發(fā)送至放大器；

放大器：接收四線制高邊電流檢測電阻傳來的電阻電壓，對電阻電壓進行放大處理，生成發(fā)大后的電阻電壓，并將發(fā)大后的電阻電壓輸出至低通濾波模塊；

低通濾波模塊：接收放大器傳來的發(fā)大后的電阻電壓，對發(fā)大后的電阻電壓進行濾波處理，生成濾波后的電流形式模擬電壓信號，并將濾波后的電流形式模擬電壓信號輸出至微控制器；同時將濾波后的電流形式模擬電壓信號輸出至比較器；

比較器：預設過流電壓值；接收低通濾波模塊傳來的濾波后的電流形式模擬電壓信號；對濾波后的電流形式模擬電壓信號和預設過流電壓值進行比較，當濾波后的電流形式模擬電壓信號超過預設過流電壓值時，發(fā)出中斷信號至微控制器；當濾波后的電流形式模擬電壓信號不超過預設過流電壓值時，不做處理；

微控制器：接收電壓的模擬電壓信號和電流的模擬電壓信號；進行存儲；當接收到外部控制裝置發(fā)來的信號采集指令時，輸出電壓的模擬電壓信號和電流的模擬電壓信號至外部控制裝置。

在上述的一種高安全性的繼電模組，所述繼電模組還包括第一隔離電源和第二隔離電源；

第一隔離電源：輸出+5V電源為輸入電壓線性光耦隔離檢測模塊供電；

第二隔離電源：輸出+12V電源為門極驅動模塊供電；輸出+3.3V電源為串行隔離總線模塊、微控制器、低通濾波模塊、比較器和放大器供電。

在上述的一種高安全性的繼電模組，所述四線制高邊電流檢測電阻包括檢測電阻、第一電阻、第一線路、第二電阻、第二線路、第一測量電流線路和第二測量電流線路；其中，檢測電阻的一端分別與第一線路和第一測量電流線路連接；第一線路上串聯(lián)有第一電阻；第一測量電流線路的輸出端與放大器正端連接；檢測電阻的另一端分別與第二線路和第二測量電流線路連接；第二線路上串聯(lián)第二電阻；第二測量電流線路的輸出端與放大器負端連接。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明采用電流高精度電流采集技術對狀態(tài)電流進行檢測，提高了配電保護的準確性；

(2)本發(fā)明具有直流電弧檢測和保護功能，避免因電弧燃燒而造成的危害；

(3)本發(fā)明采用可重構設計技術，為不同負載提供個性化的保護，提高配電的安全性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明繼電模組系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明四線制精密檢測電阻電流檢測電路原理圖；

圖3為本發(fā)明直流電弧產(chǎn)生電路原理圖；

圖4為本發(fā)明典型的直流電弧電流波形圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述：

本發(fā)明是一種高安全性的繼電模組，其輸出和輸入之間電氣上是隔離的，前后部分之間相互的影響小，可以實現(xiàn)功率開關控制、配電狀態(tài)監(jiān)測、故障電弧監(jiān)測及保護功能、模組重構功能。

如圖1所示為繼電模組系統(tǒng)示意圖，由圖可知，一種高安全性的繼電模組，包括串行隔離總線模塊、微控制器、輸入電壓線性光耦隔離檢測模塊、門極驅動模塊、低通濾波模塊、比較器、放大器、功率MOSFET和四線制高邊電流檢測電阻；

輸入電壓線性光耦隔離檢測模塊：供電電路供電后，生成負載的電壓形式模擬電壓信號，并將電壓形式模擬電壓信號發(fā)送至微控制器；

微控制器：接收輸入電壓線性光耦隔離檢測模塊傳來的電壓形式模擬電壓信號；將電壓形式模擬電壓信號發(fā)送至串行隔離總線模塊；接收串行隔離總線模塊傳來的TTL電平的關閉功率MOSFET的指令，并將TTL電平的關閉功率MOSFET的指令發(fā)送至門極驅動模塊；接收串行隔離總線模塊傳來的TTL電平的打開功率MOSFET的指令，并將TTL電平的打開功率MOSFET的指令發(fā)送至門極驅動模塊；接收低通濾波模塊傳來的濾波后的電流形式模擬電壓信號；并將濾波后的電流形式模擬電壓信號發(fā)送至串行隔離總線模塊；接收比較器傳來的中斷信號，將中斷信號發(fā)送至門極驅動模塊；

串行隔離總線模塊：接收微控制器傳來的電壓形式模擬電壓信號，將電壓形式模擬電壓信號轉換為外部總線電平的電壓形式模擬電壓信號，并將外部總線電平的電壓形式模擬電壓信號發(fā)送至外部控制裝置；接收外部控制裝置傳來的外部總線電平的關閉功率MOSFET的指令；并將外部總線電平的關閉功率MOSFET的指令轉換為TTL電平的關閉功率MOSFET的指令，并將TTL電平的關閉功率MOSFET的指令發(fā)送至微控制器；接收外部控制裝置傳來的外部總線電平的打開功率MOSFET的指令；并將外部總線電平的打開功率MOSFET的指令轉換為TTL電平的打開功率MOSFET的指令，并將TTL電平的打開功率MOSFET的指令發(fā)送至微控制器；接收微控制器傳來的濾波后的電流形式模擬電壓信號，將濾波后的電流形式模擬電壓信號轉換為外部總線電平的電流形式模擬電壓信號，并將外部總線電平的電流形式模擬電壓信號發(fā)送至外部控制裝置；

外部控制裝置：接收串行隔離總線模塊傳來的外部總線電平的電壓形式模擬電壓信號，對外部總線電平的電壓形式模擬電壓信號進行監(jiān)測判斷，當電壓形式模擬電壓信號超出預先設定電壓范圍時，發(fā)出外部總線電平的關閉功率MOSFET的指令至串行隔離總線模塊；當電壓形式模擬電壓信號在預先設定電壓范圍內時，發(fā)出外部總線電平的打開功率MOSFET的指令至串行隔離總線模塊；接收串行隔離總線模塊傳來的外部總線電平的電流形式模擬電壓信號；

門極驅動模塊：接收微控制器傳來的TTL電平的關閉功率MOSFET的指令，將TTL電平的關閉功率MOSFET的指令變換為12V的門極關閉控制信號，發(fā)送至功率MOSFET；接收微控制器傳來的TTL電平的打開功率MOSFET的指令，將TTL電平的打開功率MOSFET的指令變換為12V的門極打開控制信號，發(fā)送至功率MOSFET；接收微控制器傳來的傳來額的中斷信號，將中斷信號轉化為12V的中斷信號，將12V的中斷信號發(fā)送至功率MOSFET；

功率MOSFET：接收門極驅動模塊傳來的12V的門極關閉控制信號，功率MOSFET關閉；接收門極驅動模塊傳來的12V的門極打開控制信號，功率MOSFET打開；接收門極驅動模塊傳來的12V的中斷信號，功率MOSFET關閉；

四線制高邊電流檢測電阻：功率MOSFET打開后，供電電路的電流通過四線制高邊電流檢測電阻，產(chǎn)生電阻電壓，并將電阻電壓發(fā)送至放大器；

放大器：接收四線制高邊電流檢測電阻傳來的電阻電壓，對電阻電壓進行放大處理，生成發(fā)大后的電阻電壓，并將發(fā)大后的電阻電壓輸出至低通濾波模塊；

低通濾波模塊：接收放大器傳來的發(fā)大后的電阻電壓，對發(fā)大后的電阻電壓進行濾波處理，生成濾波后的電流形式模擬電壓信號，并將濾波后的電流形式模擬電壓信號輸出至微控制器；同時將濾波后的電流形式模擬電壓信號輸出至比較器；

比較器：預設過流電壓值；接收低通濾波模塊傳來的濾波后的電流形式模擬電壓信號；對濾波后的電流形式模擬電壓信號和預設過流電壓值進行比較，當濾波后的電流形式模擬電壓信號超過預設過流電壓值時，發(fā)出中斷信號至微控制器；當濾波后的電流形式模擬電壓信號不超過預設過流電壓值時，不做處理；

微控制器：接收電壓的模擬電壓信號和電流的模擬電壓信號；進行存儲；當接收到外部控制裝置發(fā)來的信號采集指令時，輸出電壓的模擬電壓信號和電流的模擬電壓信號至外部控制裝置；

另外，繼電模組還包括第一隔離電源和第二隔離電源；

第一隔離電源：輸出+5V電源為輸入電壓線性光耦隔離檢測模塊供電；

第二隔離電源：輸出+12V電源為門極驅動模塊供電；輸出+3.3V電源為串行隔離總線模塊、微控制器、低通濾波模塊、比較器和放大器供電。

如圖2所示為四線制精密檢測電阻電流檢測電路原理圖，由圖可知，四線制高邊電流檢測電阻包括檢測電阻、第一電阻、第一線路、第二電阻、第二線路、第一測量電流線路和第二測量電流線路；其中，檢測電阻的一端分別與第一線路和第一測量電流線路連接；第一線路上串聯(lián)有第一電阻；第一測量電流線路的輸出端與放大器正端連接；檢測電阻的另一端分別與第二線路和第二測量電流線路連接；第二線路上串聯(lián)第二電阻；第二測量電流線路的輸出端與放大器負端連接。

如圖3所示為直流電弧產(chǎn)生電路原理圖，有圖可知，本發(fā)明的繼電模組還具備電弧故障檢測功能：一旦出現(xiàn)短路過流的現(xiàn)象時，比較器的輸出狀態(tài)立刻翻轉，觸發(fā)微控制器的外部中斷輸入。微控制器在外部中斷的服務子函數(shù)內部，立刻就可以將發(fā)生短路故障的線路關閉。微控制器通過向門極驅動電路發(fā)送關閉信號，及時關閉了功率MOSFET，從而保護短路過流的電路，避免短路電弧的進一步發(fā)生。針對串行電弧，它發(fā)生時，線路并不會出現(xiàn)短路電弧發(fā)生時所特有的高過流情況，但它的線路電流會出現(xiàn)瞬態(tài)的電流跌落變化現(xiàn)象，通過軟件識別出這些串行電弧的電流特征后，比較當前采樣得到的電流值與內部預定義的閾值參數(shù)1/2/3的大小，一旦檢測到故障，就會及時地關閉功率MOSFET，避免故障擴大。

本發(fā)明微控制器1內部的電弧保護算法理論與實現(xiàn)如下：

如圖4所示為典型的直流電弧電流波形圖，由圖可知，由歐姆定律可以知道，通過電阻兩端的電流大小，正比于它兩端的電壓大小。通過四線制精密檢測電阻上的電流轉化為的電壓，就可以真實的反應出線路中電流的變化情況。產(chǎn)生的典型的電弧故障電流的波形。當沒有電弧產(chǎn)生時，圖3電路中負載電阻兩端的電壓就等于供電電壓。

本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。