一种电机高侧电源控制电路拓扑结构及其故障定位方法技术

本发明专利技术提供了一种电机高侧电源控制电路拓扑结构及其故障定位方法，通过拓扑结构可以满足负载电机在上电输出状态下、过压状态下、过流状态下、系统内部故障下的安全关断功能，能够对负载电机运行状态进行实时监控。另外，本发明专利技术电路结构简单，元器件数量少，成本低、通过更换不同参数的元器件可以满足不同负载电机的工作需求，兼容性强，安全可靠性高，可适应工业自动领域和车载电机领域内的电机控制系统。

【技术实现步骤摘要】
一种电机高侧电源控制电路拓扑结构及其故障定位方法
本专利技术公开涉及电源的领域，具体涉及一种电机高侧电源控制电路拓扑结构及其故障定位方法。
技术介绍
随着社会不断发展以及新技术的涌现，以绿色节能与安全可靠的产品设计理念不断普及，许多新能源技术正在迅速的发展，逐渐取代化石能源，如新能源汽车的发展。除此之外，伴随着新能源的发展，对用电设备的节能安全有了更高、更广泛的需求。绿色节能和安全可靠理念发展的电机控制技术以深入人类生活的各个领域，而电机高侧电源控制电路的稳定性与安全性影响产品使用人员的生命和财产安全。但是目前电机高侧电源控制存在着功能单一，故障安全监测与保护功能单一的问题。
技术实现思路
本专利技术目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种电机高侧电源控制电路拓扑结构及其故障定位方法。为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种电机高侧电源控制电路拓扑结构，所述主电路模块用于负载的供电，所述过压保护与解除模块用以实现电压过高时断电保护并在电压正常后解除断电保护功能，所述过流保护与解除模块用以电流过高时断电保护并在电压正常后解除断电保护的功能；主电路模块和过压保护与解除模块通过供电端Vin和二极管D1的1号端相连，主电路模块电阻R4的1号端、电阻R6的1号端均与过压保护与解除模块三极管Q1和过流保护与解除模块三极管Q2实现通断，主电路模块采样电阻RS的1号端和2号端分别与过流保护与解除模块电阻R13的2号端和电阻R14的2号端相连，从而实现三个功能模块的连接；主电路模块电阻R5的2号端、过压保护与解除模块电容器件C1的1号端、过压保护与解除模块三极管Q1的E端、过流保护与解除模块三极管Q2的E端、过流保护与解除模块电阻R9的1号端均接地。进一步地，所述主电路模块内部和电源管理芯片发生故障时，需要对负载进行紧急断电处理，发生此类情况时MCU控制输出端与电源管理故障功能输出端口其中之一输出低电平时，与门逻辑芯片U1的输出端口3输出为低电平，由于在电阻R4、R5没有形成电位差，故作用于电阻R6的1号端口电位为低，通过电阻R6的2号端口于三极管Q3的B号端口相连的电位为低电位，三级管Q3处于关闭状态，使得三极管Q3的E极与C极未导通，由于未形成电流回路使得P沟道的场效应管Q5的D号端口与G号端口的电位相等，未达到Q5的开启电压，场效应管Q5关闭，负载电流无法通过Q5作用于负载电阻RL上，使得负载无法正常工作。进一步地，所述过压保护与解除模块包括，当输出端电压Vin超过规定的电压值时，稳压二极管Z1处于导通状态，电流形成通过D1、Z1、R1与R2的回路，由于电流流经R2形成在电阻R2的1号端口与2号端口形成电位差作用于电阻R3的3号端口，使得经过电阻R3的1号端口与三极管Q1相连的B号端口电压大于三极管Q1的开启电压，三极管Q1的E极与C极导通，使得与三极管Q1的C号端口相连的电阻R6的1号端口被拉低，使得三极管Q3处于关闭状态，使得三极管Q3的E极与C极未导通，由于未形成电流回路使得P沟道的场效应管Q5的D号端口与G号端口的电位相等，未达到Q5的开启电压，场效应管Q5关闭，负载电流无法通过Q5作用于负载电阻RL上，使得负载无法正常工作；当供电电压Vin由异常状态回到正常状态时，稳压二极管Z1未导通，三极管Q1处于关闭状态。进一步地，所述过流保护与解除模块包括，当电流信号通过采样电阻RS、电阻R13、R14，差分运算放大器U2转化生的电压信号超过规定值时稳压二极管Z2导通，三极管Q2导通，场效应管Q5关闭，负载电流无法通过Q5作用于负载电阻RL上，使得负载无法正常工作。进一步地，由电阻R1、电容C1与电阻R2形成RC滤波电路，消除Vin由于短暂的电压干扰导致的误触发现象的对产品稳定性的影响。进一步地，通过二极管D1与N沟道场效应管Q4内部的体二极管进行防反接，实现所述该电路拓扑的反接保护。本结构电路故障定位方法：在所述电路拓扑结构基础上，在供电源Vin处依次连接有电阻R15、电阻R16及电源电压采集1，在P沟道场效应管Q5的S端处依次连接有电阻R17、电阻R18及电源电压采集2，在稳压二极管Z2处依次连接有电阻R17、电阻R18及电源线电流采集，在此基础上比较电源电压采集1、电源电压采集2、电源电流采集与MCU控制输出和电源管理系统功能安全输出共同定位故障区。通过比较电源电压采集1、电源电压采集2、电源电流采集与MCU控制输出和电源管理系统功能安全输出共同定位故障区。(1)当区域1中的Z1稳压管发生短路故障时：由诺顿电流定理可以分析出电源电压采集1采集的电压低于正常范围。当Z1发生短路时，三极管Q1的B极电压达到三极管的开启电压，三极管Q1的E极与C极相导通，电阻R4的1号端口侧电压被拉低，虽然此时电源电流采集与MCU控制输出和电源管理系统功能安全输出为高，U1与门输出端口为高，仍会导致三极管Q3的B极拉低，使得三极管Q3的C极与E极未导通，P-MOSFET的G极电位与S极电位相等，处于关闭状态，使得电源电压采集2采集的电压为0，由于P-MOSFET关闭导致电流无法形成回路，使得电源电流采集为0，如此定位区域1Z1器件产生故障。(2)当区域2三极管Q2的B极与C极发生短路故障：由于此时电源电流采集与MCU控制输出和电源管理系统功能安全输出为高，U1与门输出端口为高，此时作用与电阻R4的1号端口电压为高，通过三级管Q2的C极与B极作用于R8的1号端口为高电平。通过R8与R9电压分压作用于稳压管Z2的2号端口上，通过稳压管Z2作用于电阻R10的1号端口电压大于正常范围电压。而此时由于R6的1号端口始终处于高电平，所以三极管Q3的B极电压大于开启电压，三级管Q3的C极与E极导通，P-MOSFET导通，电源电压采集2输出为高电平。(3)当区域3的U2芯片内部发生故障时：不管如何控制输出始终为电平。(4)区域4的故障时：若与门U1的芯片发生故障，U1的3号输出端始终为低电平，导致P-MOSFET关闭；若P-MOSFET的D极与S极发生短路故障，虽然电源电压采集1、电源电压采集2、电源电流采集都在正常范围，但是无法通过MCU控制输出与电源管理系统功能安全输出来控制P-MOSFET。与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果在于：改善了目前电机高侧电源控制存在着功能单一，故障安全监测与保护功能单一的问题，实现了在电源供电异常、电机运行异常、控制单元内部异常状态下切断高侧电源，有效防止后期负载由于短路造成电源功耗增加甚至起火事故发生，同时也大大提高产品维修效率和降低产品单点监测故障率。附图说明图1为本专利技术电机高侧电源控制电路结构框图；图2为本专利技术反接状态下电机高侧电源控制电路框图；图3为本专利技术电机高侧电源控制电路故障分区框图；图例说明：R1-R18为电阻器件、C1为电容器件、D1为二极管器件、Z1-Z3为稳压二极管器件、Q1-Q3为NPN型三极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电机高侧电源控制电路拓扑结构，包括主电路模块、过压保护与解除模块和过流保护与解除模块，其特征包括，所述主电路模块用于负载的供电，所述过压保护与解除模块用以实现电压过高时断电保护并在电压正常后解除断电保护功能，所述过流保护与解除模块用以电流过高时断电保护并在电压正常后解除断电保护的功能；/n主电路模块和过压保护与解除模块通过供电端Vin和二极管D1的1号端相连，主电路模块电阻R4的1号端、电阻R6的1号端均与过压保护与解除模块三极管Q1和过流保护与解除模块三极管Q2实现通断，主电路模块采样电阻RS的1号端和2号端分别与过流保护与解除模块电阻R13的2号端和电阻R14的2号端相连，从而实现三个功能模块的连接；/n主电路模块电阻R5的2号端、过压保护与解除模块电容器件C1的1号端、过压保护与解除模块三极管Q1的E端、过流保护与解除模块三极管Q2的E端、过流保护与解除模块电阻R9的1号端均接地。/n

【技术特征摘要】
1.一种电机高侧电源控制电路拓扑结构，包括主电路模块、过压保护与解除模块和过流保护与解除模块，其特征包括，所述主电路模块用于负载的供电，所述过压保护与解除模块用以实现电压过高时断电保护并在电压正常后解除断电保护功能，所述过流保护与解除模块用以电流过高时断电保护并在电压正常后解除断电保护的功能；
主电路模块和过压保护与解除模块通过供电端Vin和二极管D1的1号端相连，主电路模块电阻R4的1号端、电阻R6的1号端均与过压保护与解除模块三极管Q1和过流保护与解除模块三极管Q2实现通断，主电路模块采样电阻RS的1号端和2号端分别与过流保护与解除模块电阻R13的2号端和电阻R14的2号端相连，从而实现三个功能模块的连接；
主电路模块电阻R5的2号端、过压保护与解除模块电容器件C1的1号端、过压保护与解除模块三极管Q1的E端、过流保护与解除模块三极管Q2的E端、过流保护与解除模块电阻R9的1号端均接地。


2.根据权利要求1所述的一种电机高侧电源控制电路拓扑结构，其特征在于：所述主电路模块正常运行时，MCU控制输出端与电源管理故障功能输出端口置高时，与门逻辑芯片U1的输出端口3输出为高电平，与电阻R4的2号端口相连，由此通过R4和R5分压分压之后的电位作用于电阻R6的1号端口，通过电阻R6的2号端口于三极管Q3的B号端口相连，输入到三极管Q3的B号端口电压大于三极管Q3的开启电压，使得三极管Q3的E极与C极导通，通过电阻R7与P沟道的场效应管Q5的G号端口相连，由于Q5的D号端口与G号端口的电压差大于Q5开启电压，使得Q5的D号端口与S号端口导通，电流通过输入端Vin通过N沟道场效应管Q4，P沟道场效应管Q5和采样电阻RS作用于负载电阻RL的2号端口，由此负载得以工作。


3.根据权利要求1所述的一种电机高侧电源控制电路拓扑结构，其特征在于：所述主电路模块内部和电源管理芯片发生故障时，需要对负载进行紧急断电处理，发生此类情况时MCU控制输出端与电源管理故障功能输出端口其中之一输出低电平时，与门逻辑芯片U1的输出端口3输出为低电平，由于在电阻R4、R5没有形成电位差，故作用于电阻R6的1号端口电位为低，通过电阻R6的2号端口于三极管Q3的B号端口相连的电位为低电位，三级管Q3处于关闭状态，使得三极管Q3的E极与C极未导通，由于未形成电流回路使得P沟道的场效应管Q5的D号端口与G号端口的电位相等，未达到Q5的开启电压，场效应管Q5关闭，负载电流无法通过Q5作用于负载电阻RL上，使得负载无法正常工作。


4.根据权利要求1所述的一种电机高侧电源控制电路拓扑结构，其特征在于：所述过压保护与解除模块包括，当输出端电压Vin超过规定的电压值时，稳压二极管Z1处于导通状态，电流形成通过D1、Z1、R1与R2的回路，由于电流流经R2形成在电阻R2的1号端口与2号端口形成电位差作用于电阻R3的3号端口，使得经过电阻R3的1号端口与三极管Q1相连的B号端口电压大于三极管Q1的开启电压，三极管Q1的E极与C极导通，使得与三极管Q1的C号端口相连的电阻R6的1号端口被拉低，使得三极管Q3处于关闭状态，使得三极管Q3的E极与C极未导通，由于未形成电流回路使得P沟道的场效应管Q5的D号端口与G号端口的电位相等，未达到Q5的开启电压，场效应管Q5关闭，负载电流无法通...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢锦鹏，颜丙杰，相硕，赵洵，李晨风，
申请(专利权)人：天津英创汇智汽车技术有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12