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一種無縫接入電壓電流換擋控制系統.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510969706.3

申請日:

2015.12.17

公開號:

CN105468074A

公開日:

2016.04.06

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 專利權的轉移 IPC(主分類):G05F 1/56登記生效日:20190304變更事項:專利權人變更前權利人:中國電子科技集團公司第四十一研究所變更后權利人:中電科儀器儀表有限公司變更事項:地址變更前權利人:233010 安徽省蚌埠市華光大道726號變更后權利人:266555 山東省青島市黃島區香江98號|||授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G05F 1/56申請日:20151217|||公開
IPC分類號: G05F1/56 主分類號: G05F1/56
申請人: 中國電子科技集團公司第四十一研究所
發明人: 王文廷; 李斌; 張永坡; 彭海軍; 張根苗; 王俊生
地址: 233010安徽省蚌埠市華光大道726號
優先權:
專利代理機構: 濟南舜源專利事務所有限公司37205 代理人: 肖峰
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510969706.3

授權公告號:

|||||||||

法律狀態公告日:

2019.03.22|||2017.03.29|||2016.05.04|||2016.04.06

法律狀態類型:

專利申請權、專利權的轉移|||授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種無縫接入電壓電流換擋控制系統,具體涉及電壓、電流換擋控制領域。它解決了現有的電壓、電流換擋控制系統存在換檔波動的不足。該無縫接入電壓電流換擋控制系統,包括依次連接的高電壓低電流量程切換限流電路、中電壓中電流量程切換限流電路、低電壓高電流量程切換限流電路、功率開關電流檢測電路和輸出防反接電路,功率開關電流檢測電路上連接有吸收濾波電路和電平脈沖驅動電路,高電壓低電流量程切換限流電路、中電壓中電流量程切換限流電路和低電壓高電流量程切換限流電路中均包括三只三極管,其中第一只三極管的集電極與第二只三極管的基極相連,第二只三極管的發射極與第三只三極管的基極相連。

權利要求書

1.一種無縫接入電壓電流換擋控制系統,其特征在于,包括依次連接的高電壓低電流量
程切換限流電路、中電壓中電流量程切換限流電路、低電壓高電流量程切換限流電路、功率
開關電流檢測電路和輸出防反接電路,所述功率開關電流檢測電路上連接有吸收濾波電路和
電平脈沖驅動電路,所述高電壓低電流量程切換限流電路、中電壓中電流量程切換限流電路
和低電壓高電流量程切換限流電路中均包括三只三極管,三只三極管級聯,其中第一只三極
管的集電極與第二只三極管的基極相連,第二只三極管的發射極與第三只三極管的基極相連。
2.如權利要求1所述的一種無縫接入電壓電流換擋控制系統,其特征在于,所述第一只
三極管的基極與第二只三極管的基極之間設有一只電容。
3.如權利要求1所述的一種無縫接入電壓電流換擋控制系統,其特征在于,所述功率開
關電流檢測電路包括功率調整三極管,所述功率調整三極管的發射集連接一只電阻。
4.如權利要求1所述的一種無縫接入電壓電流換擋控制系統,其特征在于,所述輸出防
反接電路包括并聯在一起的一只二極管、一只電容和一只電阻。
5.如權利要求1所述的一種無縫接入電壓電流換擋控制系統,其特征在于,所述吸收濾
波電路包括電阻,電阻的兩端分別串聯有一只電容。
6.如權利要求1所述的一種無縫接入電壓電流換擋控制系統,其特征在于,所述電平脈
沖驅動電路包括驅動三極管,所述驅動三極管的基極、集電極和發射集上各串聯有一只電阻。

說明書

一種無縫接入電壓電流換擋控制系統

技術領域

本發明涉及電壓、電流換擋控制領域,具體涉及一種無縫接入電壓電流換擋控制系統。

背景技術

現有的電壓、電流換檔控制電路一般是采用繼電器換檔控制法和開關管換檔控制法。繼
電器換檔控制法,通過對輸出電壓、輸出電流分別進行檢測,將檢測的電壓、電流值和需要
輸出的電壓、電流值分別進行比較,得到不同的繼電器控制電平,進而控制相應電壓、電流
檔位的繼電器導通和關斷,達到電壓、電流的換檔控制,這種控制方法的最大缺點是存在換
檔斷流和打火拉弧問題,對電路損害極大。開關管換檔控制法和繼電器換檔控制法基本相同,
其區別是開關管換檔控制法的換檔執行單元為半導體開關管,不存在打火拉弧問題,換檔斷
流也基本上可以忽略,但仍然存在較大的換檔波動,以及較為復雜的換檔控制電路。因此,
對于半導體分析儀類等尖端產品,電壓檢測靈敏度要求高達μV級,電流檢測靈敏度要求高
達pA級,采用傳統的電壓、電流換檔控制方法,任何的換檔波動就會顯著影響電壓、電流的
檢測指標;當進行微弱電壓、電流信號輸出、測試時,甚至會完全淹沒微弱的電壓、電流信
號。

發明內容

本發明的目的是針對現有的電壓、電流換擋控制系統存在換檔波動、電路結構復雜的不
足,提出了通過設置高電壓低電流量程切換限流電路、中電壓中電流量程切換限流電路和低
電壓高電流量程切換限流電路三個電路,且上述三個電路中均包含三個級聯的三極管,實現
電路的自適應電壓選擇功能和自適應分級電流控制功能的一種無縫接入電壓電流換擋控制系
統。

本發明具體采用如下技術方案:

一種無縫接入電壓電流換擋控制系統,包括依次連接的高電壓低電流量程切換限流電路、
中電壓中電流量程切換限流電路、低電壓高電流量程切換限流電路、功率開關電流檢測電路
和輸出防反接電路,所述功率開關電流檢測電路上連接有吸收濾波電路和電平脈沖驅動電路,
所述高電壓低電流量程切換限流電路、中電壓中電流量程切換限流電路和低電壓高電流量程
切換限流電路中均包括三只三極管,三只三極管級聯,其中第一只三極管的集電極與第二只
三極管的基極相連,第二只三極管的發射極與第三只三極管的基極相連。

優選地,所述第一只三極管的基極與第二只三極管的基極之間設有一只電容。

優選地,所述功率開關電流檢測電路包括功率調整三極管,所述功率調整三極管的發射
集連接一只電阻。

優選地,所述輸出防反接電路包括并聯在一起的一只二極管、一只電容和一只電阻。

優選地,所述吸收濾波電路包括電阻,電阻的兩端分別串聯有一只電容。

優選地,所述電平脈沖驅動電路包括驅動三極管,所述驅動三極管的基極、集電極和發
射集上各串聯有一只電阻。

本發明具有如下有益效果:

(1)能實時跟蹤負載端電壓、電流變化,通過無縫量程切換控制,實現輸出電壓、電流
的可控性、高穩定性,而不必擔心由電壓、電流切換而帶來的電壓、電流瞬變。

(2)采用無縫量程切換技術,避免了傳統切換電路固有的切換“死區”產生的電壓電流
動態瞬變;采用無縫量程切換技術,穩定可靠的電壓性能,實現各檔電壓、電流的無縫銜接,
無需額外的開關切換,提高測試速度和穩定性。

(3)采用無延時過流保護,實時進入保護狀態、改變電壓或電流量程,保護該輸出負載
或被測件。

(4)采取電平脈沖驅動電路,使電路既能輸出直流電壓、電流信號,也能輸出脈沖電壓、
電流信號。

(5)本發明采用三級量程切換電路,以此方法可以擴展到更多級量程控制,且無須額外
增加其它外部控制電路。

附圖說明

圖1為一種無縫接入電壓電流換擋控制系統結構框圖;

圖2為一種無縫接入電壓電流換擋控制系統具體電路圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明的具體實施方式做進一步說明:

如圖1所述,一種無縫接入電壓電流換擋控制系統,包括依次連接的高電壓低電流量程
切換限流電路、中電壓中電流量程切換限流電路、低電壓高電流量程切換限流電路、功率開
關電流檢測電路和輸出防反接電路,所述功率開關電流檢測電路上連接有吸收濾波電路和電
平脈沖驅動電路,高電壓低電流量程切換限流電路、中電壓中電流量程切換限流電路和低電
壓高電流量程切換限流電路中均包括三只三極管(其中高電壓低電流量程切換限流電路中的
三只三極管分別是V11、V12、V13,中電壓中電流量程切換限流電路中的三只三極管分別是V21、
V22、V23,低電壓高電流量程切換限流電路中的三只三極管分別是V31、V32、V33),三只三極管
級聯,其中第一只三極管的集電極與第二只三極管的基極相連,第二只三極管的發射集與第
三只三極管的基極相連,第一只三極管的基極與第二只三極管的基極之間設有一只電容。功
率開關電流檢測電路包括功率調整三極管V42,功率調整三極管V42的發射集連接一只電阻R45。
輸出防反接電路包括并聯在一起的一只二極管V43、一只電容C45和一只電阻C47。吸收濾波電
路包括電阻R46,電阻R46的兩端分別串聯有電容C43和C44。電平脈沖驅動電路包括驅動三極管
V41,該驅動三極管的基極、集電極和發射集上各串聯有一只電阻(分別為R41、R42和R43)。

其中,根據輸出電壓、輸出電流的設置及實際負載變化需求,自動進行相應電壓、電流
檔位的無縫量程切換,并進行一次穩壓調整控制,將電壓穩定到比輸出電壓高4V的電壓點,
并經過吸收濾波電路進行紋波、噪聲濾波凈化,再通過功率開關電流檢測電路和輸出防反接
電路進行二次穩壓調整控制,從而達到輸出電壓、電流的精確調整控制。三級量程切換限流
電路實現電路的電壓量程和電流量程的自適應切換功能,以及限流保護功能;功率開關電流
檢測電路,實現輸出電壓、電流的精確調整、可控;電平脈沖驅動電路對輸入直流電平或脈
沖信號進行放大后,通過驅動功率開關電流檢測電路中功率調整管的基極,使電路既能輸出
直流電壓、電流,也能輸出脈沖形式的電壓、電流,實現儀器設備的電平測量和脈沖測量;
吸收濾波電路進行紋波、噪聲濾波凈化;輸出防反接電路,避免了負載對電路的影響。

如圖2所述,該無縫接入電壓電流換擋控制系統的工作原理為:在電壓、電流控制輸出
換檔工作時,電流限值由電阻R17、R27和R31的阻值來控制,因為三極管V11、V21、V31的
b-e極之間的端電壓Vbe是一定的(為0.5V),因此,對應流過限流電阻R17、R27和R31的
限流值IS1、IS2、IS3也是一定的,根據需要輸出的電流來調節電阻R17、R27和R31的大小,
以確保電路在一定的輸出電流范圍內能正常調控輸出。其中,高電壓低電流量程切換限流電
路對應的電壓大小為120V,電流大小為0.125A;中電壓中電流量程切換限流電路對應的電壓
大小為60V,電流大小為0.25A;低電壓高電流量程切換限流電路對應的電壓大小為30V,電
流大小為0.5A。

當輸出電流小于高電壓低電流量程切換限流電路的電流限值IS1時,限流電阻R17、R27
和R31上的壓降均小于三極管V11、V21、V31的基極端電壓,三極管V11、V21、V31關斷,
三極管V12、V22、V32導通,分別為三極管V13、V23、V33提供基極電流,功率三極管V13、
V23、V33導通,但因為輸入電壓+Vin1的電壓值遠高于+Vin2、+Vin3電壓值,二極管V14、
V24反向截止,只有輸入電壓+Vin1經由L1、V13、R17、V23、R27、V33、R31通路施加到功
率調整三極管V42的集電極,圖2中功率調節輸入信號PA-IN是由輸出電壓Force-COM和輸
出電流取樣信號I-Sense經過一系列的處理運算得到的,通過功率調節輸入信號PA-IN對功
率調整三極管V42的精確調整控制,經由V42、R45、V43通路輸出。既要保證功率調整三極
管V42可靠工作在放大區,又要綜合考慮功率調整三極管V42功耗限制設計要求,因此V42
的集電極、發射極之間壓降設計為4V,設計原理是通過分壓電阻R33、R34將電阻R34上的
電壓值限定在5V左右,減去電阻R37、三極管V32和V33的b-e極導通壓降約1V,這樣就能
保證V42的集電極、發射極之間壓降設計為4V左右,再考慮到功率通路中其它功率三極管、
限流電阻、二極管的工作壓降,以及工作電流等因素,本發明將輸入電壓+Vin1、+Vin2、+Vin3
和輸出電壓Force-COM之間的可調節壓差均設計為10V。因此輸出電壓為0~(+Vin1-10V)量
程,輸出電流為0~IS1量程。

當輸出電流趨向高電壓低電流量程切換限流電路的電流限值IS1時,限流電阻R17上的壓
降逼近三極管V11的基極端電壓,三極管V11逐漸導通,三極管V12逐漸關斷,三極管V12
為功率三極管V13提供的基極電流逐漸減小,功率三極管V13逐漸關斷,功率三極管V13的
集電極和發射極之間的壓降逐漸增大,二極管V14的陰極電壓逐漸下降,直至當輸出電流達
到高電壓低電流量程切換限流電路的電流限值IS1時,二極管V14的陰極電壓值下降到
(+Vin2-0.5V),這里二極管V14的正向壓降約為0.5V,二極管V14正向導通,輸入電壓+Vin2
通過二極管V14實現無縫接入;當輸出電流大于高電壓低電流量程切換限流電路的電流限值
IS1時,使得限流電阻R17上的壓降大于三極管V11的b-e極之間的端電壓Vbe,促使三極管
V11完全導通,三極管V12關斷,不再為功率三極管V13提供基極電流,功率三極管V13關
斷,電壓+Vin1完全截止。此時,限流電阻R27、R31上的電壓均小于三極管V21、V31的基
極端電壓,三極管V21、V31關斷,三極管V22、V32導通,分別為功率三極管V23、V33提供
基極電流,功率三極管V23、V33導通,但因為+Vin2電壓值遠高于+Vin3電壓值,二極管V24
反向截止,輸入電壓+Vin2經由L2、V14、R17、V23、R27、V33、R31通路施加到功率調整三
極管V42的集電極,通過功率調節輸入信號PA-IN對功率調整三極管V42的精確調整控制,
經由V42、R45、V43通路輸出,因此輸出電壓為0~(+Vin2-10V)量程,輸出電流為IS1~IS2
量程。

當輸出電流趨向中電壓中電流量程切換限流電路的電流限值IS2時,限流電阻R27上的壓
降逼近三極管V21的基極端電壓,三極管V21逐漸導通,三極管V22逐漸關斷,三極管V22
為功率三極管V23提供的基極電流逐漸減小,功率三極管V23逐漸關斷,功率三極管V23的
集電極和發射極之間的壓降逐漸增大,二極管V24的陰極電壓逐漸下降,直至當輸出電流達
到高電壓低電流量程切換限流電路的電流限值IS2時,二極管V24的陰極電壓值下降到
(+Vin3-0.5V),這里V24的正向壓降約為0.5V,二極管V24正向導通,輸入電壓+Vin3通過
二極管V24實現無縫接入;當輸出電流大于中電壓中電流量程切換限流電路的電流限值IS2
時,使得限流電阻R27上的壓降大于三極管V21的b-e極之間的端電壓Vbe,促使三極管V21
完全導通,三極管V22關斷,不再為功率三極管V23提供基極電流,功率三極管V23關斷,
輸入電壓+Vin2完全截止。此時,限流電阻R31上的電壓小于三極管V31的基極端電壓,三
極管V31關斷,三極管V32導通,為功率三極管V33提供基極電流,功率三極管V33導通,
輸入電壓+Vin3經由L3、V24、R27、V33、R31通路施加到功率調整三極管V42的集電極,通
過功率調節輸入信號PA-IN對功率調整三極管V42的精確調整控制,經由V42、R45、V43通
路輸出,因此輸出電壓為0~(+Vin3-10V)量程,輸出電流為IS2~IS3量程。

當輸出電流趨向低電壓高電流量程切換限流電路的電流限值IS3時,限流電阻R31上的電
壓逼近三極管V31的基極端電壓,三極管V31逐漸導通,三極管V32逐漸關斷,三極管V32
為功率三極管V33提供的基極電流逐漸減小,功率三極管V33逐漸關斷,直至當輸出電流大
于低電壓高電流量程切換限流電路的電流限值IS3時,功率三極管V33關斷,輸入電壓+Vin3
完全截止。與此同時,由功率開關電流檢測電路將限流電阻R45上檢測的電流限值進行一系
列的處理運算,使得功率調整輸入信號PA-IN變為低電平關斷信號,低電平關斷信號通過電
阻R41施加到三極管V41基極,三極管V41關斷,不再為功率調整三極管V42提供基極電流,
功率調整三極管V42關斷,實現電路保護。

三極管V11、V21、V31均為小功率三極管,分別用于限流電阻R17、R27、R31上電流信
號的一次放大,選用放大倍數、頻率特征參數較高的小型三極管,實現相應的放大控制要求;
三極管V12、V22、V32均為中小功率三極管,分別用于限流電阻R17、R27、R31上電流信號
的二次放大,以及分別為功率調整管V13、V23、V33提供基極驅動電流,采用高電壓、中小
電流的三極管即可實現對功率調整管V13、V23、V33的驅動控制,易于選擇放大倍數、頻率
特征參數相對較高的三極管;三極管V13、V23、V33均為功率三極管,分別用于高電壓低電
流、中電壓中電流、低電壓高電流三級電壓電流量程的切換控制,主要是要求額定電壓、額
定電流應分別滿足+Vin1、+Vin2、+Vin3和IS1、IS2、IS3的功率三極管。功率調整三極管V42
只需額定電流滿足限流值IS3的要求,額定電壓則要求很低,所以非常容易選擇放大倍數較大
的三極管,提高調整速度、靈敏度。電阻R46、電容C43、C44組成吸收濾波電路,用于電壓
電流的紋波和噪聲的濾波凈化,電阻R46選用普通功率即可,但電容C43、C44則需要選用泄
漏電流較低、頻率特性較好的電容器。限流電阻R17、R27、R31在一定程度上決定了IS1、IS2、
IS3的限流值和準確度,選用精度較高、溫度系數較好的精密功率電阻,以保證IS1、IS2、IS3
的限流值和準確度;同樣分壓電阻R33、R34也在一定程度上決定了功率調整三極管V42的工
作電壓調節范圍,選用精度較高、性能穩定的精密電阻,以確保功率調整三極管V42的電壓
工作點和功耗限制。限流電阻R17、R27、R31,以及分壓電阻R33、R34的選擇應按照公式(1)、
(2)進行。

R17=0.5/IS1,R27=0.5/IS2,R31=0.5/IS3(1)

R34÷(R33+R34)×15=5,即R33=2*R34(2)

當然,上述說明并非是對本發明的限制,本發明也并不僅限于上述舉例,本技術領域的
技術人員在本發明的實質范圍內所做出的變化、改型、添加或替換,也應屬于本發明的保護
范圍。

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