CN112103910B - 一种电子控制单元智能输出电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电子控制单元智能输出电路，包括第一开关管，第二开关管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第一运算放大器、第二运算放大器和智能控制芯片，形成电压采样模块、电流采样模块和智能控制模块，对电压、电流进行检查，由智能控制模块提供智能监控保护功能。本发明采用MOSFET作为电子开关，解决了寿命短、频率低、电流弱的问题，设置专用电路对电压、电流进行检查，通过专业芯片进行计算，提供了智能监控保护功能。
Description
技术领域
本发明涉及电子控制单元，具体涉及一种电子控制单元智能输出电路。
背景技术
电子控制单元实现***的核心控制功能，在变流器中实现控制指令的采集、高速断路器的控制、主接触器的控制、充电机接触器的控制、IGBT驱动的控制。电子控制单元一般以嵌入式CPU为核心，配置各种外设，包括DI（开关量输入）、DO（开关量输出）、AI（模拟量输入）以及通讯。其中DO（开关量输出）信号一般为DC110V电压等级，允许的电压波动百分比为70%~125%，对应电压范围为77V~137.5V。传统的方式通常采用继电器输出，存在如下缺点：
A、寿命短：典型的机械寿命为10万次，电气寿命为1万次。
B、频率低：10Hz（10次/秒）。
C、电流弱：机械开关无论是平均电流还是峰值电流都比较弱。
D、没有智能监控保护：负载状态、开关智能监控状态。
发明内容
本发明的目的在于提出一种电子控制单元智能输出电路及其控制方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种电子控制单元智能输出电路，包括第一开关管，第二开关管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第一运算放大器、第二运算放大器和智能控制芯片；
第一开关管、第一电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第四电容和第一运算放大器组成电压采集模块，电压采集模块中，第一开关管的D极连接电源；第一开关管的G极经第四电阻连接智能控制芯片的RC1端，经第五电阻连接RTN；第一开关管的S极经第八电阻连接第一运算放大器的同向输入端，经第九电阻连接第一运算放大器的反向输入端；第一运算放大器的输出端和反正输入端之间连接第四电容和第十电阻的并联电路；第一运算放大器的输出端经第十四电阻连接智能控制芯片的RA2/AN2端，经第十四电阻和第一电容的串联电路连接RTN；第一电容的两端并联第一二极管，第一稳压管的正极接RTN，负极接第十四电阻和第一电容的连接点；
第二开关管、第二电阻、第三电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第五电容和第二运算放大器组成电流采集模块，电流采集模块中，第二开关管的D极经第二电阻连接电源；第二开关管的G极经第六电阻连接智能控制芯片的的RC0端，经第七电阻连接RTN；第二开关管的S极经第十五电阻连接智能控制芯片的RA1/AN1端，经第十五电阻和第二电容的串联电路接RTN；第二电容的两端并联第二稳压管，第二稳压管的正极接RTN，负极接第十五电阻和第二电容的连接点；第二开关管的S极还经第十一电阻连接第二运算放大器的同向输入端，经第三电阻连接RTN，经第三电阻和第十二电阻的串联电路连接第二运算放大器的反向输入端；第二运算放大器的输出端和反正输入端之间连接第五电容和第十三电阻的并联电路；第二运算放大器的输出端经第十六电阻连接智能控制芯片的RA0/AN0端，经第十六电阻和第三电容的串联电路连接RTN，所述第十六电阻和第三电容构成低通滤波器；第三电容的两端并联第三稳压管，第三稳压管的正极接RTN，负极接第十六电阻和第三电容的连接点。
一种基于上述电子控制单元智能输出电路的控制方法，包括如下步骤：
步骤1，检测智能控制芯片RC1端的输入信号DO_CMD，在输入信号DO_CMD无效时，智能控制芯片通过RC1端DO_CTRL信号控制第一开关管关闭，输出端DO不具备功率输出能力；同时，通过RC0的SENSE信号控制第二开关管导通；此时，电源电压经过第二电阻、第三电阻和负载电阻构成回路，电压采集模块工作，采集第三电阻上的电压，通过2种方式到智能控制芯片，第1种，通过第十五电阻和第二电容构成的低通滤波器，直接输出到智能控制芯片，第二电容的两端并联第二稳压管，当第三电阻采样电压超过范围时，稳压生效，可以保护智能控制芯片；第2种，通过第十一电阻、第十二电阻接到第二运算放大器的输入端，第二运算放大器输出放大后的第三电阻采样电压，通过第十六电阻和第三电容构成低通滤波器，送给智能控制芯片，第三稳压管并联在第三电容的两端，当第三电阻采样电压的放大信号超过范围时，稳压生效，保护智能控制芯片；
智能控制芯片根据直接采集的第三电阻上的电压，计算电源电压，如果在电压正常工作阈值范围内，则判断电源正常、输出回路正常，等待输入信号DO_CMD有效，等待过程中循环检查电源电压；
步骤2，当DO_CMD有效后，智能控制芯片通过RC1端的DO_CTRL信号控制第一开关管导通，输出端DO具备功率输出能力；此时，输出功率电流经过第一开关管、第一电阻和负载电阻构成回路，电流采样模块工作，采集第一电阻上的电压，通过第八电阻、第九电阻接到第一运算放大器的输入端，第一运算放大器输出放大后的第一电阻中的电压，通过第十四电阻和第一电容构成低通滤波器送给智能控制芯片，第一稳压管管并联在第一电容的两端，当放大信号超过范围时，稳压生效，保护智能控制芯片；
智能控制芯片根据放大后的第一电阻中的电压计算输出回路的电流，即流过第一开关管、第一电阻和负载电阻的电流，当输出电回路流超过设定值时，关闭第一开关管，关闭输出端DO，延时5秒后，回到步骤1，重新开始，否则转至步骤3；
步骤3，当第一开关管导通后，第三电阻上的电压为第一开关管的电压，智能控制芯片采集第三电阻上的电压，结合输出回路的电流，计算第一开关管上的功耗，当第一开关管上的功耗超过其发热限定值，关闭第一开关管，关闭输出端DO，延时5秒后，回到步骤1，重新开始，否则，继续检测DO_CMD有效状态，执行对应操作。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)采用MOSFET作为电子开关，解决寿命短、频率低、电流弱的功能。2)设置专用电路对电压、电流进行检查，通过专业芯片进行计算，提供下列智能监控保护功能：负载是否异常（开路、短路），开关管健康状态，电压异常。
附图说明
图1为本发明电子控制单元智能输出电路的电路图；
图2为电压采样模块的电路图；
图3为电流采样模块的电路图；
图4为MOSFET功耗计算的原理图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
如图1所示，一种电子控制单元智能输出电路，包括电压采样模块、电流采样模块和智能控制模块，电压采集电路，用于采集相关电压信号，供智能控制模块计算电源电压；电流采集电路，用于采集相关电压信号，供智能控制模块计算输出电流和功耗；智能控制模块，用于计算电源电压、输出电流和功耗，在超过安全阈值时，切断电源连接或者关闭输出。
为了实现电子控制单元智能输出电路的上述功能，本发明设计如下优化电路。如图1所示，电子控制单元智能输出电路包括第一开关管Q1，第二开关管Q2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第一运算放大器U2、第二运算放大器U3和智能控制芯片U1，其中：
第一开关管Q1、第一电阻R1、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第四电容C4和第一运算放大器U2组成电压采集模块。电压采集模块中，第一开关管Q1的D极连接电源；第一开关管Q1的G极经第四电阻R4连接智能控制芯片U1的RC1端，经第五电阻R5连接RTN；第一开关管Q1的S极经第八电阻R8连接第一运算放大器U2的同向输入端，经第九电阻R9连接第一运算放大器U2的反向输入端；第一运算放大器U2的输出端和反正输入端之间连接第四电容C4和第十电阻R10的并联电路，所述第四电容C4和第十电阻R10构成放大反馈回路；第一运算放大器U2的输出端经第十四电阻R14连接智能控制芯片U1的RA2/AN2端，经第十四电阻R14和第一电容C1的串联电路连接RTN，所述第十四电阻R14和第一电容C1构成低通滤波器；第一电容C1的两端并联第一稳压管ZV1，第一稳压管ZV1的正极接RTN，负极接第十四电阻R14和第一电容C1的连接点，当采样放大信号超过范围时，稳压生效，保护智能控制芯片U1。
第二开关管Q2、第二电阻R2、第三电阻R3、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第五电容C5和第二运算放大器U3组成电流采集模块。电流采集模块中，第二开关管Q2的D极经第二电阻R2连接电源；第二开关管Q2的G极经第六电阻R6连接智能控制芯片U1的的RC0端，经第七电阻R7连接RTN；第二开关管Q2的S极经第十五电阻R15连接智能控制芯片U1的RA1/AN1端，经第十五电阻R15和第二电容C2的串联电路接RTN，所述第十五电阻R15和第二电容C2构成低通滤波器，第二电容C2的两端并联第二稳压管ZV2，第二稳压管ZV2的正极接RTN，负极接第十五电阻R15和第二电容C2的连接点，当采样信号超过范围时，稳压生效，保护智能控制芯片U1；第二开关管Q2的S极还经第十一电阻R11连接第二运算放大器U3的同向输入端，经第三电阻R3连接RTN，经第三电阻R3和第十二电阻R12的串联电路连接第二运算放大器U3的反向输入端；第二运算放大器U3的输出端和反正输入端之间连接第五电容C5和第十三电阻R13的并联电路，所述第五电容C5和第十三电阻R13构成放大反馈回路；第二运算放大器U3的输出端经第十六电阻R16连接智能控制芯片U1的RA0/AN0端，经第十六电阻R16和第三电容C3的串联电路连接RTN，所述第十六电阻R16和第三电容C3构成低通滤波器；第三电容C3的两端并联第三稳压管ZV3，第三稳压管ZV3的正极接RTN，负极接第十六电阻R16和第三电容C3的连接点，当采样放大信号超过范围时，稳压生效，保护智能控制芯片U1。
上述电路的工作原理如下：
步骤1，智能控制芯片U1在输入信号DO_CMD无效时，通过RC1端DO_CTRL信号控制第一开关管Q1关闭，输出端DO不具备功率输出能力。
同时，智能控制模块通过RC0的SENSE信号控制第二开关管Q2导通，电源电压经过第二电阻R2、第三电阻R3和负载电阻RL构成回路，电压采集模块工作，采集第三电阻R3上的电压，通过2种方式到智能控制芯片U1。第1种，通过第十五电阻R15和第二电容C2构成的低通滤波器，直接输出到智能控制芯片U1，第二电容C2的两端并联第二稳压管ZV2，当第三电阻R3采样电压超过范围时，稳压生效，可以保护智能控制芯片U1。第2种，通过第十一电阻R11、第十二电阻R12接到第二运算放大器U3的输入端，第二运算放大器U3输出放大后的第三电阻R3采样电压，通过第十六电阻R16和第三电容C3构成低通滤波器，送给智能控制芯片U1，第三稳压管ZV3并联在第三电容C3的两端，当第三电阻R3采样电压的放大信号超过范围时，稳压生效，保护智能控制芯片U1。
智能控制芯片U1则根据第三电阻R3采样电压计算电源电压VDD，如果在电压正常工作阈值范围内，则判断电源正常、输出回路正常，等待输入信号DO_CMD有效，等待过程中循环检查电源电压VDD。
第一开关管Q1关闭、第二开关管Q2导通时，电压采样的局部电路，如图2所示。此时电源电压流过的回路为R2、Q2、R3、RL，最后通过RL回流到电源的负端。智能控制芯片U1通过直接采集R3上的电压VD0-0，结合分压原理，可以计算输出电源电压VDD。
VD0-0=VDD×
=VDD× K1
其中：K1=
因此，可根据VDD= VD0-0÷K1计算电源电压。
步骤2，当DO_CMD有效后，智能控制芯片U1通过RC1端的DO_CTRL信号控制第一开关管Q1导通，输出端DO具备功率输出能力。
此时，输出功率电流经过第一开关管Q1、第一电阻R1和负载电阻RL构成回路，电流采样模块工作，采集第一电阻R1上的电压，通过第八电阻R8、第九电阻R9接到第一运算放大器U2的输入端，第一运算放大器U2输出放大后的第一电阻R1中的电压，通过第十四电阻R14和第一电容C1构成低通滤波器送给智能控制芯片U1，第一稳压管ZV1并联在第一电容C1的两端，当放大信号超过范围时，稳压生效，保护智能控制芯片U1。
智能控制芯片U1则根据第一运算放大器U2的输出计算输出回路的电流，根据欧姆定律，计算第一电阻R1的电流，由于第一开关管Q1、第一电阻R1和负载电阻RL串联；因此计算得到的第一电阻R1的电流也是第1开关管Q1的电流，同时也是负载RL的电流，当输出电流超过设定值时，关闭第一开关管Q1，关闭输出端DO，延时5秒后，回到步骤1，重新开始，否则转至步骤3。
第一开关管Q1导通、第二开关管Q2导通时，电流采样电路如图3所示。电源电流经过第一开关管Q1、第一电阻R1和负载电阻RL后，回流到电源的负端。智能控制模块通过采集R1上的电压，可以计算输出回路的电流，
第一运算放大器U2的输出VC-0和第一电阻R1存在如下关系：
VC-0= 
--------------------
为R1上的电压，后面为运放比例
= 
R1 
--------------I为负载RL上的电流，与R1相同
= 
= K2 × I
其中 K2 = 
因此，可根据I =VC-0÷K2可计算输出回路的电流。
步骤3，当第一开关管Q1导通后，第三电阻R3上的电压为第一开关管Q1的电压，采集第三电阻R3上的电压，结合步骤2中间采集的输出回路电流，根据电功率=电压×电流，计算第一开关管Q1上的功耗，当第一开关管Q1上的功耗超过其发热限定值，关闭第一开关管Q1，关闭输出端DO，延时5秒后，回到步骤1，重新开始，否则，继续检测DO_CMD有效状态，执行对应操作。
通过电流采样，智能控制芯片U1已经采样了第一开关管Q1的电流 IQ1，如果还能采样到第一开关管Q1的上的电压UQ1，那么可以计算第一开关管Q1的功耗PQ1。当Q1和Q2都闭合后，存在如下关系：
左边Q1回路的电压（VDD左） = 右边Q2回路的电压（VDD右）。
其中：
左边Q1回路的电压 = Q1的导通电压 +R1的电压。
右边Q2回路的电压 = R2的电压+ Q2的导通电压 +R3的电压。
因此可以通过采集右边Q2回路的电压，作为左边Q1回路的电压，进一步计算第一开关管Q1的导通电压。
右边Q2回路的电压采集原理与电压采样模块（图2）中的计算原理类似：
VDD右 = I右×（R2 + RQ2 + R3）
= 
×（R2 + RQ2 + R3）
其中RQ2为Q2的电阻，由于在极端情况下，第三电阻R3上的电压较小，不便于ADC进行有效的分辨，因此与电流采样的电路相似，采用第二运算放大器U3放大后采样信号VD1-0进行计算。
VD1-0= UR3×
采集UR3或者根据VD1-0计算UR3后，代入VDD右计算公式后得到右边Q2回路的电压，结合下式可计算第一开关管Q1的导通电压，即：
UQ1 = VDD左– UR1
= VDD右– IR1×R1
则第一开关管Q1的功耗为：
PQ1 = UQ1× IQ1
= UQ1× IR1
实施例
为了验证本发明方案的有效性，进行如下实验设计。
电子控制单元智能输出电路，包括电压采样模块、电流采样模块和智能控制模块，整体电路见图1：
A、左边虚线部分为本发明的输出电路部分，右边为该输出电路的负载和电压。VDD_110V的电源通过本电路的RTP输入，在内部分为2条支路：Q1支路和Q2支路，Q1支路主要实现回路的输出，Q2主要实现电压检测功能。
B、在Q1支路中，VDD_110V经过Q1的DS，到采样电阻R1，到输出端RTN，给负载RL的其中一端供电，RL的另外一端接到GND_110V。当Q1的G极有信号时，Q1导通，给负载RL供电。在该回路中采样电阻R1两端通过R8和R9接到运放U2的输入端，C4和R10构成放大反馈回路。U2的1脚输出的信号为放大后的R1中的电流，等效负载电流，该信号通过R14和C1构成低通滤波器，然后送给智能控制专用芯片U1，ZV1并联在C1的两端，当信号超过范围时，稳压生效，保护U1。
C、在Q2支路中，VDD_110V先经过电阻R2，然后经过Q2的DS，到采样电阻R3，到输出端RTN，给负载RL的其中一端，RL的另外一端接到GND_110V。当Q1的G极有信号时，Q2导通，与负载RL构成回路，通过R3的分压可获得该回路的电压。R3上的电压通过2种方式到智能控制专用芯片U1，第1种，直接输出到U1，R3上的信号通过R15和C2构成低通滤波器，送到U1，ZV2并联在C2的两端，当信号超过范围时，稳压生效，保护U1。第2种，通过U3放大后给U1。分压电阻R3两端通过R11和R12接到运放U3的输入端，C5和R13构成放大反馈回路。U3的1脚输出的信号为放大后的R3中的电压，等效回路电压，该信号通过R16和C3构成低通滤波器，然后送给智能控制专用芯片U1，ZV3并联在C3的两端，当信号超过范围时，稳压生效，保护U1。
D、智能控制专用芯片U1实现逻辑控制，DO_CMD时输出智能输出电路的控制命令，DO_FAULT为智能输出电路的故障反馈信号。U3通过DO_CTRL连接到R4，给Q1的G极提供驱动信号，R5为Q1的G极下拉电阻，防止干扰信号触发Q1导通。U3通过SENSE连接到R6，给Q2的G极提供驱动信号，R7为Q2的G极下拉电阻，防止干扰信号触发Q2导通。
E、Q1是输出开关管，采用N沟道的MOSFET，基本参数250V，25A。
F、Q2是检测开关管，采用N沟道的MOSFET，基本参数250V，310mA，小体积（SOT223）。
G、U2和U3是运算放大器，把采集的小电流信号进行放大，供智能控制模块U1进行采样。
H、U1是智能控制专用芯片，通过微型PIC16F系列单片机实现，该单片机的内部集成振荡器，外部电路简单；应用上与常用的54系列的常用的门电路门一样简单。芯片ADC通道3个（2个电压、1个电流），DO通道3个（2个MOSFET控制，1个健康反馈），1个DI（控制单元CPU发送从输出指令），采用PIC16F系列的单片机实现。
基于上述电子控制单元智能输出电路的控制方法，包括如下步骤：
步骤1、智能控制模块在输入信号DO_CMD无效时，通过DO_CTRL控制Q1关闭，输出端DO不具备功率输出能力。
步骤2、在Q1关闭期间，智能控制模块通过SENSE控制Q2导通，电源电压经过R2、R3和RL构成回路。智能控制模块通过采集R3上的电压，计算电源电压VDD。
A、如果电源电压VDD范围满足77V~137.5V的电压范围时，认为电源正常、输出回路正常，等待DO_CMD的命令有效；等待过程中循环检查电源电压VDD。
B、如果电源电压VDD不满足范围时，先关闭Q2，延时2秒后，回到步骤1，重新开始。
步骤3、当DO_CMD有效后，智能控制模块通过DO_CTRL控制Q1导通，输出功率电流经过开关管Q1、采样电阻R1、到负载电阻RL，形成回路。
步骤4、智能控制模块通过采集R1上的电压，计算输出回路的电流，当输出电流超过设定值时，关闭Q1，关闭输出，延时5秒后，回到步骤1，重新开始。
步骤5、当Q1导通后，R3上测量的电压为功率管Q1的电压。智能控制模块通过Q1的电压和电流可以计算Q1上的功耗。当Q1上的功耗超过它的发热限定值，关闭Q1，关闭输出，延时10秒后，回步骤1，重新开始。
电压、电流和功耗计算的具体方法如下：
1、电压计算
假设RL是负载电阻，范围为100欧~10K，
R2=100K，
R3=2.2K，
RQ2为Q2（MOSFET）的导通电阻，是欧姆级（数据手册：5.6~9.5），相比R2和R3千欧姆级，可以忽略
因此，K1 ≈ 
通过上述的比例计算，可知U1的ADC对应的电压系数：
Kmin=2.2/(100+2.2+10) =0.02151
Kmax=2.2/(100+2.2+0.1) =0.01961
综合K1的最大值和最小值，取Kave = 0.02056，这时最大误差为4.6%，对于保护电路误差指标10%的要求，满足使用。
根据推导公式：UADC=VD0-0= 
× K1，可知：
VDD110V = 
UADC的最大采样能力由智能控制模块（PIC16F）中确定，根据PIC16F的技术规范中确定为5V。因此最大可采样的VDD110V为243V，满足DC110最大电压等级137.5V的要求。
如果计算的VDD110V为0V，可能是VDD110V确实没有电压，也有可能是RL开路的情况，因此，通过检测VDD110V可以诊断电源和负载的健康状态。
2、电流计算
假设R1=27mΩ，R9=1K，R10=36K，那么K=0.999
根据推导公式：UADC=VC-0=I × K2，可知：
I = 
UADC的最大采样能力由智能控制模块（PIC16F）中确定；根据PIC16F的技术规范中确定为5V。因此最大可采样的I为5A，满足最大3A的需求。
如果检测到负载电流过大，大于设定的1.5A时，立刻关闭MOSFET（Q1）的输出，保护***。
3、功耗计算
RQ2为Q2（MOSFET）的导通电阻，是欧姆级（数据手册：5.6~9.5），相比R2和R3千欧姆级，可以忽略，VDD右≈ 
×（R2 + R3）
左边回路的电压估算：
VDD左 = I左×（RQ1 + R1）
其中：RQ1随着温度的变化呈现出不同的值，根据技术规格书可知范围在20mΩ~160mΩ范围内；R1=27mΩ。
在极端情况下，I左=5A，RQ1=160mΩ时，极端的VDD左 =935mV=0.935V，如此小信号，如果直接采集R3上的电压太小，ADC不能有效的分辨。与电流采样的电路相似，采用放大后采样。
UADC= VD1-0= UR3×
≈ VDD右×
×
将UR3代入VDD右计算公式后得到右边回路的电压，结合下式可计算第一开关管（Q1）的导通电压，即：
UQ1 = VDD左– UR1
= VDD右– IR1×R1
则第一开关管（Q1）的功耗为：
PQ1 = UQ1× IQ1
= UQ1× IR1
通过计算开关MOSFET的功耗PQ1，可以有效的分析Q1健康状态。当瞬时功耗超过3W，或平均功耗超过1W时，立刻关闭MOSFET（Q1）的输出，保护***。
本实施例，在主开关管Q1导通前
通过导通Q2，采集R3上的电压，计算电源状态和负载状态，电源状态和负载状态都正常时，等待DO_CMD信号，有效后导通Q1。
为了减少检测回路的功耗，降低输出回路的发热。采用周期性检测的方式，只有在检测时才开通Q2。
在主开关管Q1导通后
同时也导通Q2，通过采集和计算负载电流，开关管Q1的功耗，实现下列功能：
A、输出过流保护：对负载的过流，短路状态及时保护
B、输出过功率保护：当瞬时功率超限时及时保护；在平均功率没有超限时，可以承受短时过载能力，允许短时输出较大的电流。
C、Q1的健康状态的计算
随着产品生命周期的后期，MOSFET的特性会退化，典型现象为相同电流下的导通压降高，功耗大，发热大，易损坏。可以通过该智能电路实时计算MOSFET的参数，对健康状态进行预估和报警。
综上所述，本发明在主开关管Q1导通前，通过导通Q2，采集R3上的电压，计算电源状态和负载状态。电源状态和负载状态都正常时，等待DO_CMD信号，有效后导通Q1。在主开关管Q1导通后，同时也导通Q2，通过采集和计算负载电流，确定开关管Q1的功耗，实现下列功能：
1、输出过流保护：对负载的过流，短路状态及时保护
2、输出过功率保护：当瞬时功率超限时及时保护；在平均功率没有超限时，可以承受短时过载能力，允许短时输出较大的电流。
3、Q1的健康状态的计算
随着产品生命周期的后期，MOSFET的特性会退化，典型现象为相同电流下的导通压降高，功耗大，发热大，易损坏。可以通过该智能电路实时计算MOSFET的参数，对健康状态进行预估和报警。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.电子控制单元智能输出电路，其特征在于，包括第一开关管（Q1），第二开关管（Q2）、第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第三电阻（R3）、第四电阻（R4）、第五电阻（R5）、第六电阻（R6）、第七电阻（R7）、第八电阻（R8）、第九电阻（R9）、第十电阻（R10）、第十一电阻（R11）、第十二电阻（R12）、第十三电阻（R13）、第十四电阻（R14）、第十五电阻（R15）、第十六电阻（R16）、第一电容（C1）、第二电容（C2）、第三电容（C3）、第四电容（C4）、第五电容（C5）、第一运算放大器（U2）、第二运算放大器（U3）和智能控制芯片（U1）；
第一开关管（Q1）、第一电阻（R1）、第八电阻（R8）、第九电阻（R9）、第十电阻（R10）、第四电容（C4）和第一运算放大器（U2）组成电压采集模块，电压采集模块中，第一开关管（Q1）的D极连接电源；第一开关管（Q1）的G极经第四电阻（R4）连接智能控制芯片（U1）的RC1端，经第五电阻（R5）连接RTN；第一开关管（Q1）的S极经第八电阻（R8）连接第一运算放大器（U2）的同向输入端，经第九电阻（R9）连接第一运算放大器（U2）的反向输入端；第一运算放大器（U2）的输出端和反正输入端之间连接第四电容（C4）和第十电阻（R10）的并联电路；第一运算放大器（U2）的输出端经第十四电阻（R14）连接智能控制芯片（U1）的RA2/AN2端，经第十四电阻（R14）和第一电容（C1）的串联电路连接RTN；第一电容（C1）的两端并联第一稳压管（ZV1），第一稳压管（ZV1）的正极接RTN，负极接第十四电阻（R14）和第一电容（C1）的连接点；
第二开关管（Q2）、第二电阻（R2）、第三电阻（R3）、第十一电阻（R11）、第十二电阻（R12）、第十三电阻（R13）、第五电容（C5）和第二运算放大器（U3）组成电流采集模块，电流采集模块中，第二开关管（Q2）的D极经第二电阻（R2）连接电源；第二开关管（Q2）的G极经第六电阻（R6）连接智能控制芯片（U1）的RC0端，经第七电阻（R7）连接RTN；第二开关管（Q2）的S极经第十五电阻（R15）连接智能控制芯片（U1）的RA1/AN1端，经第十五电阻（R15）和第二电容（C2）的串联电路接RTN；第二电容（C2）的两端并联第二稳压管（ZV2），第二稳压管（ZV2）的正极接RTN，负极接第十五电阻（R15）和第二电容（C2）的连接点；第二开关管（Q2）的S极还经第十一电阻（R11）连接第二运算放大器（U3）的同向输入端，经第三电阻（R3）连接RTN，经第三电阻（R3）和第十二电阻（R12）的串联电路连接第二运算放大器（U3）的反向输入端；第二运算放大器（U3）的输出端和反正输入端之间连接第五电容（C5）和第十三电阻（R13）的并联电路；第二运算放大器（U3）的输出端经第十六电阻（R16）连接智能控制芯片（U1）的RA0/AN0端，经第十六电阻（R16）和第三电容（C3）的串联电路连接RTN，所述第十六电阻（R16）和第三电容（C3）构成低通滤波器；第三电容（C3）的两端并联第三稳压管（ZV3），第三稳压管（ZV3）的正极接RTN，负极接第十六电阻（R16）和第三电容（C3）的连接点；
电子控制单元智能输出电路的控制方法，包括如下步骤：
步骤1，检测智能控制芯片（U1）RC1端的输入信号DO_CMD，在输入信号DO_CMD无效时，智能控制芯片（U1）通过RC1端DO_CTRL信号控制第一开关管（Q1）关闭，输出端DO不具备功率输出能力；同时，通过RC0的SENSE信号控制第二开关管（Q2）导通；此时，电源电压经过第二电阻（R2）、第三电阻（R3）和负载电阻（RL）构成回路，电压采集模块工作，采集第三电阻（R3）上的电压，通过2种方式到智能控制芯片（U1），第1种，通过第十五电阻（R15）和第二电容（C2）构成的低通滤波器，直接输出到智能控制芯片（U1），第二电容（C2）的两端并联第二稳压管（ZV2），当第三电阻（R3）采样电压超过范围时，稳压生效，可以保护智能控制芯片（U1）；第2种，通过第十一电阻（R11）、第十二电阻（R12）接到第二运算放大器（U3）的输入端，第二运算放大器（U3）输出放大后的第三电阻（R3）采样电压，通过第十六电阻（R16）和第三电容（C3）构成低通滤波器，送给智能控制芯片（U1），第三稳压管（ZV3）并联在第三电容（C3）的两端，当第三电阻（R3）采样电压的放大信号超过范围时，稳压生效，保护智能控制芯片（U1）；
智能控制芯片（U1）根据直接采集的第三电阻（R3）上的电压计算电源电压，如果在电压正常工作阈值范围内，则判断电源正常、输出回路正常，等待输入信号DO_CMD有效，等待过程中循环检查电源电压；
步骤2，当DO_CMD有效后，智能控制芯片（U1）通过RC1端的DO_CTRL信号控制第一开关管（Q1）导通，输出端DO具备功率输出能力；此时，输出功率电流经过第一开关管（Q1）、第一电阻（R1）和负载电阻（RL）构成回路，电流采样模块工作，采集第一电阻（R1）上的电压，通过第八电阻（R8）、第九电阻（R9）接到第一运算放大器（U2）的输入端，第一运算放大器（U2）输出放大后的第一电阻（R1）中的电压，通过第十四电阻（R14）和第一电容（C1）构成低通滤波器送给智能控制芯片（U1），第一稳压管（ZV1）并联在第一电容（C1）的两端，当放大信号超过范围时，稳压生效，保护智能控制芯片（U1）；
智能控制芯片（U1）根据放大后的第一电阻（R1）中的电压计算输出回路的电流，即流过第一开关管（Q1）、第一电阻（R1）和负载电阻（RL）的电流，当输出电回路流超过设定值时，关闭第一开关管（Q1），关闭输出端DO，延时5秒后，回到步骤1，重新开始，否则转至步骤3；
步骤3，当第一开关管（Q1）导通后，第三电阻（R3）上的电压为第一开关管（Q1）的电压，智能控制芯片（U1）采集第三电阻（R3）上的电压，结合输出回路的电流，计算第一开关管（Q1）上的功耗，当第一开关管（Q1）上的功耗超过其发热限定值，关闭第一开关管（Q1），关闭输出端DO，延时5秒后，回到步骤1，重新开始，否则，继续检测DO_CMD有效状态，执行对应操作。
2.根据权利要求1所述的电子控制单元智能输出电路，其特征在于，所述第一运算放大器（U2）、第二运算放大器（U3）采用N沟道的MOSFET。
3.根据权利要求1所述的电子控制单元智能输出电路，其特征在于，所述智能控制芯片（U1）采用微型PIC16F系列单片机。
4.基于权利要求1-3任一项所述的电子控制单元智能输出电路的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，检测智能控制芯片（U1）RC1端的输入信号DO_CMD，在输入信号DO_CMD无效时，智能控制芯片（U1）通过RC1端DO_CTRL信号控制第一开关管（Q1）关闭，输出端DO不具备功率输出能力；同时，通过RC0的SENSE信号控制第二开关管（Q2）导通；此时，电源电压经过第二电阻（R2）、第三电阻（R3）和负载电阻（RL）构成回路，电压采集模块工作，采集第三电阻（R3）上的电压，通过2种方式到智能控制芯片（U1），第1种，通过第十五电阻（R15）和第二电容（C2）构成的低通滤波器，直接输出到智能控制芯片（U1），第二电容（C2）的两端并联第二稳压管（ZV2），当第三电阻（R3）采样电压超过范围时，稳压生效，可以保护智能控制芯片（U1）；第2种，通过第十一电阻（R11）、第十二电阻（R12）接到第二运算放大器（U3）的输入端，第二运算放大器（U3）输出放大后的第三电阻（R3）采样电压，通过第十六电阻（R16）和第三电容（C3）构成低通滤波器，送给智能控制芯片（U1），第三稳压管（ZV3）并联在第三电容（C3）的两端，当第三电阻（R3）采样电压的放大信号超过范围时，稳压生效，保护智能控制芯片（U1）；
智能控制芯片（U1）根据直接采集的第三电阻（R3）上的电压计算电源电压，如果在电压正常工作阈值范围内，则判断电源正常、输出回路正常，等待输入信号DO_CMD有效，等待过程中循环检查电源电压；
步骤2，当DO_CMD有效后，智能控制芯片（U1）通过RC1端的DO_CTRL信号控制第一开关管（Q1）导通，输出端DO具备功率输出能力；此时，输出功率电流经过第一开关管（Q1）、第一电阻（R1）和负载电阻（RL）构成回路，电流采样模块工作，采集第一电阻（R1）上的电压，通过第八电阻（R8）、第九电阻（R9）接到第一运算放大器（U2）的输入端，第一运算放大器（U2）输出放大后的第一电阻（R1）中的电压，通过第十四电阻（R14）和第一电容（C1）构成低通滤波器送给智能控制芯片（U1），第一稳压管（ZV1）并联在第一电容（C1）的两端，当放大信号超过范围时，稳压生效，保护智能控制芯片（U1）；
智能控制芯片（U1）根据放大后的第一电阻（R1）中的电压计算输出回路的电流，即流过第一开关管（Q1）、第一电阻（R1）和负载电阻（RL）的电流，当输出电回路流超过设定值时，关闭第一开关管（Q1），关闭输出端DO，延时5秒后，回到步骤1，重新开始，否则转至步骤3；
步骤3，当第一开关管（Q1）导通后，第三电阻（R3）上的电压为第一开关管（Q1）的电压，智能控制芯片（U1）采集第三电阻（R3）上的电压，结合输出回路的电流，计算第一开关管（Q1）上的功耗，当第一开关管（Q1）上的功耗超过其发热限定值，关闭第一开关管（Q1），关闭输出端DO，延时5秒后，回到步骤1，重新开始，否则，继续检测DO_CMD有效状态，执行对应操作。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，步骤1中，根据直接采集的第三电阻上的电压VD0-0，结合分压原理，计算输出电源电压VDD，具体关系为：
VD0-0=VDD×
=VDD× K1
其中：K1=
其中，RQ2为第二开关管的阻值，R2第二电阻的阻值、R3为第三电阻的阻值，RL为负载电阻的阻值
变换上式，即得到VDD的计算公式：
VDD= VD0-0÷K1。
6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，步骤2中，根据放大后的第一电阻中的电压，即第一运算放大器的输出VC-0，结合分压原理，计算输出回路的电流I，具体关系为：
VC-0=
= 
R1 
= 
= K2 × I
其中，
为第一电阻上的电压，I为输出回路电流，K2 = 
，R1为第一电阻的阻值，R9为第九电阻的阻值，R10为第十电阻的阻值；
变换上式，即得到输出回路电流I的计算公式：
I = VC-0÷K2。
7.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，步骤3中，第一开关管（Q1）、第二开关管（Q2）都闭合，存在如下关系：
左边Q1回路的电压 = 右边Q2回路的电压
其中：
左边Q1回路的电压 = Q1的导通电压 +R1的电压
右边Q2回路的电压 = R2的电压+ Q2的导通电压 +R3的电压
因此，通过采集右边Q2回路的电压VDD右，即得到左边Q1回路的电压VDD左，进而，计算出第一开关管的导通电压UQ1；
右边Q2回路的电压采集原理与电压采样模块中的计算原理类似：
VDD右 = I右×（R2 + RQ2 + R3）
= 
×（R2 + RQ2 + R3）
其中，RQ2为第二开关管（Q2）的阻值，UR3为第三电阻（R3）的电压；
由于在极端情况下，UR3较小，不便于ADC进行有效的分辨，因此与电流采样的电路相似，采用放大后的第三电阻（R3）上的电压，即第二运算放大器（U3）的输出VD1-0进行计算：
VD1-0= UR3×
将UR3代入VDD右计算公式后得到右边Q2回路的电压，进而，结合下式计算第一开关管（Q1）的导通电压，即：
UQ1 = VDD左– UR1
= VDD右–IR1×R1
其中，IR1为经过第一电阻R1的电流，与步骤2计算的输出回路电流相等；
则第一开关管（Q1）的功耗PQ1为：
PQ1 = UQ1× IQ1
= UQ1× IR1；
其中，IQ1为经过第一开关管的电流，与步骤2计算的输出回路电流相等。
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Denomination of invention: A kind of electronic control unit intelligent output circuit and control method thereof Effective date of registration: 20220809 Granted publication date: 20210309 Pledgee: Zheshang Bank Co.,Ltd. Nanjing Branch Pledgor: NANJING HUASHI ELECTRONIC SCIENTIFIC Co.,Ltd. Registration number: Y2022320000447 |
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Date of cancellation: 20230920 Granted publication date: 20210309 Pledgee: Zheshang Bank Co.,Ltd. Nanjing Branch Pledgor: NANJING HUASHI ELECTRONIC SCIENTIFIC Co.,Ltd. Registration number: Y2022320000447 |
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Denomination of invention: An intelligent output circuit of electronic control unit and its control method Effective date of registration: 20230921 Granted publication date: 20210309 Pledgee: Zheshang Bank Co.,Ltd. Nanjing Branch Pledgor: NANJING HUASHI ELECTRONIC SCIENTIFIC Co.,Ltd. Registration number: Y2023980058154 |
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