CN204807641U - 电子负载检测电路及具有电子负载检测功能的控制*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电子负载检测电路及具有电子负载检测功能的控制***。所述电子负载检测电路用于包括微控制器和执行芯片的所述控制***。微控制器、执行芯片与电子负载依次电性连接。电子负载检测电路连接于执行芯片与电子负载之间。电子负载检测电路包括电流源回路和监控回路。电流源回路连接于执行芯片和电子负载之间。监控回路一端连接至执行芯片的输出端，另一端连接至微控制器的模数转换端。微控制器通过电流源回路和监控电路输出的电压信号判断电子负载的大小并区别电子负载短接到电源和开路的状态。

Description

电子负载检测电路及具有电子负载检测功能的控制***

技术领域

本实用新型涉及车载控制技术，具体而言，涉及一种电子负载检测电路及具有电子负载检测功能的控制***。

背景技术

微控制器(MCU，MicroControlUnit)作为车载控制***内部运算和处理的核心，也遍布电机、车灯、悬挂、气囊、门控和音响等几十种次***(Sub-System)中。由于汽车作为高速交通工具承载了对用户生命安全的保障，同时汽车经常工作在十分恶劣的环境中，其对内部电子设备的可靠性要求要远高于一般性电子产品。因此汽车电子所用的MCU与一般性产品的结构差异虽然并不很大，而一般的MCU产品由于可靠性不能符合厂商的要求而并不能被选用，这也是汽车电子产品同一般性电子产品市场的区别之一。

如图1所示，现有技术的车载控制***包括MCU、执行芯片IC、上拉电阻R1，以及在C点通过插接件连接至车载控制***的电子负载L1。其中，执行芯片IC的输入端IN连接至MCU的输出端，执行芯片IC的输出端OUT连接至接地的电子负载L1，执行芯片IC的状态端ST连接至MCU的输入端。上拉电阻R1一端连接至上拉电压VB，另一端连接于执行芯片IC的输出端OUT与电子负载L1之间。

对于电子负载L1，假如设计上，电子负载L1的最大阻值应该不超过30Ω，但是由于人为的错误，安装了一个20Ω或更小阻值的电子负载L1。这种情况下，流过电子负载L1的电流就会比原本的设计值大。由于MCU并不知道这个情况，将会导致大电流持续的流经电子负载L1至使执行芯片IC和电子负载L1损坏。

如果发生异常情况，使得电子负载L1的接插件短接到地，短接到电源或者开路(OPEN)的情况下，执行芯片IC内部的监控电路可以区分电子负载L1短接到地的错误和短接到电源或开路错误，但是执行芯片IC无法区分短接到电子负载L1是短接到电源还是开路的状态，不利于MCU判断外部究竟是何种错误，也无法发出正确的逻辑指令。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种电子负载检测电路及具有电子负载检测功能的控制***，可以克服现有技术中的缺陷，可以检测电子负载的情况并能及时关断电路，电路通过价格便宜的元器件实现，可以降低电路成本的同时，还可以满足各种检测目的，还可以很好的抑制温度所产生的静态工作点的漂移。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种电子负载检测电路。所述电子负载检测电路用于包括微控制器和执行芯片的控制***。所述微控制器、执行芯片与一电子负载依次电性连接。所述电子负载检测电路连接于执行芯片与电子负载之间。所述电子负载检测电路包括电流源回路和监控回路。所述电流源回路连接于执行芯片和电子负载之间。监控回路一端连接至执行芯片的输出端，另一端连接至微控制器的模数转换端。微控制器接收监控电路输出的电压信号，并发送指令至执行芯片，执行芯片根据微控制器的指令对电子负载进行开关控制。

作为一种可选的实现方案，所述执行芯片的输入端口及状态信号端口分别与微控制器的输入输出端口连接，执行芯片的输出端与电子负载的一端连接，电子负载另一端接地。

作为一种可选的实现方案，所述电流源回路包括一镜像电流源回路。

作为一种可选的实现方案，所述电流源回路包括第一三极管、第二三极管、第三三极管、第一电阻及第四电阻，其中，第一三极管、第二三极管、第三三极管性能相同。

作为一种可选的实现方案，所述第一三极管、第二三极管、第三三极管均为PNP管。

作为一种可选的实现方案，所述第一三极管的发射极与第二三极管的发射极相连接后再接至上拉电压，第一三极管的基极与第二三极管的基极相连接，第二三极管的集电极与第三三极管的发射极连接，第一三极管的基极与第二三极管的基极之间的第一节点连接至第二三极管的集电极与第三三极管的发射极之间的第二节点，第三三极管的基极与第一三极管的集电极连接之后进一步连接至第四电阻的一端，第四电阻的另一端接地；第三三极管的集电极连接至执行芯片的输出端。

作为一种可选的实现方案，所述第一电阻一端连接至上拉电压，另一端连接于第三三极管的集电极与执行芯片的输出端之间；所述电子负载一端接地，另一端连接至第三三极管的集电极；其中，电子负载与第三三极管的集电极之间具有一第三节点。

作为一种可选的实现方案，所述监控回路包括第二电阻及第三电阻，所述第二电阻一端连接至执行芯片的输出端，第二电阻另一端与接地的第三电阻串联，所述第一电阻和第二电阻之间具且第四节点，该第四节点连接至微控制器的模数转换端。

作为一种可选的实现方案，所述监控回路进一步包括一电容，所述电容与第三电阻并联连接。

作为一种可选的实现方案，所述第四节点的电压随电子负载的电阻值变化而变化，微控制器根据第四节点的电压大小判断电子负载的工作状态。

作为一种可选的实现方案，所述电子负载的工作状态包括阻值较小、开路、短接到电源及短接到地。

作为一种可选的实现方案，微控制器包括比较电路和模数转换电路，所述微控制器根据第四节点的电压大小发送控制指令至所述执行芯片，所述执行芯片根据从微控制器接收到的指令对电子负载进行控制，其中，所述执行芯片包括物理开关或电子开关元件。

根据本实用新型的一个方面，还提供了一种控制***，其包括电性连接的微控制器和执行芯片，所述微控制器、执行芯片与一电子负载依次电性连接，所述控制***进一步包括上述的电子负载检测电路。

作为一种可选的实现方案，所述控制***为车载控制***。

作为一种可选的实现方案，所述电子负载通过设于第三节点的插接件连接至控制***。

本实用新型所述的电子负载检测电路及控制***利用追加的电流源回路和监控回路，可以检测电子负载的情况并能及时关断电路；也可以检测电子负载开路、短接到地或短接到电源的故障。此外，还可以检测到电子负载的当前大小是多少，且可以通知微控制器让其关断电子负载，保障电路安全。进一步地，由于电路中采用半导体分立器件，价格比较便宜，且可以不再需要使用带有监控回路的芯片，可以降低电路成本的同时，还可以满足各种检测目的。由于电流源回路采用了共基极电路，可以很好的抑制温度所产生的静态工作点的漂移。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本发肯的不当限定。在附图中：

图1是现有技术中的控制***的电路图；及

图2是本实用新型较佳实施例的具有电子负载检测功能的控制***的电路图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图2，本实用新型所述的控制***包括MCU1、执行芯片2、包括电流源回路3和监控回路4的电子负载检测电路，该控制***与电子负载L1电性连接以对电子负载L1进行控制。其中，执行芯片2的输入端口IN及状态信号端口ST分别与MCU1的输入输出端口I/O连接，执行芯片2的输出端OUT与电子负载L1的一端连接，电子负载L1另一端接地。

MCU1用于控制***内部运算和处理控制逻辑，并发送控制指令至执行芯片2。本实施例中，MCU1包括比较电路、模数转换电路等。执行芯片2包括例如物理开关或电子开关等开关元件，执行芯片2根据从MCU1接收到的指令对电子负载L1进行控制。电流源回路3和监控电路4连接至MCU1与电子负载L1之间，用于监测电子负载L1的负载大小，且可以在异常情况下通知MCU1关断电子负载L1，还可以通过电流源回路3和监控电路4输出的电压信号使MCU1区别电子负载L1短接和开路的区别。

电流源回路3连接于执行芯片2和电子负载L1之间，本实施例中，电流源回路3包括一镜像电流源回路，例如共基电路。监控回路4连接至执行芯片2与电流源回路3之间，该监控回路4在本实施例中为一分压电路。

具体地，电流源回路3包括第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第一电阻R1及第四电阻R4。其中，在本实施例的电路中，三极管Q1、Q2、Q3均为PNP三极管，且三者性能相同。第一三极管Q1的发射极与第二三极管Q2的发射极相连接后再接至上拉电压VB，第一三极管Q1的基极与第二三极管Q2的基极相连接，第二三极管Q2的集电极与第三三极管Q3的发射极连接。第一三极管Q1的基极与第二三极管Q2的基极之间的节点H连接至第二三极管Q2的集电极与第三三极管Q3的发射极之间的节点A。第三三极管Q3的基极与第一三极管Q1的集电极连接之后进一步连接至第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端接地。在本电路中，第四电阻R4提供基准电流，因此，第三三极管Q3的集电极电流I_C3近似于通过第四电阻R4的电流I_R。在图2中，第三三极管Q3的基极与第一三极管Q1的集电极的连接节点标示为B。第三三极管Q3的集电极连接至执行芯片2的输出端OUT。第一电阻R1一端连接至上拉电压VB，另一端连接于第三三极管Q3的集电极与执行芯片2的输出端OUT之间的连接节点F。电子负载L1一端接地，另一端连接至第三三极管Q3的集电极。本实施例中，电子负载L1通过插接件在节点C连接至控制***。在图2中，电子负载L1与第三三极管Q3之间的连接节点标示为E。

监控回路4一端连接至执行芯片2的输出端OUT，另一端连接至MCU1的模数转换端A/D。具体地，监控回路4包括第二电阻R2、第三电阻R3。第二电阻R2一端连接至执行芯片2的输出端OUT，第二电阻R2另一端与接地的第三电阻R3串联。本实施例中，第二电阻R2与执行芯片2的输出端OUT之间的连接节点在图2中标示为G，节点G位于节点F和执行芯片2的输出端OUT之间。本实施例中，监控回路4进一步包括电容C1，电容C1与第三电阻R3并联连接，以改善电路性能，例如控制电流上升沿、下降沿斜率。监控回路4与MCU1的模数转换端A/D的连接节点在图2中标示为D。

上述电路中，第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3需要性能一样。只要保证三个三极管的性能一样，那么它们的放大倍数相同，即B1＝B2＝B3＝β，其中，B1、B2、B3分别是第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3的放大倍数。

对于第一三级管Q1、第二三极管Q2而言，由于二者基极连接在一起，所以第一三级管Q1、第二三极管Q2的基极电流I_B1、I_B2相等。

I_B1＝I_B2………………………………………………(1)

又由于第一三级管Q1、第二三极管Q2的放大倍数都是β，所以

I_C1＝β×I_B1＝β×I_B2＝I_C2＝I_C………………………………(2)

其中，I_C1表示第一三极管的集电极电流，I_C2表示第二三极管的集电极电流。

对于第二三极管Q2的集电极与第三三极管Q3的发射极之间的节点A来讲，根据基尔霍夫定律，第三三极管Q3的发射极电流I_E3可以用等式(3)表示：

$I_{E3}=I_C+2I_B=I_C+\frac{2I_C}{\mathrm{\β}}...\left(3\right)$

由公式(3)可以得出，

$I_C=\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\β}+2}\·I_{E3}=\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\β}+2}\·\frac{1+\mathrm{\β}}{\mathrm{\β}}\·I_{C3}=\frac{\mathrm{\β}+1}{\mathrm{\β}+2}{I}_{C3}...\left(4\right)$

其中，I_C3表示第三三极管Q3的集电极电流。

对于第三三极管Q3的基极与第一三极管Q1的集电极的连接节点B，根据基尔霍夫定律和公式(4)，流经第四电阻R4的电流I_R可以用等式(5)表示：

$I_R=I_{B3}+I_C=\frac{I_{C3}}{\mathrm{\β}}+\frac{\mathrm{\β}+1}{\mathrm{\β}+2}\·I_{C3}=\frac{\mathrm{\β}2+2\mathrm{\β}+2}{\mathrm{\β}2+2\mathrm{\β}}\·I_{C3}...\left(5\right)$

其中，I_B3表示第三三极管的基极电流。

由公式5可以得知，

$I_{C3}=(1-\frac{2}{\mathrm{\β}2+2\mathrm{\β}+2})I_R\≈I_R=\frac{VB-V_{EB1}-V_{EB3}}{R4}...\left(6\right)$

其中，VB表示电流源回路的上拉电压，V_EB1表示第一三极管Q1的发射极到基极之间的电压，V_EB3表示第三三极管Q3的发射极到基极之间的电压，I_R表示通过第四电阻R4的电流。

对于电子负载L1的连接节点C，C点电压V_C可以用等式(7)表示：

V_C＝I_C3×R_L1………………………………………………………(7)

对于监控回路4与MCU1的模数转换端A/D的连接节点D，根据电路和公式(7)，D点电压V_D可能用等式(8)表示：

$V_D=V_C\×\frac{R3}{R2+R3}=(I_{C3}\×R_{L1})\×\frac{R3}{R2+R3}...\left(8\right)$

根据公式(6)可以得知，I_C3是一个常数，当然R3，R2也是常数。根据公式(8)，假如R_L1变化的话，V_D也会跟着变。又由于监控回路4的分压作用，所以MCU1知道现在的负载参数并且可以知道正确的回路处理。

工作过程中，当进行开路(OPEN)检测时，即电子负载L1为开路(OPEN)时，D点电压为：

$V_D=\frac{R_3(V_B+I_{C3}{R}_1)}{R_1+R_2+R_3}...\left(9\right)$

当执行芯片2的输入端IN为低电压的时候，正常情况下，执行芯片2的状态端ST或MCU1的模数转换端A/D也为低电压(L)，但是由于电子负载L1开路，进入执行芯片2的状态端ST或MCU1的模数转换端A/D的电压为高，MCU1可以据此判定此时外部的电子负载L1处于开路或短接到电源。再根据公式(9)，MCU1可以清晰的判断现在电子负载L1的状态是开路。

当电子负载L1短接到电源的时候，D点电压：

$V_D=\frac{R3}{R2+R3}\×VB...\left(10\right)$

当执行芯片2的输入端IN为低电压的时候，正常情况下，执行芯片2的状态端ST或MCU1的模数转换端A/D也为低电压，但是由于电子负载L1短接到电源，进入执行芯片2的状态端ST或MCU1的模数转换端A/D的电压为高，据此，MCU1可以判定外部的电子负载L1处于开路或短接到电源。再根据公式(10)，MCU1可以清晰的判断现在电子负载L1的状态是短接到电源。

当电子负载L1短接到地的时候，D点电压为：

V_D＝0……………………………………………………………(11)

当执行芯片2的输入端IN为高电压的时候，正常情况下，执行芯片2的状态端ST或MCU1模数转换端A/D也为高电压，但是由于电子负载L1短接到地，进入执行芯片2的状态端ST或MCU1的模数转换端A/D的电压为低，据此，MCU1可以判定现在外部的电子负载L1处于短接到地的状态。再根据公式(11)，MCU1可以清晰地判断此时电子负载L1的状态是短接到地。

进一步地，本实施方式中所述的电流源回路3还可以抑制由于温度变化而产生的静态工作点漂移。第一三极管Q1与第二三极管Q2形成一威尔逊电流源，该电流源中第一三极管Q1与第二三极管Q2构成电流镜，起到温漂抑制作用。同时，由于第二三极管Q2的集电极和发射极(C-E)极间等效电阻很大，将其串联至第三三极管Q3的发射极起到典型工作点稳定电路中射极电阻(Re)的作用，使得第三三极管Q3的集电极电流I_C3高度稳定。

当温度升高时，第二三极管Q2的集电极电流I_C2变大，则相应地，第一三极管Q1的集电极电流I_C1变大，上拉电压VB变大，第二三极管Q2的集电极与第三三极管Q3的发射极之间的节点A处电压变大，随之第二三极管Q2的发射极与基极之间的电压V_EB2变小，从而使第二三极管Q2的集电极电流I_C2变小。由此可见，当I_C2想变大，但是由于电路的反馈作用，会自动降低I_C2的值。当温度降低时，变化过程相反，效果一致。

本实用新型中，控制***例如是车载控制***，可用于汽车、火车等交通工具中。电子负载L1例如是灯、电机等车用负载部件。

可以理解，本实用新型所述的控制***也可以用于具有电子负载的其他控制领域。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型所述的控制***利用追加的电流源回路3和监控回路4，可以检测电子负载L1的情况并能及时关断电路；也可以检测电子负载L1开路、短接到地或短接到电源的故障。此外，还可以检测到电子负载L1的当前大小是多少，且可以通知MCU1让其关断电子负载L1，保障电路安全。

进一步地，由于电路中采用半导体分立器件，价格比较便宜，且可以不再需要使用带有监控回路的芯片，可以降低电路成本的同时，还可以满足各种检测目的。

由于电流源回路3采用了共基极电路，可以很好的抑制温度所产生的静态工作点的漂移。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种电子负载检测电路，用于包括微控制器和执行芯片的控制***，所述微控制器、执行芯片与一电子负载依次电性连接，所述电子负载检测电路连接于执行芯片与电子负载之间，所述电子负载检测电路包括电流源回路和监控回路，所述电流源回路连接于执行芯片和电子负载之间，监控回路一端连接至执行芯片的输出端，另一端连接至微控制器的模数转换端，微控制器接收监控电路输出的电压信号，并发送指令至执行芯片，执行芯片根据微控制器的指令对电子负载进行开关控制。

2.根据权利要求1所述的电子负载检测电路，其特征在于，所述执行芯片的输入端口及状态信号端口分别与微控制器的输入输出端口连接，执行芯片的输出端与电子负载的一端连接，电子负载另一端接地。

3.根据权利要求2所述的电子负载检测电路，其特征在于，所述电流源回路包括一镜像电流源回路。

4.根据权利要求3所述的电子负载检测电路，其特征在于，所述电流源回路包括第一三极管、第二三极管、第三三极管、第一电阻及第四电阻，其中，第一三极管、第二三极管、第三三极管性能相同。

5.根据权利要求4所述的电子负载检测电路，其特征在于，所述第一三极管、第二三极管、第三三极管均为PNP管。

6.根据权利要求4所述的电子负载检测电路，其特征在于，所述第一三极管的发射极与第二三极管的发射极相连接后再接至上拉电压，第一三极管的基极与第二三极管的基极相连接，第二三极管的集电极与第三三极管的发射极连接，第一三极管的基极与第二三极管的基极之间的第一节点连接至第二三极管的集电极与第三三极管的发射极之间的第二节点，第三三极管的基极与第一三极管的集电极连接之后进一步连接至第四电阻的一端，第四电阻的另一端接地；第三三极管的集电极连接至执行芯片的输出端。

7.根据权利要求6所述的电子负载检测电路，其特征在于，所述第一电阻一端连接至上拉电压，另一端连接于第三三极管的集电极与执行芯片的输出端之间；所述电子负载一端接地，另一端连接至第三三极管的集电极；其中，电子负载与第三三极管的集电极之间具有一第三节点。

8.根据权利要求4所述的电子负载检测电路，其特征在于，所述监控回路包括第二电阻及第三电阻，所述第二电阻一端连接至执行芯片的输出端，第二电阻另一端与接地的第三电阻串联，所述第一电阻和第二电阻之间具且第四节点，该第四节点连接至微控制器的模数转换端。

9.根据权利要求8所述的电子负载检测电路，其特征在于，所述监控回路进一步包括一电容，所述电容与第三电阻并联连接。

10.根据权利要求8所述的电子负载检测电路，其特征在于，所述第四节点的电压随电子负载的电阻值变化而变化，微控制器根据第四节点的电压大小判断电子负载的工作状态。

11.根据权利要求10所述的电子负载检测电路，其特征在于，所述电子负载的工作状态包括阻值较小、开路、短接到电源及短接到地。

12.根据权利要求8所述的电子负载检测电路，其特征在于，所述微控制器包括比较电路和模数转换电路，所述微控制器根据第四节点的电压大小发送控制指令至所述执行芯片，所述执行芯片根据从微控制器接收到的指令对电子负载进行控制，其中，所述执行芯片包括物理开关或电子开关元件。

13.一种控制***，其包括电性连接的微控制器和执行芯片，所述微控制器、执行芯片与一电子负载依次电性连接，其特征在于，所述控制***进一步包括权利要求1-12任一项所述的电子负载检测电路。

14.根据权利要求13所述的控制***，其特征在于，所述控制***为车载控制***。

15.根据权利要求13所述的控制***，其特征在于，所述电子负载通过设于第三节点的插接件连接至控制***。