专利名称：电动工具的负载保护电路及方法
技术领域：
本发明涉及控制电路技术领域，具体涉及一种电动工具的负载保护电路及方法。
背景技术：
传统的用于电动工具的负载保护电路往往采用电流检测手段来检测负载是否短路，当电流达到或者超过设定值时触发保护，关闭负载控制器件，此方案有如下几点缺陷
I、无法用于带调速功能的电动工具的短路检测，比如马达，输入PWM信号时，当PWM信号为高电平时，触发保护，但PWM信号低电平时，又会解除保护，而负载驱动器件不能完全关闭；
2、在低温下短路保护功能容易失效，导致带调速功能的电动工具可靠性降低，假设负载是马达，由于马达特性，马达启动和堵转时电流非常大，为了避免在堵转、启动时触发短路保护，往往会把短路保护阀值设置很大，这样如果环境温度降低，回路电阻增加，短路电流降低，则最终导致短路保护功能失效；
3、在整机堵转、启动时，短路保护容易误动作，导致带调速功能的电动工具的性能、手感下降，和第二条相反，为了使短路保护功能可靠，保护电流阀值设置较小，如果环境温度升高，回路电阻降低，则启动、堵转电流变大，最终导致堵转、启动时触发短路保护，整机性能下降，通用性差，灵活性低，许多工具会配数款马达，数款电池，如果数款马达、电池内阻差异较大，则导致此类电路参数配置困难，甚至无法通用、兼容。上述问题是电流检测型短路保护电路的通病，主要是由于锂电池内阻会随着温度的变化而改变，使电路电流随着工作环境温度变化而改变，如果系统在正常工作环境温度内，高温环境下的堵转电流和低温环境下的短路电流相等或者超过，则此问题无法通过调节电路参数解决。
发明内容
为了解决现有技术中采用传统的电流检测来判断负载是否短路的方案，引起的无法用于带调速功能的电动工具的短路检测，在高、低温下短路保护功能不可靠，不能兼容多款马达、电池包的问题。本发明采用电压检测来判断负载是否短路，在电动工具在配多款马达、电池包的情况下，在正常工作环境温度变换时均能可靠保护工具。为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是
一种电动工具的负载保护电路，包括供电电源、负载和和负载控制器件，所述供电电源的正极与负载的正向电源输入端相连接，所述供电电源的负极通过负载控制器件与负载反向电源输入端相连接，其特征在于还包括负载电压检测电路，所述负载电压检测电路的输入端与负载两端相连接，所述负载电压检测电路的输出端与负载控制器件的控制输入端相连接。前述的电动工具的负载保护电路，其特征在于所述负载控制器件为半导体控制器件。前述的电动工具的负载保护电路，其特征在于所述负载控制器件为MOS管。前述的电动工具的负载保护电路，其特征在于，所述负载电压检测电路，包括
用于连接PWM波的PWM输入接口、
发射极与所述负载的正向电源输入端相连接的第一三极管、
负极与所述负载的反向电源输入端相连接的第一二极管、
基极与所述第一三极管的集电极相连接的第三三极管、
与所述第三三极管的集电极相连接的高电平、
基极与所述第三三极管的集电极相连接的第五三极管、
正极与所述负载的反向电源输入端相连接的第二二极管、
集电极与所述第五三极管的基极相连接的第二三极管、
负极与所述第五三极管的集电极相连接的第三二极管，
所述PWM输入接口通过第十一电阻与负载控制器件的控制输入端相连接，所述第一二极管的正极与第一三极管的发射极相连接，所述第二二极管的负极与负载控制器件的控制输入端相连接，所述第二三极管的发射极与高电平相连接，所述第三二极管的正极作为负载电压检测电路的输出端与负载控制器件的控制输入端相连接。前述的电动工具的负载保护电路，其特征在于所述各三极管的基极和发射极之间均设有偏置电阻，所述各三极管的基极均设有限流电阻。前述的电动工具的负载保护电路，其特征在于所述第三三极管的基极还通过第八电阻与供电电源的负极相连接，所述第五三极管的基极还通过第十电阻与供电电源的负极相连接，所述高电平还通过第一电容与供电电源的负极相连接。电动工具的负载保护方法，其特征在于在所述电动工具的负载保护电路上进行电动工具的负载保护方法，包括以下步骤
步骤(I)、使用负载电压检测电路检测负载两端电压或检测与负载两端电压相关联的电压值；
步骤(2)、分析检测负载两端电压值，在负载控制器件导通时，若该电压降低到某一个阀值则判断为负载短路，负载电压检测电路关闭负载控制器件，保护整个电路及供电电源。本发明的有益效果是
1、本发明的电动工具的负载保护电路采用电压检测来判断负载是否短路，能够使带调速功能的电动工具实现安全可靠的短路保护，提高电动工具的可靠性，同时短路保护功能也能够提高电动工具所使用电池的安全性；
2、本发明的电动工具的负载保护电路的电动工具较传统保护方案相比，在环境温度变化时，短路保护功能不会失效，也不会误动作，即负载短路后能够始终保持关断负载控制器件，保护马达提高电动工具的可靠性；
3、使用本发明的电动工具的负载保护电路的电动工具能够兼容多种负载，比如更多款电池包、更多款的马达，在电动工具所配电池包型号、马达型号发生变化时，短路保护功能不会失效，也不会误动作，即负载短路后能够始终保持关断负载控制器件，提高电动工具的可靠性。
图I是本发明的电动工具的负载保护电路的原理图。图2是本发明的电动工具的负载保护电路的简化示意图。附图标记含义如下
mosg =MOS管的栅极；M1 :马达；Q1 :第一三极管；Q2 :第二三极管；Q3 :第三三极管；Q4 =MOS管；Q5 :第五三极管；U1 :供电电源；5V :高电平；Rl-Rll :各电阻；C1 :第一电容；Dl :第一二极管；D2 :第二二极管；D3 :第三二极管；M+ :马达的正向电源输入端；M-:马达的负向电源输入端。
具体实施例方式下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。本发明的电动工具的负载保护电路采用电压检测来判断负载是否短路，能够使带调速功能的电动工具实现安全可靠的短路保护，在环境温度变化时，短路保护功能不会失效，也不会误动作，能够始终保持关断负载控制器件，还能够兼容更多款电池包、更多款的马达，在电动工具所配电池包型号、马达型号发生变化时，能够始终保持关断负载控制器件，电路设计简单、容易实现，并有效的提高了电动工具的可靠性，如图I所示，本发明的电动工具的负载保护电路，包括供电电源U1、负载(这样负载为设置在电动工具中的马达Ml)、负载控制器件，负载控制器件一般为半导体控制器件(这里选用MOS管Q4来控制负载即马达Ml)和负载电压检测电路，负载电压检测电路的输入端与负载两端相连接，负载电压检测电路的输出端与MOS管的栅极(即mo Sg )相连接，其中供电电源Ul为电动工具中的电池包，马达Ml能够实现电动工具的调速功能，供电电源Ul的正极与马达Ml的正向电源输入端M+相连接，供电电源Ul的负极通过MOS管Q4与马达Ml的反向电源输入端M-相连接，Q4的源极与Ul的负极连接，Q4的漏极与马达Ml的反向电源输入端M-连接。负载电压检测电路包括用于连接PWM波的PWM输入接口、第一三极管Ql、第一二极管D1、第三三极管Q3、高电平、第五三极管Q5、第二二极管D2、第二三极管Q2、第三二极管D3，PWM输入接口通过第i^一电阻Rl I与Q4的栅极相连接，马达Ml的正向电源输入端M+还与第一三极管Ql的发射极相连接，马达Ml的反向电源输入端M-还与第一二极管Dl的负极相连接，Dl的正极与Ql的发射极相连接，Ql的集电极通过第一电阻Rl与第三三极管Q3的基极相连接，Q3的集电极分别与高电平(这里的为5V电压)、第五三极管Q5的基极、第二二极管D2的正极相连接，5V高电平通过第一电容Cl与供电电源Ul的负极相连接，第一电容Cl用于充放电，实现Q5的导通或者截止，D2的负极也与Q4的栅极相连接，Q5的基极还通过第四电阻R4与第二三极管Q2的集电极相连接，Q5的集电极通过第七电阻R7与Q2的基极相连接，Q2的发射极与5V高电平相连接，Q5的集电极还与第三二极管D3的负极相连接，D3的正极作为负载电压检测电路的输出端与Q4的栅极相连接，这里的三极管Q1、Q2、Q3和Q5可选用为PNP型三极管，也可选用为NPN型三极管，二极管D1-D3的作用为反向导通，能够有效的在电路中电流瞬间过大的情况下，防止各三极管的击穿。所述多个三极管的基极和发射极之间均设有偏置电阻，基极均设有限流电阻，其中Ql的偏置电阻为第二电阻R2，限流电阻为第五电阻R5 ;Q2的偏置电阻为第三电阻R3，限 流电阻为第七电阻R7 ;Q3的偏置电阻为第八电阻R8，限流电阻为第一电阻Rl ;Q5的偏置电阻为第十电阻R10，限流电阻为第九电阻R9，偏置电阻用来调节基极偏置电流，使三极管有一个适合的工作点，限流电阻目的是为了限制所在回路的电流，保证集电结反偏。在本发明的电动工具的负载保护电路上进行电动工具的负载保护方法，包括以下步骤
第一步、使用负载电压检测电路检测负载两端电压或检测与负载两端电压相关联的电压值；
第二步、分析检测负载两端电压值，在负载控制器件导通时，若该电压降低到某一阀值则判断为负载短路，负载检测电路将关闭负载控制器件，保护整个电路及供电电源，即控制MOS管Q4截至，马达Ml关闭，从而保护马达Ml。其中第一步是通过设置在负载电压检测电路中的PWM输入接口来检测负载两端电压，具体检测和分析负载两端电压值的过程如下
从PWM输入接口输入的PWM波形为MOS管Q4的驱动信号，当PWM为高电平时，Q4导通，马达转动，当PWM为低电平时，Q4截至，马达Ml关闭。当电动工具中的马达Ml正常工作，即负载正常工作时
PWM波形为高电平，MOS管Q4导通，驱动马达Ml两端正反向电压输入端M+和M-之间压差Um很大，这样Ql、Q3导通，第一电容Cl不会被充电，Q5保持截至状态，负载正常工作。PWM波形为低电平，MOS管Q4截至，驱动马达Ml两端正反向电压输入端M+和M-之间压差Um为0，Ql、Q3截至，但此时MOS管Q4的栅极电平为低，第一电容Cl依然不会被充电，Q5依然保持截至状态，负载正常工作。当电动工具中的马达Ml工作异常，即负载短路时
PWM波形为高电平，MOS管Q4导通，由于负载短路，驱动马达Ml两端正反向电压输入端M+和M-之间压差Um很小，不足以使Q1、Q3导通，第一电容Cl充电，第一电容Cl的电压开始升高直到Q5导通，于是拉低MOS管Q4驱动电压，负载被保护。PWM波形为低电平，MOS管Q4的栅极电源为低，虽然第一电容的Cl的电压被拉低，但由于之前Q5导通时，Q2被导通,之后Q5的导通由Q2保持,和第一电容Cl的电压无关，由于Q5保持导通所以Q4始终保持截止状态，负载被保护。整个工作过程，由Q2和Q5构成一个互锁电路，解决了传统方案不能用于带调速功能的电动工具的问题。如图2所示的本发明的简化示意图，其中电阻R12表示本发明电压检测两端阻抗和传统方案电流检测两端阻抗，R13表示系统其他阻抗，包括电池包的内阻，马达内阻等，其阻值随温度变化、电池型号变化、马达型号变化而改变。依照测试经验假设短路时R12=10m Q (毫欧姆)；堵转时R12=100m Q。传统方案为电流检测方案，可以看出如果R13受温度影响，堵转时阻抗比短路时低90mQ，那么堵转和短路时系统电流一样，这样传统方案即会在堵转时出现误判断，进行短路保护。本发明为电压检测方案，只有R13在堵转时阻抗是短路时阻抗的10倍，才会出现R12上电压在堵转和短路时一样，而10倍的变化是极难出现的，从而实现在环境温度变化、电池包和马达型号更换时，短路保护功能不会失效，也不会误动作，即负载短路后能够始终保持关断负载控制器件，保护设置在电动工具中的马达，提高电动工具的可靠性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理 ，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效为界。
权利要求
1.电动工具的负载保护电路，包括供电电源、负载和和负载控制器件，所述供电电源的正极与负载的正向电源输入端相连接，所述供电电源的负极通过负载控制器件与负载反向电源输入端相连接，其特征在于还包括负载电压检测电路，所述负载电压检测电路的输入端与负载两端相连接，所述负载电压检测电路的输出端与负载控制器件的控制输入端相连接。
2.根据权利要求I所述的电动工具的负载保护电路，其特征在于所述负载控制器件为半导体控制器件。
3.根据权利要求2所述的电动工具的负载保护电路，其特征在于所述负载控制器件为MOS管。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的电动工具的负载保护电路，其特征在于，所述负载电压检测电路，包括 用于连接PWM波的PWM输入接口、 发射极与所述负载的正向电源输入端相连接的第一三极管、 负极与所述负载的反向电源输入端相连接的第一二极管、 基极与所述第一三极管的集电极相连接的第三三极管、 与所述第三三极管的集电极相连接的高电平、 基极与所述第三三极管的集电极相连接的第五三极管、 正极与所述负载的反向电源输入端相连接的第二二极管、 集电极与所述第五三极管的基极相连接的第二三极管、 负极与所述第五三极管的集电极相连接的第三二极管， 所述PWM输入接口通过第十一电阻与负载控制器件的控制输入端相连接，所述第一二极管的正极与第一三极管的发射极相连接，所述第二二极管的负极与负载控制器件的控制输入端相连接，所述第二三极管的发射极与高电平相连接，所述第三二极管的正极作为负载电压检测电路的输出端与负载控制器件的控制输入端相连接。
5.根据权利要求4所述的电动工具的负载保护电路，其特征在于所述各三极管的基极和发射极之间均设有偏置电阻，所述各三极管的基极均设有限流电阻。
6.根据权利要求4所述的电动工具的负载保护电路，其特征在于所述第三三极管的基极还通过第八电阻与供电电源的负极相连接，所述第五三极管的基极还通过第十电阻与供电电源的负极相连接，所述高电平还通过第一电容与供电电源的负极相连接。
7.电动工具的负载保护方法，其特征在于在所述电动工具的负载保护电路上进行电动工具的负载保护方法，包括以下步骤 步骤(I)、使用负载电压检测电路检测负载两端电压或检测与负载两端电压相关联的电压值； 步骤(2)、分析检测负载两端电压值，在负载控制器件导通时，若该电压降低到某一个阀值则判断为负载短路，负载电压检测电路关闭负载控制器件，保护整个电路及供电电源。
全文摘要
本发明公开了一种电动工具的负载保护电路及方法，负载保护电路包括供电电源、负载、负载控制器件和负载电压检测电路，供电电源的正极与负载的正向电源输入端相连接，供电电源的负极通过负载控制器件与负载反向电源输入端相连接，负载电压检测电路的输入端与负载两端相连接，负载电压检测电路的输出端与负载控制器件的控制输入端相连接，本发明使用负载电压检测电路检测负载两端电压能够始终保持关断负载控制器件，使带调速功能的电动工具实现安全可靠的短路保护，设计简单、容易实现，并有效的提高了电动工具的可靠性，具有良好的应用前景。
文档编号H02H3/08GK102723693SQ201210173409
公开日2012年10月10日 申请日期2012年5月31日 优先权日2012年5月31日
发明者王槐树, 闵国洪 申请人:南京德朔实业有限公司