CN204333892U - 一种提高容性负载启动能力的本质安全电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种提高容性负载启动能力的本质安全电路，具有：与主供电通路连接、提供稳压直流输出的开关稳压电路；与该稳压输出电路连接的调整管控制电路；与调整管控制电路连接的过流过压保护电路，该保护电路实时监测电路的过压输出以及短路和过流输出并作出调整；与所述过流过压保护电路连接的计数单元；与所述计时单元连接的单稳态触发电路，该触发电路与所述的调整管控制电路连接；当电路输出发生过流或短路时，控制所述的计数单元开始计数；当计数单元达到阈值时，所述的单稳态触发电路进行暂稳态输出状态，控制与其连接的调整管控制电路关断输出；短路或过流恢复时，无效计数单元的计数信号；所述的调整管输出电路输出正常。

Description

一种提高容性负载启动能力的本质安全电路

技术领域

本实用新型涉及一种能够提供容性负载启动能力的本质安全电路。涉及专利分类号H02发电、变电或配电H02H紧急保护电路装置H02H3/00对正常电工作不希望有的变化直接响应的自动断开紧急保护电路装置，有或无事后再连接H02H3/26对电压差或电流差响应的；对电压之间或电流之间的相位差响应的H02H3/32包括对在单一系统的不同导线上相应点上的电压值或电流值进行比较的，例如比较往返导线中的电流。

背景技术

传统的矿用本安电源的本安电路部分多采用线性稳压输出方式，通过恒流输出作为抑制火花放电的主要手段，当短路瞬间，电流迅速增大，最终被限定到恒流最大值，当负载电流继续增大时，由于调整管两端压差较大，调整管的功耗会显著增加，热稳定性不好，导致调整管发热烧坏，而采用开关式稳压输出本质安全型电路，由于电路输出端的容性和感性较大，只能通过快速关断调整管抑制火花放电，短路时瞬间释放的能量较大，检测电流超过阈值进行快速关断，然而在给具有容性的负载供电瞬间，经常会迅速的达到过流保护点，导致过流保护动作，带载能力不强。

目前，基于线性稳压输出的本质安全型电路效率低，大负载供电时，由于输入端与输出端压差较大，调整管功耗较高，发热量高，即使增加体积较大的散热片，热稳定性仍然不好，而基于开关稳压输出的本质安全型电路效率高，不发热，体积小，但带载能力极差，尤其是容性负载启动过程中，瞬间大电流冲击会导致过流保护，导致负载无法启动。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的本质安全电路容性负载启动过程中，负载在启动的瞬间会产生大电流冲击，导致过流保护，而不断的过流保护机制会导致负载无法启动的问题，研制的一种提高容性负载启动能力的本质安全电路，具有：

与主供电通路连接、提供稳压直流输出的开关稳压电路；与该稳压输出电路连接的调整管控制电路，该电路中调整管的输出为最终的电路输出；与调整管控制电路连接的过流过压保护电路，该保护电路实时监测电路的过压输出以及短路和过流输出并作出调整；与所述过流过压保护电路连接的计数单元；与所述计时单元连接的单稳态触发电路，该触发电路与所述的调整管控制电路连接；当所述的过流过压保护电路检测到电路输出发生过流或短路时，控制所述的计数单元开始计数；当计数单元达到阈值时，所述的单稳态触发电路进行暂稳态输出状态，控制与其连接的调整管控制电路关断输出；当所述的过流过压保护电路检测到短路或过流恢复时，无效计数单元的计数信号；所述的单稳态触发电路变为稳态状态，所述的调整管输出电路输出正常。针对容性负载启动和短路两种引起过流的原因，设定了时间阈值，当超过时间阈值时，即可认定断路发生，即刻关断电路；当没有超过时间阈值时，电路不关断，防止容性负载启动引起的过流重复触发过流保护机制，造成电源始终不能正常启动。

作为一个较佳的实施方式，所述的过流过压保护电路包括一与所述调整管控制电路连接的比较器，该比较器采集所述调整管控制电路产生的过流信号的电平与基准信号电平进行比较，当检测到过流信号时，向所述的计数单元输出一清零计数信号，触发所述计数单元开始计数；当检测到过流信号消失时，向所述的计数单元发出停止计数信号。

更进一步的，作为本质安全电路在考虑过流和短路同时，也需要应对调整管控制电路可能出现过压的情况，故优选的，所述的过流过压保护电路采集所述调整管控制电路过压信号的电平与基准信号电平进行比较；检测出过压信号时，控制所述的调整管控制电路关断输出。

作为一个较佳的实施方式，所述的调整管控制电路的核心元器件包括一与所述的过流过压保护电路连接的PMOS管I，电路正常输出时，该PMCS管I为导通状态；当电路过压或过流(短路)时，受所述过流过压保护电路(过压状态)或单稳态触发电路(过流或短路状态)的输出状态控制，PMOS管I的栅极电压和源极电压相等，MOS管关闭输出，即关断电路的输出。选择PMOS作为核心元器件的调整管控制电路，相较于现有技术通常采用的负载开关可以有更宽的电压选择范围，尤其是高电压时，没有合适的负载开关对应；相对与继电器开关具有响应速度快的优势。

作为一个较佳的实施方式，所述的计数单元包括一在输出端持续发出脉冲波的脉冲发生电路和一与该发生电路连接的脉冲计数电路，所述的连续脉冲波为该计数电路的输入信号；由所述的过流过压保护电路输出的清零计数输入信号作为计数电路清零计数端的控制信号；若控制信号有效，则所述的脉冲计数电路开始计数；若控制信号无效，则所述的脉冲计数电路停止计数。采用这两种方式可以有效的解决初次上电可靠性的问题。

更进一步的，考虑到电路的某些使用环境，比如煤矿等通常要求安全电路在工作过程中不产生火花，故在所述的开关稳压电路和调整管控制电路之间设有一火花抑制电路，作为一个较佳的实施方式，该电路包括一PMOS管II，该PMOS管II的源极连接有一限制电流的电阻，在该电阻的两端并联有2个三极管；

当容性负载瞬间启动或发生短路时，电阻R2两端的电压会迅速大于两个所述三极管的门限电压，两个三极管瞬间导通，使得PMOS管IQ2截止，电路被关断，此时输出电流迅速下降，当电阻两端电压恢复到低于三极管导通门限值时，PMOS管IQ2继续导通，重复上述过程，直到电路过流情况消除。

作为一个较佳的实施方式，所述的过流过压保护电路为双重过流过压保护电路。

由于采用了上述计数方案，本实用新型提供的一种提高容性负载启动能力的本质安全电路，通过设置双重过流过压保护电路，计数单元和单稳态触发电路，显著提高了容性负载的启动能力，特别是对远距离供电的大容性负载启动时性能优越，且具备极高的可靠性，采用过流关断方式使得产品热稳定性进一步加强，效率提高，同时大大缩小了电路的体积，降低了成本。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型的实施例或现有计数的计数方案，下面将对实施例或现有计数描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通计数人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的系统模块图

图2为本实用新型开关稳压电路图

图3为本实用新型火花抑制电路图

图4为本实用新型调整管控制电路图

图5为本实用新型单稳态触发电路电路图

图6为本实用新型脉冲发生电路电路图

图7为脉冲计数电路的电路图

图8为双重过流过压保护电路电路图

具体实施方式

为使本实用新型的实施例的目的、计数方案和优点更加清楚，下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的计数方案进行清楚完整的描述：

实施例1，如图1所述的一种提供容性负载启动能力的本质安全电路，主要包括：开关稳压电路、火花抑制电路、作为电路最终输出的调整管控制电路、实时监测调整管控制电路过流或过压输出的双重过流过压保护电路、脉冲计数电路、脉冲发生电路和单稳态触发电路。

当所述的过流过压保护电路检测到电路输出发生过流或短路时，控制所述的计数单元开始计数；当计数单元达到阈值时，所述的单稳态触发电路进行暂稳态输出状态，控制与其连接的调整管控制电路关断输出。

当所述的过流过压保护电路检测到短路或过流时，双重过流过压保护电路的过流检测部分控制脉冲计数电路有效，使得脉冲计数电路立即对脉冲发生电路的脉冲信号进行计数，达到预定的值后，触发单稳态触发电路进入暂稳态输出状态，控制调整管控制电路关断输出，而当检测到短路或过流恢复时，双重过流过压保护电路的过流检测部分控制脉冲计数电路无效，使得脉冲计数电路停止对脉冲发生电路的脉冲信号进行计数，这样，单稳态触发电路仍然处于稳态状态，使得发生短路故障消除时可以自恢复，瞬间启动大容性负载或者远距离供电时，不会因为瞬间的大电流输出达到过流检测点，不至于误动作关断输出，有效提高启动大容性负载能力，并具有高可靠性。当所述的过流过压保护电路监测到电路输出发生过压时，直接控制所述的调整管控制电路关断输出。

所述的开关稳压电路如图2所示：包括芯片U2，该芯片的第4引脚输出(V0)作为火花抑制电路的输入。该电路用于提供稳压输出，可优选，降压模块LM2596降压模块，可降压输出设定的电压，在本实施例中，设定该降压模块将26-37V的电压降至设定的24V输出。

或选择升降压模块MC34063提供更大的输入电压范围，在本实施例中将5-40V的电压变为设定的24V输出。

也可选择专用的稳压电源模块ZB15，输入范围为18-36V，输出设定的24V电压。

所述的火花抑制电路的核心为一PMOS管Q2，该PMOS管Q2的源极通过一电阻R2与所述的开关稳压电路连接，PMOS管Q2的栅极接地，漏极作为火花抑制电路的输出端，如图3所示VP。三极管Q5的基极和发射极之间接有所属电阻R2，所述三极管Q5的集电极通过电阻R11接地，三极管Q6与所述三极管Q5并联。

PMOS管Q2在首次上电或正常情况处于导通状态时，R2用于限制电流，当容性负载瞬间启动或发生短路时，电阻R2两端的电压会迅速大于三极管Q5和三极管Q6的门限电压，三极管Q5和三极管Q6瞬间导通，使得PMOS管IQ2截止，电路被关断，此时输出电流迅速下降，当电阻R2两端电压恢复到低于三极管Q5和三极管Q6导通门限值时，PMOS管IQ2继续导通。如此反复，直至过流状况消除。R3和R11作为Q2栅极和源极的分压，正常工作时，由于R3和R11的分压作用，V0大于Q2的栅极电压，Q2正常导通；当过流时，V0的电压和PMOS管Q2的栅极电压相等。

在本实施例中，三极管Q5和三极管Q6选用S9012，其导通的电压为0.7V。PMOS管Q2选择IRF9630，R3和R11的阻值为100k，R2为1.4Ω。R2的通过电流阈值为500mA，当通过电流超过500mA时，R2产生的压降使三极管Q5和Q6导通，此时，电路中AB两点的电压相等，从而使Q2关断。正常状态下，电路输入24V输出也接近为24V。根据PMOS管的特性，当VG＝VS时，PMOS管关断，当VG＜VS-Vth时，PMOS导通。

如图4所示：所述的调整管控制电路主要包括：为了增强系统可靠性而设置的两个串联的PMOS管Q3和PMOS管Q4，分别与火花抑制电路和双重过流过压保护电路连接。PMOS管Q3的源极与所述火花抑制电路的输出端，如图所示VP连接，PMOS管Q4的漏极，如图所示VOUT作为电路的输出端。

PMOS管Q3和PMOS管Q4的源极和栅极之间分别并联调整电阻R7和R8。

PMOS管Q3和Q4的栅极分别与所述的双重过流过压保护电路和单稳态触发电路连接。其中，PMOS管Q3通过一二极管D4与单稳态触发电路连接，接受来自单稳态触发电路的过流控制信号关断和恢复导通。还通过一二极管D6与所述的双重过流过压保护电路连接，接受来自双重过流过压保护电路的控制信号。其中，二极管D4和二极管D6保证控制信号的单向流动。

同样的，PMOS管Q4通过一二极管D5与单稳态触发电路连接，接受来自单稳态触发电路的过流控制信号关断和恢复导通；通过一二极管D6与所述的双重过流过压保护电路连接，接受来自双重过流过压保护电路的控制信号。

在本实施例中，该调整管控制电路的输入电压VP和输出电压VOUT正常情况下都为24V。其中OC_CTLA和OC_CTLB过流控制信号和OV_CTLA和OV_CTLB过压控制信号均为24V。

电路中PMOS管Q3和Q4均选用AOD425，调整电阻R7和R8为100k电阻R12、R13、R17和R18均为51k。

当OC_CTLA和/或OC_CTLB输入相应的24V的信号时，所述的Q3和/或Q4关断。

同样的，当OV_CTLA和OV_CTLB输入相应的24V的信号时，所述的Q3和/或Q4关断。

所述的双重过流过压保护电路的输入端与所述的调整管控制电路的输出端连接(vout)，用于采集和处理过压、过流或短路，主要包括：为了增加系统的可靠性设置了两个比较器，比较器U14和比较器U141，比较器均分为处理过流的部分和处理过压的部分，这里以比较器U14为例进行说明，如图8所示：比较器采用的型号可优选为LM293A。

比较器U14的8号引脚(VCC)连接一三极管Q13的集电极，1号引脚(Vout1)连接所述三极管Q13的基极，三极管Q13的发射极输出作为处理过流的控制信号(如图所示out0)作为脉冲计数电路的清零计数信号。

所述的比较器U14的下半部分的7号引脚(vout2)通过电阻R51与三极管Q19的基极连接，4号引脚与三极管Q19的发射极连接，三极管Q19通过一电阻R47与三极管Q9连接，由7号引脚输出的过压控制信号，通过三极管Q9的集电极输出至调整管控制电路，完成其关断和开启。

比较器141的形式与比较器U14的形式一致，通过三极管Q131的发射极输出清零计数信号(out0)；通过三极管Q91的集电极输出控制调整管控制电路关断和开启的信号。

脉冲计数电路包括以芯片U11，芯片的1号引脚接受双重过流过压保护电路传输的计数清零信号(out0)开始清零计数；2号引脚接受由脉冲发生电路输出的QCLK信号，即脉冲信号，12号引脚输出控制所述单稳态触发电路工作的信号。

如图5所示：所述的单稳态触发电路包括两芯片U9和芯片U19，以芯片U9为例，脉冲计数电路输出的的信号，如图5所示out1，输出的信号由13号引脚输出，输入一三极管Q17的基极，由三极管Q17的集电极输出至三极管Q7的基极，最后由三极管Q7的集电极输出至所述的调整管控制电路，作为调整管控制电路中PMOS管开启和关断的控制信号，在本实施例中信号为24V。优选的，所述Q7和Q8的型号为S8550，Q17和Q18的型号为S8050。

本实施例所述的设备，经过试验，可正常启动串接在总长度为3km，1.5平方线路上的至少3个容性负载，具有极佳的应用前景。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本计数领域的计数人员在本实用新型揭露的计数范围内，根据本实用新型的计数方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提高容性负载启动能力的本质安全电路，具有：

与主供电通路连接、提供稳压直流输出的开关稳压电路；

与该稳压输出电路连接的调整管控制电路，该电路中调整管的输出为最终的电路输出；

与调整管控制电路连接的过流过压保护电路，该保护电路实时监测电路的过压输出以及短路和过流输出并作出调整；

与所述过流过压保护电路连接的计数单元；

与所述计数单元连接的单稳态触发电路，该触发电路与所述的调整管控制电路连接；

当所述的过流过压保护电路检测到电路输出发生过流或短路时，控制所述的计数单元开始计数；当计数单元达到阈值时，所述的单稳态触发电路进行暂稳态输出状态，控制与其连接的调整管控制电路关断输出；

当所述的过流过压保护电路检测到短路或过流恢复时，无效计数单元的计数信号；所述的单稳态触发电路变为稳态状态，所述的调整管输出电路输出正常。

2.根据权利要求1所述的一种提高容性负载启动能力的本质安全电路，其特征还在于所述的过流过压保护电路包括一与所述调整管控制电路连接的比较器，该比较器采集所述调整管控制电路产生的过流信号的电平与基准信号电平进行比较，当检测到过流信号时，向所述的计数单元输出一清零计数信号，触发所述计数单元开始计数；当检测到过流信号消失时，向所述的计数单元发出停止计数信号。

3.根据权利要求1或2所述的一种提高容性负载启动能力的本质安全电路，其特征还在于所述的过流过压保护电路采集所述调整管控制电路过压信号的电平与基准信号电平进行比较；检测出过压信号时，控制所述的调整管控制电路关断输出。

4.根据权利要求3所述的一种提高容性负载启动能力的本质安全电路，其特征还在于：

所述的调整管控制电路包括一与所述的过流过压保护电路连接的PMOS管I，电路正常输出时，该PMOS管I为导通状态；当电路过压或过流时，受所述 过流过压保护电路或单稳态触发电路的输出状态控制，PMOS管I的栅极电压和源极电压相等，PMOS管I关闭输出，即关断电路的输出。

5.根据权利要求2所述的一种提高容性负载启动能力的本质安全电路，其特征还在于所述的计数单元包括一在输出端持续发出脉冲波的脉冲发生电路和一与该发生电路连接的脉冲计数电路，脉冲为该计数电路的输入信号；由所述的过流过压保护电路输出的清零计数输入信号作为计数电路清零计数端的控制信号；若控制信号有效，则所述的脉冲计数电路开始计数；若控制信号无效，则所述的脉冲计数电路停止计数。

6.根据权利要求1所述的一种提高容性负载启动能力的本质安全电路，其特征还在于所述的开关稳压电路和调整管控制电路之间设有一火花抑制电路，该电路包括一PMOS管II，该PMOS管II的源极连接有一限制电流的电阻I，在该电阻的两端并联有2个三极管；

当容性负载瞬间启动或发生短路时，电阻I两端的电压会迅速大于两个所述三极管的门限电压，两个三极管导通，使得PMOS管II截止，电路被关断，此时输出电流迅速下降，当电阻两端电压恢复到低于三极管导通门限值时，PMOS管II继续导通，抑制电火花的产生。

7.根据权利要求1、2、5或6所述的一种提高容性负载启动能力的本质安全电路，其特征还在于：所述的过流过压保护电路为双重过流过压保护电路。

8.根据权利要求1所述的一种提高容性负载启动能力的本质安全电路，所述的开关稳压电路，为DC/DC开关稳压电路、升压/降压开关稳压模块或升降压开关稳压模块。