一种模拟型保护时间可调的本安电源后端截止型保护电路

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一种模拟型保护时间可调的本安电源后端截止型保护电路
申请号	CN201811336888.0	申请日	2018-11-12	公开(公告)号	CN109462212A	公开(公告)日	2019-03-12
申请人	中国矿业大学;			发明人	于月森; 张吉阳; 吕晓彬; 张亚男; 黄煜茹; 夏远哲; 张圆明; 刘天宁; 张帆; 石蒙;
摘要	本发明公开了一种模拟型保护时间可调的本安电源后端截止型保护电路，包括失电压及过电流检测电路、截止放电时间调整电路、快速驱动及自恢复电路以及截止保护开关管；所述失电压及过电流检测电路连接在本安电源的输出端，判断输出端发生短路故障；所述截止放电时间调整电路与所述失电压及过电流检测电路连接，所述快速驱动及自恢复电路与所述截止放电时间调整电路连接，所述快速驱动及自恢复电路通过所述截止保护开关管与电源输入连接。本发明采用比较器对输出电流电压进行监测，在识别故障后在设定时间内断开电路从而保证本质安全型电源的性能。且由于输出回路没有串电阻限流，整体效率得到了明显提升。并且本发明具有保护时间可调的功能。
权利要求	1.一种模拟型保护时间可调的本安电源后端截止型保护电路，其特征在于：包括失电压及过电流检测电路、截止放电时间调整电路、快速驱动及自恢复电路以及截止保护开关管；所述失电压及过电流检测电路连接在本安电源的输出端，判断输出端发生短路故障；所述失电压检测电路并联在所述本安电源的输出端，所述过电流检测电路串联在所述本安电源的输出回路中上，通过其串联在输出回路中的检流电阻上的电压来判定输出电流大小；所述截止放电时间调整电路与所述失电压及过电流检测电路连接，所述快速驱动及自恢复电路与所述截止放电时间调整电路连接，所述快速驱动及自恢复电路通过所述截止保护开关管与电源输入连接；在所述截止放电时间调整电路内预设有截止放电时间量值，在输出端发生短路故障时间达到预设的截止放电时间量值时发送信号至所述快速驱动及自恢复电路；所述快速驱动电路驱动所述截止保护开关管迅速切断电路。 2.根据权利要求1所述的模拟型保护时间可调的本安电源后端截止型保护电路，其特征在于：通过调整所述截止放电时间调整电路内预设的截止放电时间量值调整所述本安电源后端截止型保护电路的保护时间。 3.根据权利要求1所述的模拟型保护时间可调的本安电源后端截止型保护电路，其特征在于：所述失电压及过电流检测电路由两个LM311电压比较器芯片U1和U2、分压电阻Rs1和Rs2及电流检测电阻Rs组成；所述LM311电压比较器U1和U2的输出端直接相连实现线与逻辑功能；其中，Vcc1为所述比较器芯片U1和U2提供供电电压，经电阻R2、R3、R4给比较器输入端提供基准电压值Uuref及Uiref，经上拉电阻R5使得UA输出高电平。 4.根据权利要求1所述的模拟型保护时间可调的本安电源后端截止型保护电路，其特征在于：所述截止放电时间调整电路采用LTC6994；其SET引脚通过电阻器RSET接地，负责设置LTC6994的内部主振荡器频率；DIV引脚和V+引脚并联有电容C1和电阻R1，之后再串联电阻R2后接地。 5.根据权利要求4所述的模拟型保护时间可调的本安电源后端截止型保护电路，其特征在于：所述截止放电时间调整电路中的截止放电时间的设置由式(1)决定：其中，Rset为设置内部主振荡器频率的电阻；NDIV内部时钟分频器分频数设定值，由电阻R1和R2的设置决定。 6.根据权利要求1所述的模拟型保护时间可调的本安电源后端截止型保护电路，其特征在于：所述快速驱动及自恢复电路采用NE555定时芯片U4；其中Vcc2为所述NE555定时芯片U4提供供电电压，通过RT、CT设置自恢复时间，经上拉电阻R1拉高芯片输出端电平；S1为P沟道MOSFET保护开关管，S2为N沟道MOSFET辅助开关管，两个管子的连接构成图腾柱，加快保护开关管S1的关断速度。
说明书全文	一种模拟型保护时间可调的本安电源后端截止型保护电路技术领域 [0001] 本发明涉及一种本安电源用后端截止型保护电路，具体为一种模拟型且保护时间可调的本质安全型电源用后端截止型保护电路。技术背景 [0002] 随着煤矿、石油、化工、纺织、镀金等易燃易爆危险场所机械化、自动化和信息化程度的提高，电气设备得到快速的推广和应用，而涉及各类易燃易爆物品的生产、加工以及运输和储存过程中，都伴随着易燃易爆危险场所区域的诞生，根据国家强制标准GB3836.1-2010，应用于危险场所区域的电气设备必须具备与之对应的设备保护级别。本质安全型相对于其它防爆型式，可靠性高、体积小、重量轻和维护方便，并且易于实现较高的本质安全设备保护级别。目前本质安全型电源后端保护模式分为恒流型、减流型与截流型。相对于前两种保护方式，截流型保护电路能在短路瞬间迅速将电流减小到零，最大程度上保证了设备的安全。目前本安电源后端截止性保护电路主要分为数字型与模拟型两种，数字型保护电路一般保护动作时间易调整，但由于控制器时钟周期的存在，其保护动作时间更长，设备受损的可能性更高。模拟型保护电路保护速度快但保护动作时间一般不可调，在不同的使用场合或实验研究中适用度不高，目前急需一种模拟型且保护时间可调的本安电源后端保护截止性保护电路的出现。发明内容 [0003] 发明目的：为了解决上述技术问题，本发明提供一种模拟型且保护时间可调的本质安全型电源用后端截止型保护电路。 [0004] 技术方案： [0005] 一种模拟型保护时间可调的本安电源后端截止型保护电路，包括失电压及过电流检测电路、截止放电时间调整电路、快速驱动及自恢复电路以及截止保护开关管；所述失电压及过电流检测电路连接在本安电源的输出端，判断输出端发生短路故障；所述失电压检测电路并联在所述本安电源的输出端，所述过电流检测电路串联在所述本安电源的输出回路中上，通过其串联在输出回路中的检流电阻上的电压来判定输出电流大小；所述截止放电时间调整电路与所述失电压及过电流检测电路连接，所述快速驱动及自恢复电路与所述截止放电时间调整电路连接，所述快速驱动及自恢复电路通过所述截止保护开关管与电源输入连接；在所述截止放电时间调整电路内预设有截止放电时间量值，在输出端发生短路故障时间达到预设的截止放电时间量值时发送信号至所述快速驱动及自恢复电路；所述快速驱动电路驱动所述截止保护开关管迅速切断电路。 [0006] 通过调整所述截止放电时间调整电路内预设的截止放电时间量值调整所述本安电源后端截止型保护电路的保护时间。 [0007] 所述失电压及过电流检测电路由两个LM311电压比较器芯片U1和U2、分压电阻Rs1和Rs2及电流检测电阻Rs组成；所述LM311电压比较器U1和U2的输出端直接相连实现线与逻辑功能；其中，Vcc1为所述比较器芯片U1和U2提供供电电压，经电阻R2、R3、R4给比较器输入端提供基准电压值Uuref及Uiref，经上拉电阻R5使得UA输出高电平。 [0008] 所述截止放电时间调整电路采用LTC6994；其SET引脚通过电阻器RSET接地，负责设置LTC6994的内部主振荡器频率；DIV引脚和V+引脚并联有电容C1和电阻R1，之后再串联电阻R2后接地。 [0009] 所述截止放电时间调整电路中的截止放电时间的设置由式(1)决定： [0010] [0011] 其中，Rset为设置内部主振荡器频率的电阻；NDIV内部时钟分频器分频数设定值，由电阻R1和R2的设置决定。 [0012] 所述快速驱动及自恢复电路采用NE555定时芯片U4；其中Vcc2为所述NE555定时芯片U4提供供电电压，通过RT、CT设置自恢复时间，经上拉电阻R1拉高芯片输出端电平；S1为P沟道MOSFET保护开关管，S2为N沟道MOSFET辅助开关管，两个管子的连接构成图腾柱，加快保护开关管S1的关断速度。 [0013] 有益效果： [0014] 1.现有的保护电路一般采用稳压管与限流电阻的方式，稳压管并联在输出回路，保证输出电压。输入电压故障时，稳压管并联支路工作长时间过压容易导致稳压管损毁，限制本安电源寿命。限流电阻一直串在输出回路，严重影响本安电源效率，对输出功率也有一定的限制。本发明采用比较器对输出电流电压进行监测，在识别故障后在设定时间内断开电路从而保证本质安全型电源的性能。且由于输出回路没有串电阻限流，整体效率得到了明显提升。 [0015] 2.相比数字型保护电路，本电路采用模拟型器件，少了数字控制器周期时间，截止保护时间更短，根据本质安全理论，电路火花放电时间更短可进一步提升本安电源效率。 [0016] 3.本发明具有保护时间可调的功能，对于不同的使用场合及本安理论研究实验验证具有重大意义。附图说明 [0017] 图1为本发明的本安电源后端截止型保护电路整体实验电路框图。 [0018] 图2失电压及过电流检测电路图。 [0019] 图3为截止放电时间调整电路图。 [0020] 图4为快速驱动及自恢复电路图。具体实施方式 [0021] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。 [0022] 图1为本发明的本安电源后端截止型保护电路整体实验电路框图。如图1所示，本发明的本安电源后端截止型保护电路整体实验电路包括失电压及过电流检测电路、截止放电时间调整电路、快速驱动及自恢复电路以及截止保护开关管。所述失电压及过电流检测电路连接在本安电源的输出端，所述失电压检测电路并联在所述本安电源的输出端，所述过电流检测电路串联在所述本安电源的输出回路中上，通过其串联在输出回路中的检流电阻上的电压来判定输出电流大小；所述截止放电时间调整电路与所述失电压及过电流检测电路连接，所述快速驱动及自恢复电路与所述截止放电时间调整电路连接，所述快速驱动及自恢复电路通过所述截止保护开关管与电源输入连接。电路发生短路故障时，所述失电压及过电流检测电路快速检测所述本安电源的输出端，判断输出端发生短路故障，当达到所述截止放电时间调整电路在高精度大范围内设置的截止放电时间量值，发出信号进而再由所述快速驱动电路驱动所述截止保护开关管迅速切断电路，保证电路的本质安全性能。 [0023] 典型的截止型ECL电路波形中火花放电电压瞬间跌落至建弧电压，火花放电电流快速上升超过额定值，因此根据此特点设计失电压及过电流检测电路，如图2所示。本发明的失电压及过电流检测电路由两个LM311电压比较器芯片U1和U2、分压电阻Rs1和Rs2及电流检测电阻Rs组成；比较器U1和U2输出端直接相连实现线与逻辑功能；Vcc1为比较器芯片提供供电电压，经电阻R2、R3、R4给比较器输入端提供基准电压值Uuref及Uiref，经上拉电阻R5使得UA输出高电平。 [0024] 其具体工作原理为：正常情况下，经分压电阻Rs1和Rs2得到的采样点压Uus大于Uuref，经电流检测电阻Rs得到的采样电压Uis小于基准电压Uiref，此时比较器输出端UA为高电平；发生短路故障时，输出端电压瞬间跌落至建弧电压，电流快速上升超过额定值，则经分压电阻Rs1和Rs2得到的采样点压Uus小于Uuref，经电流检测电阻Rs得到的采样电压Uis大于基准电压Uiref，此时比较器输出端UA为低电平。由此可以检测出是否发送短路故障。 [0025] 图3为截止放电时间调整电路图。如图3所示，本发明的截止放电时间调整电路选用凌力尔特公司生产的一款延时芯片LTC6994。LTC6994是一款可编程延时模块，具有1μs至33.6s的延时范围。其SET引脚通过电阻器RSET接地，负责设置LTC6994的内部主振荡器频率； DIV引脚和V+引脚并联有电容C1和电阻R1，之后再串联电阻R2后接地。LTC6994隶属于TImerBloxTM通用型硅定时器件系列，单个电阻器Rset负责设置LTC6994的内部主振荡器频率，输入至输出延时时间tDELAY由该主振荡器和一个内部时钟分频器NDIV来决定(可编程至1～221范围内的8个设定值)。NDIV通过电阻R1和R2的设置来决定。 [0026] [0027] 其中，Rset为设置内部主振荡器频率的电阻；NDIV内部时钟分频器分频数设定值； [0028] 截止放电时间的设置由式(1)来决定，其中表1规定了电阻R1、R2和NDIV的取值关系。通过设置电阻R1、R2可以决定POL值，当POL为0时，上升沿延时；当POL为1时，下降沿延时。由此，可以在高精度大范围内设置截止放电时间量值。 [0029] 表1电阻R1、R2和NDIV及POL的取值关系表 [0030] [0031] 图4为快速驱动及自恢复电路图。如图4所示，本发明的快速驱动及自恢复电路选用的是NE555定时芯片U4，通过外围电路的搭建使其构成脉冲触发型单稳电路。其中Vcc2给芯片U4提供供电电压，通过RT、CT设置自恢复时间，经上拉电阻R1拉高芯片输出端电平；S1为P沟道MOSFET保护开关管，S2为N沟道MOSFET辅助开关管，两个管子的连接构成图腾柱，加快保护开关管S1的关断速度。 [0032] tr＝1.1RT×CT (2) [0033] 自恢复时间tr的设置如式(2)所示。电路的具体工作原理如下：正常工作时，经检测电路及截止放电时间调整电路输出的UB信号为高电平，将其输入芯片2管脚，芯片输出为低电平，保护开关管S1导通，辅助开关管S2关断，电路正常输出；发生短路故障时，经检测电路及截止放电时间调整电路输出的UB信号由高电平变为低电平，将其输入芯片2管脚，芯片输出立即由低电平转变为高电平，辅助开关管S2导通，漏极电荷迅速向辅助开关管源极释放，使得保护开关管S1栅极和漏极电位差迅速拉高，保护开关管立即关断；当关断时间达到自恢复时间时，芯片输出端由高电平转变为低电平，电路重新启动，若短路故障一直存在则重复上述保护过程再次切断保护开关管，直至短路故障解除。 [0034] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。