CN103208774B - 一种本安电源短路保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种本安电源短路保护电路，其结构包括有电流采样电路、开关电路、短路检测电路、预夹断控制电路和饱和电流控制电路。本发明保护电路在短路或过流时能够通过快速增加回路压降来抑制电流的增加，使本安电源很容易通过火花试验验，有利于提高本安电源的电压等级和输出功率。本发明保护电路对电路的响应时间没有苛刻要求，降低了制造成本和设计成本。本发明电路短路保护后的维持电流很小，并且能够实现去除短路后带载自恢复。另外本发明保护电路还具有安全可靠、结构简单、回路压降小等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种电源防护电路，具体地说是一种本安电源短路保护电路。
背景技术
本质安全型电源简称为“本安电源”，主要应用在石油、化工、纺织和煤炭等含有***性混合物的环境中，作为通讯、监控、检测、报警以及控制***的供电设备。为了防止输出过流或负载短路时产生的火花点燃易燃易爆气体，本安电源必须采用保护电路，来限制火花的能量。短路电流值越高，火花的能量越大；短路电流值与短路保护时间和输出电压的乘积成正比，即输出电压越高短路保护时间越长、短路电流值越大。在安全火花的能量一定时，电压越高，短路保护时间就要越短，电压越低，容许短路保护的时间就越长。所以，低压小功率的本安电源容易通过火花试验，而电压高、功率大的本安电源就不容易通过火花试验。由于保护电路各部分电路受到电路寄生电容和寄生电感的影响都会有一定的动作时间，
常用的保护电路工作方式是：当有输出过流或负载短路故障发生后，首先要能被检测电路检测到，然后再控制开关电路动作，使开关电路中的开关管（通常是选用MOS管）从导通态变换到关断态，以进行短路保护。
这种方式存在有很大的不足：一是短路保护时间较长，因为是先由检测电路检测到短路情况的发生，再控制开关电路产生关断动作，由于各部分电路受到电路寄生电容和寄生电感的影响都会有一定的延迟时间，这样，短路保护的时间由检测电路的动作时间和开关电路的动作时间这两部分组成，即从短路发生到检测电路动作再到开关电路动作会有较长的时间间隔。二是开关电路中的MOS管从导通到关断需要很长的操作时间，在MOS管的沟道完全打开的情况下，要想关断它需要很大的驱动电流和较长的时间，这样易导致驱动电路成本提高，开关电路的关断动作时间也较长，容易使得短路电流瞬时值很高，远大于检测电路的动作阈值。三是这种保护电路使得本安电源功率输出较小，对应用造成限制。另外，常用的保护电路还存在输出压降大、短路发热量大和不能带载恢复等问题，而且电路结构比较复杂，制作成本较高。
发明内容
本发明的目的就是提供一种本安电源短路保护电路，以解决现有保护电路的短路保护动作慢和电路结构复杂的问题。
本发明是这样实现的：一种本安电源短路保护电路，包括有：
短路检测电路，并联连接在本安电源的正极端与负极端之间，分别与饱和电流控制电路和开关电路相接，用于监测本安电源的输出短路情况，并在发生输出短路时将短路信号以低电平方式发送给饱和电流控制电路；
电流采样电路，串联连接在本安电源的负极端与上述保护电路的负极输出端之间的连线上，分别与饱和电流控制电路和开关电路相接，用于检测本安电源的输出电流，并将电流信号转换成电压转换信号发送给所述饱和电流控制电路；
饱和电流控制电路，分别与所述短路检测电路、所述电流采样电路和开关电路相接，用于根据接收到的所述短路检测电路输入的短路信号和所述电流采样电路输入的电压转换信号，控制开关电路对本安电源的输出进行关断；
预夹断控制电路，分别与所述饱和电流控制电路和开关电路相接，用于控制开关电路的工作电压，使开关电路处于预夹断工作状态；以及
开关电路，串联连接在本安电源的负极端与上述保护电路的负极输出端之间的连线上，分别与所述短路检测电路、所述电流采样电路、所述饱和电流控制电路和所述预夹断控制电路相接，用于在本安电源发生输出短路或过流时先通过迅速增加自身压降来抑制输出电流的增大，再对本安电源的输出进行关断。
所述电流采样电路为电阻R11，串联连接在本安电源的负极端与上述保护电路的负极输出端之间的连线上。
所述开关电路由N沟道MOS管Q1构成，所述N沟道MOS管Q1的漏极与所述短路检测电路和所述预夹断控制电路相接，所述N沟道MOS管Q1的栅极与所述饱和电流控制电路和所述预夹断控制电路相接，所述N沟道MOS管Q1的源极与所述电流采样电路相接。
所述短路检测电路包括由电阻R1、电阻R2串联组成的第一分压电路，以及由运放IC1构成的第一比较电路；所述第一分压电路的两端分接在本安电源的正极端与负极端之间；所述运放IC1的正极输入端连接在所述第一分压电路的分压节点上，所述运放IC1的负极输入端与所述N沟道MOS管Q1的漏极相接，所述运放IC1的输出端与所述饱和电流控制电路相接。
所述饱和电流控制电路包括由电阻R3、电阻R4和电阻R5串联组成的第二分压电路，以及由运放IC2构成的第二比较电路；所述第二分压电路的两端分接在本安电源的正极端与负极端之间；所述运放IC2的正极输入端连接在所述第二分压电路的电阻R4与电阻R5之间的分压节点上，所述运放IC2的负极输入端连接在电阻R11与N沟道MOS管Q1的源极之间的节点上，所述运放IC2的输出端经二极管D2连接在N沟道MOS管Q1的栅极上；在所述第二分压电路的电阻R3、电阻R4之间的分压节点与本安电源的负极端之间接有稳压管D1。
所述预夹断控制电路包括由电阻R8和电阻R10串联组成的正分压电路，由电阻R6和电阻R7串联组成的负分压电路，以及由运放IC3构成的第三比较电路；所述负分压电路的一端与本安电源的正极端相接，所述负分压电路的另一端与所述正分压电路的一端共接在电阻R11与N沟道MOS管Q1的源极之间的节点上，所述正分压电路的另一端接上述保护电路的负极输出端；所述运放IC3的正极输入端连接在所述正分压电路的分压节点上，所述运放IC2的负极输入端连接在所述负分压电路的分压节点上，所述运放IC1的输出端经电阻R9连接在N沟道MOS管Q1的栅极上。
本发明保护电路中的开关电路的关断是从N沟道MOS管Q1的预夹断状态转变到处于输出电流较小的饱和区的工作方式来实现的，由此改变了MOS管从完全导通的可变电阻区转变到饱和区的常规关断方式，这样就可显著缩短开关电路的开关动作时间。
在短路发生时，开关电路的N沟道MOS管Q1先于其他电路动作，进入饱和区，通过快速增加自身压降来限制输出电流的急剧增加，而不是要等接收到控制信号之后才动作。饱和电流控制电路接到短路检测电路检测到的短路信号和电流采样电路的高电压信号，即可将开关电路的N沟道MOS管Q1的栅极电压减小，从而使N沟道MOS管Q1处于输出电流较小的饱和区（即靠近截止区的饱和区），来完成开关电路的关断动作。在短路故障排除之后，饱和电流控制电路逐渐放开N沟道MOS管Q1的栅极电压，使N沟道MOS管Q1恢复到预夹断状态，本安电源的输出电流会逐渐恢复到正常输出值。
在本发明保护电路中，开关电路的超前动作和其他电路的相应动作，不必等待检测电路输出的控制信号，由于开关电路的动作时间短，而短路保护时间只有开关电路的动作时间，没有累加其他电路的动作时间，所以短路保护用时比常规保护电路的用时要减少至少一半，由此降低了短路电流的瞬时值，使短路电流的瞬时值接近过流动作值，从而使本安电源很容易通过火花试验，相应地可提高本安电源的输出功率和输出电压。本发明保护电路的保护特性不受保护电路中其他电路的响应时间的影响，对开关元件的响应速度和电路寄生电容和寄生电感没有苛刻要求，降低了保护电路的制造成本和设计成本。本发明保护电路的静态自耗电低，短路电流很小，短路发热量小，可实现去短路带载恢复，方便实用。本发明保护电路还具有安全可靠、结构简单、回路压降小等优点。
附图说明
图1是本发明的电路原理框图。
图2是本发明一种具体实现方式的电原理图。
图2中的虚线框电路分别是：1、电流采样电路，2、开关电路，3、短路检测电路，4、预夹断控制电路，5、饱和电流控制电路。
具体实施方式
如图1所示，本发明由电流采样电路1、开关电路2、短路检测电路3、预夹断控制电路4和饱和电流控制电路5等五部分连接组成，其左端用于连接本安电源，可视为本安电源的正极端VI+和负极端VI–；其右端为本保护电路的正极输出端Vo+和负极输出端Vo–，也是设置保护电路后的本安电源的正、负极输出端。电流采样电路1与开关电路2串联设置在本安电源的输出回路中。
图2给出了本发明保护电路的一种具体实现方式，其具体结构及工作方式分析如下：
电流采样电路1为电阻R11，串联连接在本安电源的负极端VI–与本发明保护电路的负极输出端Vo–之间的连线上。电阻R11用于检测本安电源的输出电流，并将输出电流转换成电压转换信号发送给饱和电流控制电路5。
开关电路2为N沟道MOS管Q1，与电阻R11串联连接在本安电源的负极端VI–与本发明保护电路的负极输出端Vo–之间的连线上。N沟道MOS管Q1的漏极与短路检测电路3和预夹断控制电路4相接，同时作为本安电源的负极输出端Vo–；N沟道MOS管Q1的栅极与饱和电流控制电路5和预夹断控制电路4相接；N沟道MOS管Q1的源极与电流采样电路1相连接。在短路发生时，开关电路2的N沟道MOS管Q1先行动作，迅速进入饱和区，通过增加自身压降来限制输出电流的急剧增加，而不是等接收到控制信号后才动作；并且在饱和电流控制电路5的控制下，对本安电源的输出进行关断。开关电路2既可由单个MOS管构成，也可用多个MOS管并联组成。
短路检测电路3并联连接在本安电源的正极端VI+与负极端VI–之间。短路检测电路3包括由电阻R1、电阻R2串联组成的第一分压电路，以及由运放IC1构成的第一比较电路。第一分压电路的两端分接在本安电源的正极端VI+与负极端VI–之间。第一比较电路的运放IC1的正极输入端连接在第一分压电路的分压节点上，运放IC1的负极输入端与N沟道MOS管Q1的漏极相接，运放IC1的输出端与饱和电流控制电路5相接。
短路检测电路3是根据开关电路2两端的电压是否超过运放IC1正极输入端输入的电压（第一比较电路的基准电压）作为输出短路或过流的判断依据，并依此来减小饱和电流控制电路5中的运放IC2正极输入端的输入电压（第二比较电路的基准电压），即通过检测开关电路2两端的电压，来监测输出短路情况。当检测到输出短路发生后，将短路信号通过低电平的形式发送给饱和电流控制电路5。
饱和电流控制电路5包括由电阻R3、电阻R4和电阻R5串联组成的第二分压电路，以及由运放IC2构成的第二比较电路。第二分压电路的两端分接在本安电源的正极端VI+与负极端VI–之间；运放IC2的正极输入端连接在第二分压电路的电阻R4与电阻R5之间的分压节点上，运放IC2的负极输入端连接在电阻R11与N沟道MOS管Q1的源极之间的节点上，运放IC2的输出端经二极管D2连接在N沟道MOS管Q1的栅极上；在第二分压电路的电阻R3、电阻R4之间的分压节点与本安电源的负极端VI–之间接有稳压管D1。
饱和电流控制电路5设定本安电源输出电流的最大值，当输出电流达到设定的最大值时，短路检测电路3在运放IC2的正极输入端输入低电压，电流采样电路1在运放IC2的负极输入端输入高电压，使运放IC2输出低电压，并通过二极管D2拉低N沟道MOS管Q1的栅极电压，使N沟道MOS管Q1进入输出电流较小的饱和区，从而使饱和电流维持在设定的阈值之内。
预夹断控制电路4包括由电阻R8和电阻R10串联组成的正分压电路，由电阻R6和电阻R7串联组成的负分压电路，以及由运放IC3构成的第三比较电路。其中，负分压电路的上端与本安电源的正极端VI+相接，负分压电路的下端与正分压电路的左端共接在电阻R11与N沟道MOS管Q1的源极之间的节点上，正分压电路的右端连接在本发明保护电路的负极输出端Vo–上。运放IC3的正极输入端连接在正分压电路的分压节点上，运放IC2的负极输入端连接在负分压电路的分压节点上，运放IC1的输出端经电阻R9连接在N沟道MOS管Q1的栅极上。
预夹断控制电路4是通过控制N沟道MOS管Q1的栅源电压的大小，来控制N沟道MOS管Q1处于预夹断状态，而不是处于完全导通状态，这样就可以保证在本安电源输出正常的情况下，N沟道MOS管Q1两端的压降很低。
Claims (6)
1.一种本安电源短路保护电路，其特征在于，包括有：
短路检测电路，并联连接在本安电源的正极端与负极端之间，分别与饱和电流控制电路和开关电路相接，用于监测本安电源的输出短路情况，并在发生输出短路时将短路信号以低电平方式发送给饱和电流控制电路；
电流采样电路，串联连接在本安电源的负极端与上述保护电路的负极输出端之间的连线上，分别与饱和电流控制电路和开关电路相接，用于检测本安电源的输出电流，并将电流信号转换成电压转换信号发送给所述饱和电流控制电路；
饱和电流控制电路，分别与所述短路检测电路、所述电流采样电路和开关电路相接，用于根据接收到的所述短路检测电路输入的短路信号和所述电流采样电路输入的电压转换信号，控制开关电路对本安电源的输出进行关断；
预夹断控制电路，分别与所述饱和电流控制电路和开关电路相接，用于控制开关电路的工作电压，使开关电路处于预夹断工作状态；以及
开关电路，串联连接在本安电源的负极端与上述保护电路的负极输出端之间的连线上，分别与所述短路检测电路、所述电流采样电路、所述饱和电流控制电路和所述预夹断控制电路相接，用于在本安电源发生输出短路或过流时先通过迅速增加自身压降来抑制输出电流的增大，再对本安电源的输出进行关断。
2.根据权利要求1所述的本安电源短路保护电路，其特征在于，所述电流采样电路为电阻R11，串联连接在本安电源的负极端与上述保护电路的负极输出端之间的连线上。
3.根据权利要求2所述的本安电源短路保护电路，其特征在于，所述开关电路由N沟道MOS管Q1构成，所述N沟道MOS管Q1的漏极与所述短路检测电路和所述预夹断控制电路相接，所述N沟道MOS管Q1的栅极与所述饱和电流控制电路和所述预夹断控制电路相接，所述N沟道MOS管Q1的源极与所述电流采样电路相接。
4.根据权利要求3所述的本安电源短路保护电路，其特征在于，所述短路检测电路包括由电阻R1、电阻R2串联组成的第一分压电路，以及由运放IC1构成的第一比较电路；所述第一分压电路的两端分接在本安电源的正极端与负极端之间；所述运放IC1的正极输入端连接在所述第一分压电路的分压节点上，所述运放IC1的负极输入端与所述N沟道MOS管Q1的漏极相接，所述运放IC1的输出端与所述饱和电流控制电路相接。
5.根据权利要求4所述的本安电源短路保护电路，其特征在于，所述饱和电流控制电路包括由电阻R3、电阻R4和电阻R5串联组成的第二分压电路，以及由运放IC2构成的第二比较电路；所述第二分压电路的两端分接在本安电源的正极端与负极端之间；所述运放IC2的正极输入端连接在所述第二分压电路的电阻R4与电阻R5之间的分压节点上，所述运放IC2的负极输入端连接在电阻R11与N沟道MOS管Q1的源极之间的节点上，所述运放IC2的输出端经二极管D2连接在N沟道MOS管Q1的栅极上；在所述第二分压电路的电阻R3、电阻R4之间的分压节点与本安电源的负极端之间接有稳压管D1。
6.根据权利要求5所述的本安电源短路保护电路，其特征在于，所述预夹断控制电路包括：由电阻R8和电阻R10串联组成的正分压电路，由电阻R6和电阻R7串联组成的负分压电路，以及由运放IC3构成的第三比较电路；所述负分压电路的一端与本安电源的正极端相接，所述负分压电路的另一端与所述正分压电路的一端共接在电阻R11与N沟道MOS管Q1的源极之间的节点上，所述正分压电路的另一端接上述保护电路的负极输出端；所述运放IC3的正极输入端连接在所述正分压电路的分压节点上，所述运放IC3的负极输入端连接在所述负分压电路的分压节点上，所述运放IC3的输出端经电阻R9连接在N沟道MOS管Q1的栅极上。
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