CN111555636B - 本安电压接力延长装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种本安电压接力延长装置，是由本安电源、本安电压延长器和传输电缆组成，主要针对本安电源连接长距离传输电缆且对本安电压升压时，出现开关电源启动电流大导致本安电源易产生过流保护，以及开关电源和电缆的电感会影响本安火花性能的问题。其特点是本安电源内增加了两个针对开关电源的电感和启动电流的功能模块，而本安电压延长器（其输入输出电压都是本安电压）兼有在线供电和备用供电两种模式（优先使用在线供电模式），且可以根据负载耗电情况分电压等级调整其输出的本安电压范围，以及开关电源升压完成后再接通负载的工作方式，使本延长装置在***性环境的任何场合中都可以有效地提高传输电缆末端本安电压。

Description

本安电压接力延长装置

技术领域

本发明涉及一种本安电压接力延长装置，更具体的说，是涉及用于***性环境下由本安电源和本安电压延长器以及传输电缆共同组成的一种本安电压接力延长装置。

背景技术

在煤矿安全监控***中，本安电源是很重要的设备，其中18V本安电压是比较通用的本安电源输出电压。18V电压远距离传输3km后，如果末端带载达到300mA时，传输电缆上的压降可能会达到12V以上，导致3km末端只有不到6V的电压，6V电压值已经不足以使传感器类型的负载设备正常工作了。所以有必要采取一定的措施来降低传输电缆上的压降影响，使18V本安电压远距离传输后，总线末端还有足够的电压值，能维持该位置的负载设备正常工作。

通常的解决办法是：1、研发输出电压较高的本安电源，如24V本安电源；2、降低每公里电缆的阻值；3、缩短本安电源所传输的电缆长度。第2种是经常采用的，但会导致电缆很粗，不但增加了成本而且会增加安装和使用上的困难。选择第3种方法的也很多，但基本都是通过增加供电电源的数量来完成负载设备的安装。第1种方法用的也不少，其缺点是24V本安电源通常都会和非本安电源放一起，而非本安电源通常需要接入127V或660V等交流电压，所以使用灵活性较差。而且24V本安电源一般输出电流较小，所能带的负载设备数量仍然不能满足煤矿生产要求。

本发明的目的是为了克服现有技术中本安电压远距离传输的不足，提供一种本安电源通过传输电缆供电时延长供电距离的装置，能应用到煤矿、非煤矿井、石油化工等***性环境下任何场合中的本安电路，涉及本安电压通过传输电缆传输几公里后，因传输电缆上的压降影响大，导致传输电缆末端电压严重不足以致在传输电缆末端所接用电设备不能可靠运行的情况，可以使用本延长装置提高本安电压，使传输电缆末端的传感器类型负载设备更稳定可靠地运行，也提高了本安电源的带载能力。

但是，本安电源输出端通过电缆接上开关电源来升压不一定能实现提高本安电压的目的。按照相关的国家标准要求，本安电源必须具备过流保护和过压保护，而且其输出的火花能量必须通得过火花测试。若本安电源输出端接上一段长距离电缆（如1到2公里长），然后再接上一个开关电源，可能会出现下面两种情况：

1、开关电源起动电流通常比较大，在启动瞬间，很可能其启动冲击电流大于本安电源的过流保护值，导致本安电源会启动过流保护。过流保护的延时通常小于1秒，但一般不会很短。因为过流保护延时若一直保持很短的时间间隔，可能会使火花能量得不到充分的泄放，以致不断积聚，从而难以满足本安的要求。而且本安电路很难允许有较大的电容、电感，所以，若本安电源输出端有几百毫秒的过流保护延时，由本安电源供电的负载通常都会失电，除非该负载有备用电池；

2、电缆和开关电源都是有电感的，而电感中电流的通断会产生很强的火花能量，会对本安电源的火花性能产生很大影响，而且线路中电感越大就越可能导致本安电源难以通过本安火花测试。

所以，以“本安电源 + 一段长距离的电缆（如1到2公里长）+ 开关电源”的连接方式，如果能顺利启动并且实现本安电压的提高，就需要特殊的技术方案。

发明内容

本发明的目的就是针对本安电源通过传输电缆长距离传输并且通过提高电压增强本安电源的带载能力时，开关电源启动电流大导致本安电源易产生过流保护以及开关电源和电缆的电感会影响本安火花性能的问题，提供一种能应用到***性环境下任何场合的本安电压接力延长装置，是由本安电源和本安电压延长器以及传输电缆共同组成。其中本安电源除了包含过压保护、过流保护这两个必须的模块外，还需要增加两个特殊的功能模块：电感脉冲敏感检测模块和次数累加计次延时模块；本安电压延长器的输入电压和输出电压都是本安电压，而且兼有在线供电模式和备用供电模式，并且可以根据负载耗电情况分电压等级调整变化其输出电压范围（都是本安电压），如24V、18V和15V这样比较通用的输出电压等级，以及特殊要求下的特定电压范围等级（由于本安电源的特殊性，通常见到的本安电源只有一个不能变化的输出电压范围）。

本发明提供的本安电压接力延长装置，采用如下技术方案：

一种本安电压接力延长装置，包括本安电源和与其输入端相连的非本安电源，本安电源输出的本安电压通过第一传输电缆为本安电压延长器提供输入电压，本安电压延长器输出的本安电压为第二传输电缆和传感器类型的负载供电；

其特征在于：

所述本安电源包含依次串联的电感脉冲敏感检测模块和次数累加计次延时模块；

所述本安电压延长器由依次串联的本安电压备用供电电路、备用供电输出开关和本安电压在线供电电路并联组成，所述本安电压在线供电电路和所述本安电压备用供电电路二者的输入端口相连接并与所述本安电压延长器的输入端Vin连接，所述备用供电输出开关输出端与所述本安电压在线供电电路输出端相连接并与所述本安电压延长器的输出端Vout连接，所述本安电压备用供电电路由依次串联的本安电压变压电路和本安电压处理电路组成，其输出端与所述备用供电输出开关连接。

非本安电源由127~660V供电后输出非本安电压，本安电源输出本安电压为Vs，本安电压延长器输入端的本安电压值为Vin，本安电压延长器输出端的本安电压为Vout，接第二传输电缆和传感器类型的负载。

所述本安电源除了包含本安电源必备功能模块（如过压保护、过流保护模块）外，还包括依次串联的电感脉冲敏感检测模块和次数累加计次延时模块。

所述电感脉冲敏感检测模块包括定向耦合器PWU1、电阻PWR1、电阻PWR2、电阻PWR3、电阻PWR4、N沟道场效应管PWQ1、电容PWC1、电感PWL1和高速施密特触发器PWU2，其中定向耦合器通过电阻PWR1和场效应管PWQ1的栅极相连，场效应管PWQ1的栅极通过电阻PWR2接地并且通过电阻PWR4与+5V连接，场效应管PWQ1的源极接地，场效应管PWQ1的漏极通过电阻PWR3与+5V电压相连接，场效应管PWQ1的漏极通过电感PWL1与高速施密特触发器PWU2的1脚相连接，电容PWC1连接场效应管PWQ1的漏极和地，高速施密特触发器PWU2将波形调整成数字信号后通过2脚输出到次数累加计次延时模块（元件编号前缀PW意指该元件属于本安电源）。

所述次数累加计次延时模块由单片机编程实现，包括三个定时器和一个次数累加器。

所述本安电压延长器由依次串联的本安电压变压电路、本安电压处理电路、备用供电输出开关，再和本安电压在线供电电路并联组成，其中本安电压变压电路、本安电压处理电路合起来组成本安电压备用供电电路，本安电压在线供电电路、本安电压备用供电电路二者的输入端口相连接并与本安电压延长器的输入端Vin连接，本安电压备用供电电路输出端Vo与备用供电输出开关输入端相连，备用供电输出开关输出端与本安电压在线供电电路输出端相连接并与本安电压延长器的输出端Vout连接。

所述Vin是本安电压，其电压范围大于或等于10V，且小于或等于24V；

所述Vout也是本安电压，其电压范围大于10V，且小于或等于50V，默认电压等级为18±0.9V，还可以有比较通用的24±1.2V和15V±0.75V这样的电压范围等级，以及特殊要求下的特定电压范围等级。例如在本安电压备用供电电路启动后，Vin和Vo都不稳定且乱跳的情况下，Vout会调低到15V±0.75V这个电压范围。

所述备用供电输出开关用于Vo和Vout的导通或关断，包括P沟道的场效应管Q4，其源极接Vo，其漏极接二极管D2的正极，其栅极与单片机输出控制信号CTR2连接，二极管D2负极与Q3的漏极相连接到Vout。

所述本安电压在线供电电路包括P沟道的场效应管Q3，其源极接Vin，其漏极与二极管D2的负极相连接并与Vout相连接，其栅极与单片机输出控制信号CTR1连接。

所述本安电压备用供电电路包括本安电压变压电路、本安电压处理电路，其中本安电压变压电路输入端接Vin，其输出端(其输出电压是Vox)接本安电压处理电路的输入端，本安电压处理电路的输出端接备用供电输出开关输入端，本安电压变压电路的电压测量及控制信号由单片机提供，本安电压备用供电电路输出端也是本安电压处理电路的输出端，其输出电压是本安电压Vo。

所述本安电压变压电路用于将接入的Vin进行升压处理，其芯片U1选用LM5022，与U1相连接的元器件是LM5022标准配置电路。场效应管Q1是LM5022标准配置电路中的开关管，场效应管Q2是控制U1启动或停止工作的开关管，场效应管Q5是控制Vin是否接入升压电路的开关管。Rfb1是数字电位器，通过CTR5、CTR6、CTR7控制开关升压电路的输出电压，同时也调整了Vo的电压值。

所述本安电压处理电路用于将本安电压变压电路输出的已经升高的电压转换成本安电压Vo，所述本安电压处理电路包含过流保护电路、过压保护电路；所述过流保护电路用于保证电压输出端口的输出电流超过设定值时执行过流保护；所述过压保护电路用于保证电压输出端口的输出电压超过设定值时执行过压保护。

本发明的技术方案具有以下特点：

（1）因为通常开关电源启动时启动冲击电流比较大，启动电流的尖峰往往会引发本安电源过流保护，以致可能出现如下情况：

为提高电压启动开关电源→本安电源产生过流保护→本安电源输出端会有几百毫秒时长的低电压→开关电源启动电压太低导致启动不起来→本安电源输出端恢复正常电压→开关电源再次启动→重复上述循环。

而本发明通过以下措施来应对上述开关电源启动电流大的问题：

i．采用大过流保护值的本安电源，其过流保护值是1A，而选择的开关电源其启动电流尖峰值在1A以下，因此启动时不会引发本安电源的过流保护；

ii．选择启动电流小、有软启动功能且可以设置软启动时间的开关升压电源；

iii．在本安电源上增加了次数累加计次延时模块，能有效规避开关电源启动时启动冲击电流大导致的问题：

如果在开关电源启动时因其启动电流超过了本安电源过流保护值，本安电源通常会立即执行过流保护动作，但在第一次发生过流保护时，本安电源输出端的延时间隔设定为短延时，第二次及第二次以后的发生过流保护延时改为长延时。当在预先设定的时间间隔里，如30秒钟内发生了第一次过流保护，因为是第一次过流保护，在此之前没有能量积聚等因素，所以即使延时短也不容易影响火花性能，同时有一定延时又能在一定程度上释放火花能量，减少火花能量积聚。在短延时的时长合适的情况下，电缆及开关电源的电感、电容储存的能量还没有被完全释放，使开关电源启动过程中时不容易断电；但若发生第二次过流保护，则必须执行长延时，将这些电感、电容内储存的能量释放掉。

上述的次数累加在刚开始时以10秒为一个周期，若10秒之内只发生过一次过流保护，则10秒之后会令10秒定时器及次数累加器都复位，再此之后若又发生过流保护，按第一次开始计；若在10秒之内发生了两次或两次以上的过流保护，则从第二次开始，每发生一次过流保护，10秒延时会增加5秒，变成15秒。即发生三次过流保护，则该周期变成了20秒，第四次依此类推。这样的次数累加和定时规则是为了在出现多次过流保护时能更可靠地保证火花能量能充分释放，进而确保本安电源能安全稳定地运行。

（2）因为开关升压电源和电缆都是有一定电感的，若电感中的电流频繁通断，就会出现高频脉冲，很有可能会引起火花能量积聚，影响本安电路的火花性能。

为此本发明采取了以下措施来应对电感影响本安火花性能的问题：

i．在本安电源内增加了电感脉冲敏感检测模块；

电感脉冲敏感检测模块能非常快速地检测到本安输出端出现的高频脉冲，使本安电源能及时地执行过流保护，关断输出端电流电压并进行短延时或长延时，从而泄放因电感带来的能量积聚，进而降低火花能量，满足本安的火花测试要求。

ii．避免开关电源频繁启动。开关电源的频繁启动容易引起整个回路中电流反复通断，导致火花能量积聚；并且在电压不稳定时，启动开关电源会导致工作电压更加波动，甚至会使整个装置处于瘫痪状态。为了防止这种情况出现，本发明提出了以下应对措施：

a. 在预先设定的时间间隔里，只启动一次。

在本安电压延长器的备用供电模式中，采用预先设定的时间间隔里，如预先设定的时间间隔为1分钟，则在此时间间隔内开关电源只启动一次，若启动不成功，等待本安电压延长器输入端的本安电压Vin稳定后再启动。

b. 采用先不给负载供电方式。

在本安电压延长器的备用供电模式中，采用先不为负载供电，而是先启动开关电源，等待升压完成且本安电压延长器备用供电电路输出的本安电压Vo稳定以后再接通负载的工作方式。

c. 采用数字控制来实现Vout缓启动上升。

在本安电压延长器的备用供电模式中，当本安电压延长器备用供电电路输出的本安电压Vo开始为负载供电时，采用数字控制方式来实现缓启动上升方式，如1秒内从10V上升到18V。Vout采用缓启动上升方式一方面能避免出现负载上电压骤变导致负载电流也骤升，以致Vin出现快速下降，甚至其最低电压低于开关电源输入电压的最低限，导致开关电源不能正常升压等问题；另一方面也能防止Vo输出到Vout时，在线供电模式的通路还没完全断开，出现供电不正常的情况。

d．本安电压延长器采用变输出电压范围方式。

在本安电压延长器的备用供电模式中，因为采用的是数字控制方式来实现缓启动上升方式，若在电压上升过程中，出现Vin和Vout不稳定乱跳的情况，则将Vout会调低到15V±0.75V这个电压范围。降低输出电压Vout会使负载上的功耗下降，会使Vin的下降幅度比Vout=18V时小，从而在一定程度上能使本安电压延长器备用供电电路更稳定地工作。

（3）在本安电压延长器中采用在线供电模式和备用供电模式，优先使用在线供电模式，从而进一步规避上述情况（1）和情况（2）对整个装置性能的影响。

上述这些措施不仅能有效检测到电感的高频脉冲，而且能有效地避免开关电源频繁启动的问题，减少火花能量积聚，确保本安电路安全的同时，又增加整个装置的可靠性稳定性，从而确保本安电压远距离传输得以实现。

附图说明

图1是本发明本安电压接力延长装置的原理框图；

图2是图1中本安电源内的电感脉冲敏感检测模块和次数累加计次延时模块的原理流程框图；

图3是图1中电感脉冲敏感检测模块中定向耦合器的示意图；

图4是图1中电感脉冲敏感检测模块的电路原理图；

图5是图1本安电压延长器电路的原理框图；

图6是图5中本安电压延长器的控制逻辑图；

图7是图1中本安电压处理电路的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明提供的本安电压接力延长装置，其组成包括非本安电源、本安电源、第一传输电缆、本安电压延长器，非本安电源与本安电源输入端相连接，本安电源输出端连接第一传输电缆，第一传输电缆的末端连接本安电压延长器输入端，本安电压延长器输出端接第二传输电缆起始端。所述本安电源不仅包括必须的功能模块(过压保护、过流保护)，还包括两个特殊的功能模块(电感脉冲敏感检测模块和次数累加计次延时模块)。本安电压延长器中的本安电压在线供电电路、本安电压备用供电电路二者的输入端口相连接并接到第一传输电缆的末端，本安电压备用供电电路输出端与备用供电输出开关输入端相连，备用供电输出开关输出端与本安电压在线供电电路输出端相连接并接到第二传输电缆的起始端，第二传输电缆上接传感器类型负载。其中本安电压备用供电电路包括本安电压变压电路、本安电压处理电路，本安电压变压电路输入端即本安电压备用供电电路输入端，其输出端接本安电压处理电路的输入端，本安电压处理电路的输出端即本安电压备用供电电路输出端。

所述非本安电源由127~660V供电后输出非本安电压，接到本安电源输入端，本安电源输出端输出本安电压Vs，经由第一传输电缆接到本安电压延长器输入端，其电压值为Vin（仍是本安电压）。因第一传输电缆（尤其在电缆比较长的情况下）上会有电压降，因此Vin通常小于Vs。本安电压延长器输出端输出的本安电压为Vout，其中本安电压备用供电电路的输出端电压为本安电压Vo，本安电压处理电路的输入端的电压为Vox（Vox不是本安电压）。

如图2，本安电源输出端电压Vs与电感脉冲敏感检测模块相连接，电感脉冲敏感检测模块输出信号接单片机中的次数累加器和定时器2，次数累加器的次数为第一次，则输出到定时器1，并与执行过流保护模块连接，定时器1输出短延时，延时结束后执行过流保护模块输出一个信号给定时器2；若次数累计器累计≥第二次，则输出到定时器3，并与执行过流保护模块连接，定时器3输出长延时，延时结束后执行过流保护模块也会输出一个信号给定时器2。定时器2定时结束会输出复位信号给次数累加器、定时器3和定时器1。

图3是电感脉冲敏感检测模块选用的定向耦合器型式，包括低通L-C支线型耦合器和平行线型耦合器两种。

如图4所示，电感脉冲经定向耦合器PWU1耦合隔离后通过电阻PWR1传送到场效应管PWQ1的栅极，场效应管PWQ1的漏极输出幅值衰减后的脉冲，经电容PWC1、电感PWL1滤波后，频率较低的脉冲输入到施密特触发器PWU2的1脚，经施密特触发器PWU2进行波形整形后经2脚输出数字信号到次数累加计次延时模块。

如图5所示，本安电压Vin同时接场效应管Q3的源极和D3的正极，场效应管Q3的栅极接CTR1，Vout同时接场效应管Q3的漏极和二极管D2的负极，场效应管Q4的源极接本安电压处理电路输出的本安电压Vo，场效应管Q4的D接二极管D2正极。场效应管Q3为本安电压在线供电电路；场效应管Q4和二极管D2组成备用供电输出开关。

本安电压变压电路包括二极管D3、场效应管Q5、场效应管Q2、变压控制器U1及U1的配置电路，其中二极管D3的负极接场效应管Q5的源极，二极管D3正极接Vin；场效应管Q5的漏极接U1的1脚VIN，栅极接CTR3；U1的9脚RT和1脚VIN之间串联有电阻Rt和电容Cinx、Cin；U1的7脚UVLO和1脚VIN之间连接有电阻Ruv2，且7脚UVLO 经电阻Ruv1接地；场效应管Q2的漏极接U1的7脚UVLO，场效应管Q2的源极接地，场效应管Q2的栅极接CTR4并经电阻Rx1接地；U1的10脚SS经电容Css接地；U1的3脚COMP和2脚FB之间连接有电容Ccomp2，电容Ccomp2两端之间并联有相互串联的电阻Rcomp和电容Ccomp；U1的5脚OUT连接场效应管Q1的栅极G，U1的1脚Vin和场效应管Q1的漏极D 之间连接有电感L1；U1的8脚CS和场效应管Q1的源极S 之间串联有电阻Rs1和电阻Rs2，场效应管Q1的源极S经电阻Rsns接地，电阻Rs1和电阻Rs2之间分支连接有与GND相连的电容Ccs；U1的6脚GND接地，U1的4脚VCC经电容Cbyp接地。场效应管Q1的漏极D和本安电压处理电路输入端之间连接有二极管D1，二极管D1和本安电压处理电路输入端之间（该位置的Net Label为Vox）分支连接有电容Cout、电容C11和电阻Rfb2，电容Cout和电容C11均接地，电阻Rfb2和电阻Rfb0相连并与U1的2脚FB相连接，电阻Rfb0经数字电位器Rfb1接地。

如图6，本安电压延长器的单片机需要测量Vin、Vout、Vo，输出控制信号CTR1、CTR2、CTR3、CTR4、CTR5、CTR6、CTR7，以及30秒、1分钟定时器的启动和输出，来判断本安电压延长器各部分电路的运行状态和负载的耗电情况。

如图7所示，本安电压处理电路包括三极管U1、三极管U2和场效应管U3，U1和U2是PNP功率管，U1和U2的端口Vin均对应发射极E，U1和U2的端口Vout均对应集电极C，U1和U2的端口ADJ均对应基极B，场效应管U3的端口Vin对应漏极，场效应管U3的端口Vout对应源极S，场效应管U3的端口ADJ对应栅极G。三极管U1的端口Vin连接本安电压变压电路的输出端Vox，U1的端口Vout连接U2的端口Vin，U1的端口ADJ经电阻R2连接达林顿三极管BG1的集电极，达林顿三极管BG1的基极经电阻R1连接三极管U1的端口Vin，达林顿三极管BG1的发射极分别连接电容C1和电阻R3，电容C1与三极管U1的端口Vout连接，电阻R3接地GND。三极管U2的端口Vout连接场效应管U3的端口Vin，三极管U2的端口ADJ经电阻R5连接达林顿三极管BG2集电极，达林顿三极管BG2基极经电阻R4连接三极管U2的端口Vin，达林顿三极管BG2发射极分别连接电容C2和电阻R6，电容C2连接三极管U2的端口Vout，电阻R6接地GND。

场效应管U3的端口Vout经电阻R15、二极管D6连接三极管U1的端口Vin，场效应管U3的端口ADJ分别连接有电阻R7、电阻R8、三极管BG5集电极和三极管BG6集电极。电阻R7经电容C3连接场效应管U3的端口Vin。电阻R8分别连接恒流二极管DH和三极管BG3集电极，恒流二极管DH连接三极管U1的端口Vin；三极管BG3发射极接地GND，三极管BG3基极经电阻R11连接三极管D2发射极，三极管D2基极和集电极均经电阻R14接地GND，三极管D2发射极经串联的电容C4、电阻R10、电阻R15连接场效应管U3的端口Vout；三极管BG3集电极连接三极管BG4集电极，三极管BG4发射极接地GND，三极管BG4基极经电阻R13连接三极管D3发射极，三极管D3基极和集电极均接地GND，三极管D3发射极经串联的电容C5、电阻R12、电阻R15连接场效应管U3的端口Vout。三极管BG5发射极经电阻R15连接场效应管U3的端口Vout，三极管BG5基极分别连接电位器W1和电阻R16，电位器W1连接场效应管U3的端口Vout，电阻R16接地GND。三极管BG6发射极经电阻R15连接场效应管U3的端口Vout，三极管BG6基极分别连接电位器W2和电阻R17，电位器W2连接场效应管U3的端口Vout，电阻R17接地GND。

三极管BG3集电极经相互串联的电阻R9、二极管D4连接三极管BG7集电极，三极管BG7集电极还连接有电容C6，电容C6分别连接电位器W3、电阻R18、电阻R19和电阻R20，电位器W3经电阻R21、电阻R15连接场效应管U3的端口Vout，电阻R18、电阻R19和电阻R20均接地GND。三极管BG7基极经电阻R21、电阻R15连接场效应管U3的端口Vout，三极管BG7发射极分别连接二极管D5和电阻R22，二极管D5接地GND，电阻R22经电阻R15连接场效应管U3的端口Vout。

场效应管U3的端口Vout经电阻R15分别连接二极管D9、二极管D10、电阻R27，二极管D9经二极管D7、电阻R23接地GND，二极管D10经二极管D8、电阻R25接地GND，电阻R27经电容C9接地GND。电阻R23两端并联有相互串联的电阻R24和电容C7，电阻R25两端并联有相互串联的电阻R26和电容C8。

达林顿三极管BG1基极连接晶闸管SCR1的A极，晶闸管SCR1的K极接地GND，晶闸管SCR1的J极连接至电阻R24和电容C7之间。达林顿三极管BG2基极连接晶闸管SCR2的A极，晶闸管SCR2的K极接地GND，晶闸管SCR2的J极连接至电阻R26和电容C8之间。

本发明所述的本安电压接力延长装置具体工作过程如下：

如图1，非本安电源输出非本安电压，经由本安电源输出本安电压Vs，Vs经第一传输电缆长距离传输后本安电压值变为Vin，Vin给本安电压延长器供电，本安电压延长器通过在线供电模式或备用供电模式输出本安电压Vout，通过第二传输电缆为连接在第二传输电缆上的负载供电。

如图2，在本安电源中，若本安电源输出端电压Vs上出现电感脉冲，经过电感脉冲敏感检测模块的隔离耦合以及对脉冲进行滤波整形后，变成单片机可读的方波信号，单片机收到该信号后启动次数累加器和定时器2，若次数累加器中的次数为第一次，则启动定时器1并立即执行过流保护，定时器1是短延时，定时器1的延时结束后，过流保护输出一个信号给定时器2，此时定时器2的延时为10秒（从定时器2启动时开始计时）。若10秒之内没有第二次过流保护发生，则10秒结束后定时器2输出复位信号，使定时器3、次数累加器清零。当10秒之内在Vs上第二次出现电感脉冲时，经脉冲滤波整形后，输入到次数累计器，次数累计器累计为第二次，随之启动定时器3并立即执行过流保护，定时器3是长延时，定时器3的延时结束后，过流保护同样会输出一个信号给定时器2，使定时器2的延时延长5秒。

若10秒之内有第二次及第二次以上的过流保护发生，则每执行一次过流保护，定时器2的延时延长5秒。即发生两次过流保护，则定时器2的延时变成了15秒；发生三次过流保护，则定时器2的延时变成了20秒，依此类推。在定时器2的延时结束后，若Vs上出现电感脉冲时，在次数累加器上按第一次开始计，定时器2也从零开始定时。

如图5、图6所示，在本安电压延长器中，默认情况下，场效应管Q3导通，场效应管Q4截止，Vin通过场效应管Q3输出，其电压即Vout，此即在线供电模式。本安电压变压电路和本安电压处理电路合起来称为本安电压备用供电电路，若Vin通过本安电压备用供电电路、备用供电输出开关输出本安电压Vout，并且令场效应管Q3截止，此为备用供电模式。

若Vin≥14V且 Vout≥14V并且二者测量值稳定时，继续保持Q3导通；否则，若10V≤Vin<14V且 10V≤Vout <14V并且二者测量值稳定不乱跳时，单片机控制CTR3输出低电平且令CTR4也输出低电平，启动本安电压变压电路。

在本安电压变压电路中，本安电压Vin电压范围设定在10-24V。U1通过控制场效应管Q1的通断，以及电感L、二极管D1及其它元件的共同作用，来实现本安电压变压。单片机通过控制CTR5、CTR6、CTR7调节数字电位器Rfb1的阻值，可以调节本安电压变压电路输出电压Vox的大小，从而可以使本安电压处理电路的输出电压Vo实现10V到18V的缓启动上升方式，缓启动上升时间可预置，如设定为1秒内从10V上升到18V。本安电压Vout稳定工作时的电压波动范围默认是18±0.9V。

在本安电压延长器中，首先需要保证单片机运行正常，然后单片机测量Vin、Vout，若Vin、Vout测量值稳定不乱跳并且二者的测量值都≥14V，则继续保持在线供电模式，即保持CTR1低电平使Q3导通，保持CTR2高电平、CTR3高电平、CTR4高电平，CTR7高电平。若Vin、Vout测量值稳定不乱跳1分钟并且二者的测量值在10-14V之间，则先令CTR3为低电平，使Q5导通，再令CTR4为低电平，使Q2截止，启动本安电压变压电路和本安电压处理电路，使Vo =18.3V(Vout约等于Vo - 0.3V，0.3V为二极管D2的压降，场效应管Q2的压降几乎为0 )。此时若Vin、Vo测量值稳定不乱跳30秒以上并且Vo的测量值在18.3±0.9V时，令CTR3、CTR4继续保持低电平，再令CTR1为高电平、CTR2为低电平，使Q3截止，Q4导通，并且控制CTR5、CTR6、CTR7调节数字电位器Rfb1的阻值，使Vo在1秒钟之内从10V上升到18V，在这1秒之内，同时监测Vin、Vout测量值是否稳定不乱跳，时间间隔是30秒。若出现Vin和Vout不稳定乱跳的情况，进行30秒延时且同时监测Vin和Vout的稳定情况，若30秒延时内测量值稳定则Vout保持18V范围且循环监测Vin、Vout、Vo；若测量值不稳定，则将Vout会调低到15V±0.75V这个电压范围，仍然监测Vin、Vout测量值是否稳定不乱跳，时间间隔是30秒，若Vin、Vout测量值稳定则在15V±0.75V范围循环监测Vin、Vout、Vo，若Vin和Vout仍然不稳定乱跳，则进行30秒延时且继续监测Vin和Vout的稳定情况，若30秒延时内，Vin和Vout确实不稳定乱跳，则切换到在线供电模式，关闭备用供电模式，即令CTR1低电平、CTR2高电平、CTR3高电平、CTR4高电平，此时单片机继续测量Vin、Vout。

如图7，所述本安电压处理电路包含过流保护电路、过压保护电路。所述过流保护电路用于保证电压输出端口的输出电流超过设定值时执行过流保护。所述过压保护电路用于保证电压输出端口的输出电压超过设定值时执行过压保护。

其中，场效应管U3、电阻R15、电位器W1、电位器W2、三极管BG5和三极管BG6构成过流保护电路。电位器W1或电位器W2与电阻R15上的压降达到三极管BG5或三极管BG6导通时，三极管BG5或三极管BG6导通，使场效应管U3的控制极电压下降，通过场效应管U3的电流会降低，从而实现过流保护功能。

三极管U1、三极管U2、达林顿三极管BG1、达林顿三极管BG2、晶闸管SCR1、晶闸管SCR2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电容C1、电容C2、电容C7、电容C8、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10构成过压保护电路。二极管D7、二极管D9与三极管U1、达林顿三极管BG1、晶闸管SCR1为一组过压保护，二极管D8、二极管D10与三极管U2、达林顿三极管BG2、晶闸管SCR2为另一组过压保护。当输出电压超过26V时晶闸管SCR1或晶闸管SCR2导通，三极管U1或三极管U2关断，实现过压保护功能。

恒流二极管DH、三极管BG3、三极管BG4、三极管D2、三极管D3、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C4、电容C5构成能量抑制电路。输出电压Vo通过电阻R10、电容C4和电阻R12、电容C5与三极管BG3、三极管BG4相连。当Vo输出的能量增大，会通过电阻R10、电容C4或电阻R12、电容C5使三极管BG3或三极管BG4导通，从而本安输出能量降下来。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种本安电压接力延长装置，包括本安电源和与其输入端相连的非本安电源以及本安电压延长器，本安电源输出的本安电压通过第一传输电缆为本安电压延长器提供输入电压，本安电压延长器输出的本安电压为第二传输电缆和传感器供电；

其特征在于：

所述本安电源包含依次串联的电感脉冲敏感检测模块和次数累加计次延时模块；

所述本安电压延长器由依次串联的本安电压备用供电电路、备用供电输出开关和本安电压在线供电电路并联组成，所述本安电压在线供电电路和所述本安电压备用供电电路二者的输入端口相连接并与所述本安电压延长器的输入端Vin连接，所述备用供电输出开关输出端与所述本安电压在线供电电路输出端相连接并与所述本安电压延长器的输出端Vout连接。

2.根据权利要求1所述的本安电压接力延长装置，其特征在于：所述电感脉冲敏感检测模块包括定向耦合器PWU1、电阻PWR1、电阻PWR2、电阻PWR3、电阻PWR4、N沟道场效应管PWQ1、电容PWC1、电感PWL1和高速施密特触发器PWU2，其中定向耦合器通过电阻PWR1和场效应管PWQ1的栅极相连，场效应管PWQ1的栅极通过电阻PWR2接地并且通过电阻PWR4与+5V连接，场效应管PWQ1的源极接地，场效应管PWQ1的漏极通过电阻PWR3与+5V电压相连接，场效应管PWQ1的漏极通过电感PWL1与高速施密特触发器PWU2的1脚相连接，电容PWC1连接场效应管PWQ1的漏极和地，高速施密特触发器PWU2的2脚接次数累加计次延时模块；

所述次数累加计次延时模块由单片机编程实现，包括三个定时器和一个次数累加器。

3.根据权利要求1所述的本安电压接力延长装置，其特征在于：所述本安电压备用供电电路由依次串联的本安电压变压电路和本安电压处理电路组成，其输出端与所述备用供电输出开关连接。

4.根据权利要求1所述的本安电压接力延长装置，其特征在于：所述本安电压在线供电电路由P沟道的场效应管Q3组成，其源极接本安电压延长器的输入端Vin，其漏极与本安电压延长器的输出端Vout相连接，其栅极与单片机输出控制信号CTR1连接；单片机通过控制CTR1可以实现在线供电模式的使能或关断。

5.根据权利要求3所述的本安电压接力延长装置，其特征在于：所述备用供电输出开关由P沟道的场效应管Q4和二极管D2组成，场效应管Q4的源极接本安电压处理电路输出电压Vo，其漏极接二极管D2的正极，其栅极与单片机输出控制信号CTR2连接，二极管D2负极连接到本安电压延长器的输出端Vout；单片机通过控制CTR2可以实现先不给负载供电，而是先启动开关电源，等待升压完成且Vo稳定以后再接通负载的工作方式。

6.根据权利要求3所述的本安电压接力延长装置，其特征在于：所述本安电压变压电路包括正向连接的二极管D3、场效应管Q5、场效应管Q2、变压控制器U1及U1的配置电路，其中二极管D3的负极接场效应管Q5的源极，二极管D3正极接Vin；场效应管Q5的漏极接U1的1脚VIN，栅极接CTR3；场效应管Q2的漏极接U1的7脚UVLO，场效应管Q2的源极接地，场效应管Q2的栅极接CTR4并经电阻Rx1接地；U1的5脚OUT连接场效应管Q1的栅极G，U1的1脚Vin和场效应管Q1的漏极之间连接有电感L1；场效应管Q1的源极S经电阻Rsns接地；场效应管Q1的漏极D和本安电压处理电路输入端之间连接有二极管D1，二极管D1和本安电压处理电路输入端之间分支连接有电阻Rfb2，电阻Rfb2和电阻Rfb0相连并与U1的2脚FB相连接，电阻Rfb0经数字电位器Rfb1接地，Rfb1是数字电位器；

单片机通过控制CTR3、CTR4使本安电压变压电路的开关电源在预先设定的时间间隔里，只启动一次，若启动不成功，等待本安电压延长器输入端的本安电压Vin稳定后再启动。

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