CN213637510U - 一种具有高响应的开关控制的电量补偿保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具有高响应的开关控制的电量补偿保护电路。输入电压经过电解电容E1后经过由电阻R1、电阻R2、电容C1以及电压比较器U1组成的电压检测电路和由场效应管Q1、场效应管Q2以及电阻R3、电阻R4所构成开关电路。本实用新型的电量补偿保护电路是连接在安全栅和DC/DC隔离电源模块之间的，可以隔绝DC/DC隔离电源模块在上电启动初期产生的大电流对安全栅的影响，同时具有电量补偿特性，可以保证DC/DC隔离电源模块能够稳定启动，正常工作，保证电气设备***能够正常上电启动，正常工作。

Description

一种具有高响应的开关控制的电量补偿保护电路

技术领域

本实用新型涉及一种具有高响应的开关控制的电量补偿保护电路。

背景技术

电源电路是提供给用电设备电力供应的电源部分的电路设计，电源电路模块的稳定性直接影响整个用电设备***的安全性和稳定性。

在现有的技术中具有远程遥控和可持续短路保护功能的DC/DC隔离电源模块成为通信设备、仪器仪表和工业电子应用中的理想解决方案。为了保证用电设备***的安全性，本安防爆***也是用电设备***中必不可少的一部分。本安防爆技术是从限制能量入手，能够可靠的将仪器仪表的电气线路中的电压和电流限制在一个允许的范围内，确保仪表仪器等电气设备在正常工作或者发生短接和元器件损坏等故障情况下产生的电火花和热效应不至于引起周围可能存在的危险气体发生***。

通常采用安全栅与来自0区、1区、2区的认证为IIC、IIB、IIA的各种本案仪表组成本安防爆***。

但是由于安全栅具有电流越大压降越大的特点，同时DC/DC隔离电源模块在上电启动初期会产生大电流的特性。因此如果安全栅和DC/DC隔离电源模块使用不当的话，会使二者相互影响，DC/DC隔离电源模块上电初期的大电流会导致安全栅压降过大，安全栅压降过大之后导致电路电压过小而无法正常启动DC/DC隔离电源模块，电气设备无法正常工作。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种具有高响应的开关控制的电量补偿保护电路的技术方案。

所述的一种具有高响应的开关控制的电量补偿保护电路，其特征在于：输入电压通过输入接口连接到电气设备***中，输入电压首先经过电解电容E1，电解电容E1正极连接输入接口、电阻R2一端、电阻R3一端和场效应管Q1的源极，电解电容E1负极接地，电阻R2的另一端连接电阻R1一端、去耦电容C1一端和电压比较器U1 的输入端2脚，电阻R1的另一端、去耦电容C1的另一端接地，电压比较器U1的接地端3脚接地，电压比较器U1的输出端1脚连接电阻R4一端，电阻R4另一端连接场效应管Q2的栅极，场效应管Q2的漏极连接电阻R3的另一端和场效应管Q1的栅极G，场效应管Q2的源极接地，场效应管Q1的漏极接输出接口。

所述一种包括电量补偿保护电路的电源控制电路，其特征在于包括安全栅、电量补偿保护电路和DC/DC隔离电源模块，所述电量补偿保护电路设置在安全栅和DC/DC隔离电源模块之间。

所述的电源控制电路，其特征在于：外接输入电源接过安全栅后经过TVS瞬态二极管Z1、肖特基二极管D1、稳压二极管Z2能够直接供给DC/DC隔离电源模块。

所述的电源控制电路，其特征在于所述DC/DC隔离电源模块的输入输出端外接电容E2、电容E3、电容E4、电容E5、电容C2和稳压二极管Z3。

本实用新型的优点：

1、安全性高：电量补偿保护电路包括了由场效应管组成的具有开关控制特性的控制电路，场效应管具有输入内阻小(0.01~0.1Ω)、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，可作为一个可靠的电子开关，因此能够可靠地控制***电路的导通和截止，进一步保证了***的高安全性；

2、高响应性：电量补偿保护电路也包括了具有电压检测和电压输出的电压检测电路，该电压检测电路可根据一定的电压检测值，实时比较***的实际工作电压，实时控制具有开关控制特性的保护电路的导通和截止，保证***的安全性，实时跟踪***的实际工作电压并控制保护电路，确保了***的高响应性；

3、稳定性好：电量补偿保护电路还包括了具有电路补偿作用，基于电解电容的工作特性，可在***电压过低时实时进行一定电量的补偿；同时本实用新型的具有开关控制的电量补偿保护电路能够保证DC/DC隔离电源模块稳定启动，不至于DC/DC隔离电源模块在启动的初期的大电流烧坏DC/DC隔离电源模块和安全栅，保证***稳定启动，稳定工作。

本实用新型的电量补偿保护电路是连接在安全栅和DC/DC隔离电源模块之间的，可以隔绝DC/DC隔离电源模块在上电启动初期产生的大电流对安全栅的影响，同时具有电量补偿特性，可以保证DC/DC隔离电源模块能够稳定启动，正常工作，保证电气设备***能够正常工作。

附图说明

图1为具有开关控制的电量补偿保护电路；

图2为电源控制电路；

图3为增加电量补偿保护电路后的电源控制电路。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型作进一步说明：

如图1所示：电压通过输入接口连接到电气设备***中，输入电压首先经过电解电容E1，电解电容E1器件在该***电路中不仅是起到稳压作用，更重要的是能存储少部分的电量，当***瞬间需要较大电流时，电解电容E1就可以利用自身放电特性，将自身所存储的电量进行释放，以维持***的正常工作。

经过电解电容E1后经过由电阻R1、电阻R2、电容C1以及电压比较器U1组成的电压检测电路和由场效应管Q1、场效应管Q2以及电阻R3、电阻R4所构成开关电路。

在由电阻R1、电阻R2、电容C1以及电压比较器U1组成的电压检测电路中：电阻R1、电阻R2构成一个分压电路，将输入到该支路的电压按照欧姆定律进行分压。分压值V2作为电压比较器U1的输入比较电压值，可通过调整电阻R1、电阻R2不同阻值，控制不同的电压变量值输入到电压比较器U1中去。去耦电容C1用于稳定分压点V2的电压，减少外界噪声的影响。保证***的稳定性。

电压比较器U1为高精度低功耗电压比较器，主要起电压检测和输出信号两个作用。电压比较器U1有三个端口：接地端、输入端和输出端；当输入电压上升到大于检测电压时，输出电压将等于输入电压；当输入电压下降到低于检测电压时，输出电压将等于低电平。分压电路的分压值V2作为电压比较器件的输入端电压，输出端输入到开关电路作为开关控制电路的控制量。

在由场效应管Q1、场效应管Q2以及电阻R3、电阻R4所构成的开关电路中，当电压检测电路输出端经过电阻R4后连接到场效应管Q2。

当电压检测电路输出端输出的是高电平时，场效应管Q2的栅极G为高电平，源极S和漏极D导通，场效应管Q2为导通状态。此时场效应管Q1的栅极G经过场效应管Q1的导通接地，呈低电平状态，使得场效应管Q1的源极S和漏极D导通，从而整体电路导通，输入到电气设备的电源电压V_IN可通过场效应管Q1的导通而输入到负载。

当电压检测电路输出端输出的是低电平时，场效应管Q2的栅极G为低电平，源极S和漏极D处于截止状态。场效应管Q1的栅极G被电阻R3上拉至高电平，使得场效应管Q1的源极S和漏极D也处于截止状态，输入到电气设备的电源电压V_IN无法输入到负载。整体电路处于截止状态。

通过该电路的工作可以起到由于输入电压V_IN的变化对负载部分起到通断控制的保护。当***处于工作状态时，负载由于意外等原因出现大电流情况时，电解电容E1可以瞬间提供一些电量进行电量补偿，若电量不够，则输入电压V_IN会被拉低，从而导致分压电路V2电压也降低。导致电压检测电路输出低电平，场效应管Q1、场效应管Q2处于截止状态，负载因被断电而停止继续大电流的异常，避免事故发生。一段时间后，输入电压V_IN随着电流的减小而增大，分压电路V2电压也渐渐增大，使得电压检测电路输出高电平，场效应管Q1、场效应管Q2处于导通状态，电路导通，负载重新开始工作。因此该电路可有效起到电量补偿并带有开关控制的***保护。

如图2所示的电源控制电路不采用具有开关控制的电量补偿保护电路，外接输入电源接过齐纳式安全栅P1后经过TVS瞬态二极管Z1和肖特基二极管D1以及稳压二极管Z2的保护后，直接供给DC/DC隔离电源模块。

采用的是具有短路保护、输出可关断、宽输入电压范围的DC/DC隔离电源模块U2，为了进一步减小输入输出纹波，在DC/DC隔离电源模块的输入输出端外接电容E2、电容E3、电容E5和电容C2,可根据实际要求选用合适滤波电容值。

TVS瞬态二极管Z1，当它的两极受到反向瞬态高能量冲击时，能以极快速度将两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。

肖特基二极管D1可起到防止电源正负极反接的作用。

稳压二极管Z2起到保护负载两端的电压在输入电压发生波动时保持不变的特性。

当***外接的12V电压上电后，DC/DC隔离电源模块U2开始工作，但是DC/DC隔离电源模块U2在初期启动的过程中，会出现瞬时大电流的情况，由于齐纳式安全栅P1具有电流越大压降越大的特点，从而会导致输入到DC/DC隔离电源模块U2的电压12V_IN的电压值慢慢减少，当电压减小到比DC/DC隔离电源模块U2的工作电压点还低的时候，DC/DC隔离电源模块U2会出现异常状态，内部线圈近似处于短路状态，使得***中的电流进一步加大。当电流进一步加大时，齐纳式安全栅P1输入输出两端电压也进一步加大，输入到DC/DC隔离电源模块U2的电压12V_IN电压值进一步减小，DC/DC隔离电源模块U2内部线圈短路更加明显，如此便形成正反馈，整个设备无法正常工作，严重时还会损坏齐纳式安全栅P1和DC/DC隔离电源模块U2。

为了保证***能够稳定可靠的工作，如图3所示：本***在图2 的基础上增加了电量补偿保护电路。

将具有开关控制的电量补偿保护电路添加在齐纳式安全栅P1和DC/DC隔离电源模块U2之间。具有开关控制的电量补偿保护电路中的电压检测芯片选用的是R3111H271C型号的电压检测芯片，该芯片的电压检测值Vde为[2.646,2.754]V，当电压检测芯片输入电压上升到大于检测电压时，电压检测芯片输出电压将等于电压检测芯片输入电压；当电压检测芯片输入电压下降到低于检测电压时，电压检测芯片输出电压将等于低电平。

当***外接12V的输入电源时，处于上电初期时，由于补偿电路中电解电容E1的存在，***的输入电压12V_IN给电解电容E1充电，***中由电阻R1、R2组成的分压电路的分压值V2作为电压比较器U1输入值，可根据实际需要控制***所需的电压值选择合适的阻值，控制合适电压值。由于***的输入电压12V_IN初期较小，导致电压比较器U1输入值V2小于电压比较器U1的检测电压Vde，电压比较器U1输出低电平，场效应管Q2的栅极G为低电平，源极S和漏极D处于截止状态。场效应管Q1的栅极G被电阻R3上拉至高电平，使得场效应管Q1的源极S和漏极D也处于截止状态，DC/DC隔离电源模块U2不工作。

随着***的输入电压12V_IN的增大，电解电容E1持续被充电，分压点V2的电压值逐渐大于电压比较器U1的检测电压Vde，电压比较器U1输出高电平，场效应管Q2的栅极G为高电平，源极S和漏极D导通，场效应管Q2为导通状态。此时场效应管Q1的栅极G经过场效应管Q1的导通接地，呈低电平状态，使得场效应管Q1的源极S和漏极D导通，从而整体电路导通，DC/DC隔离电源模块U2开始工作。

DC/DC隔离电源模块U2在初期启动的过程中，会出现瞬间大电流情况，电解电容E1会瞬间释放能量提供电量补偿，当该电量不足以维持DC/DC隔离电源模块U2启动时，***的电流会增大。由于齐纳式安全栅P1具有电流越大压降越大的特点，从而会导致输入到DC/DC隔离电源模块U2的电压12V_IN的电压值慢慢减少，同时分压点V2的电压值也会慢慢减小，当电压比较器U1的输入电压V2小于电压检测电路的检测电压Vde时，电压比较器U1输出低电平，场效应管Q2的栅极G为低电平，源极S和漏极D处于截止状态。场效应管Q1的栅极G被电阻R3上拉至高电平，使得场效应管Q1的源极S和漏极D也处于截止状态，电源电压V_IN无法输入到后续电路。整体电路处于截止状态，断开DC/DC隔离电源模块U2，***停止继续大电流的状况。

由于***的电流减小，齐纳式安全栅P1的压降也在逐渐减小，***的输入电压12V_IN的逐渐增大，电解电容E1又开始充电，当电压比较器U1的输入电压V2逐渐增大，当电压比较器U1的输入电压V2增大到再次大于电压比较器U1的检测电压Vde，电压比较器U1输出高电平，场效应管Q1和场效应管Q2处于导通阶段，DC/DC隔离电源模块U2重新继续工作。

这时，DC/DC隔离电源模块U2可能仍在启动阶段，需要电解电容E1再次放电补偿电量，该电量不足以维持DC/DC隔离电源模块U2启动时，***的电流会增大，电路又会重复截止后再导通。DC/DC隔离电源模块U2又会重复断开和启动。如此循环多次，电解电容E1间断性供电，直至DC/DC隔离电源模块U2度过前期的大电流阶段，开始正常工作，***持续稳定地为后面的负载提供安全可靠的电压支持，整体***开始稳定运行。

在具有开关控制的电量补偿电量的保护下，***可以稳定可靠性的启动并工作。

Claims (4)

1.一种具有高响应的开关控制的电量补偿保护电路，其特征在于：输入电压通过输入接口连接到电气设备***中，输入电压首先经过电解电容E1，电解电容E1正极连接输入接口、电阻R2一端、电阻R3一端和场效应管Q1的源极，电解电容E1负极接地，电阻R2的另一端连接电阻R1一端、去耦电容C1一端和电压比较器U1 的输入端2脚，电阻R1的另一端、去耦电容C1的另一端接地，电压比较器U1的接地端3脚接地，电压比较器U1的输出端1脚连接电阻R4一端，电阻R4另一端连接场效应管Q2的栅极，场效应管Q2的漏极连接电阻R3的另一端和场效应管Q1的栅极G，场效应管Q2的源极接地，场效应管Q1的漏极接输出接口。

2.一种包括权利要求1所述电量补偿保护电路的电源控制电路，其特征在于包括安全栅、电量补偿保护电路和DC/DC隔离电源模块，所述电量补偿保护电路设置在安全栅和DC/DC隔离电源模块之间。

3.根据权利要求2所述的电源控制电路，其特征在于：外接输入电源接过安全栅后经过TVS瞬态二极管Z1、肖特基二极管D1、稳压二极管Z2能够直接供给DC/DC隔离电源模块。

4.根据权利要求2所述的电源控制电路，其特征在于所述DC/DC隔离电源模块的输入输出端外接电容E2、电容E3、电容E4、电容E5、电容C2和稳压二极管Z3。

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