郭 銳，李 虹，韋曉璐

(太原科技大學電子信息工程學院，太原 030024)

隨著我國工業(yè)生產(chǎn)安全性指標的不斷提高，電源的過壓、過流、短路保護等要求也隨之提高；同時，煤礦等作業(yè)的快速和高效發(fā)展，危險環(huán)境下的特殊安全保護也越來越受到國家的重視。以煤礦用本質(zhì)安全電路為例，如何有效抑制短路發(fā)生時的火花能量，保證火花熱效應能量在安全閾值范圍內(nèi)，以確保不引爆異常情況下瓦斯等(CO、CH4、S)易爆炸性氣體，達到保護煤礦等環(huán)境的安全生產(chǎn)要求[6]。本方案是針對通用12 V、18 V、24 V、36 V的礦用本安電源來詳細地闡述短路保護電路的原理和特點，以及安全環(huán)境下的生產(chǎn)要求。本方案是針對通用12 V、18 V的礦用本安電源來詳細地闡述短路保護電路的原理和特點。

1 系統(tǒng)原理

如圖1所示，在電路干路上(高邊檢測)串入電流檢測采樣電阻Rs和P-MOS開關管。電流檢測電路檢測采樣電阻Rs上流過的電流，并轉變放大成電壓信號，輸出給比較器。比較器通過比較Uout輸出值與設定值Vref的大小，得到控制電壓[1-2]。當干路過流時，將觸發(fā)延時電路使MOS管關斷；延時一定時間后，再將MOS管開通。若過流狀態(tài)消除，則MOS管開通，電路恢復正常，否則將再次觸發(fā)延時電路，立即關斷MOS管，并延時開通，以此反復。

圖1 主電路原理示意圖Fig.1 The Schematic circuit

如圖2所示，Ui為受保護電源(3 V～36 V)，Vcc為供電電源(5 V～36 V).串入電路干路的檢測電阻應比較小(0.01 Ω～0.1 Ω)以降低功耗，開關管也應選擇較小的RDS導通電阻。

正常情況下，電流檢測后的電壓變送輸出，滿足UoutU2，運放U3輸出Uo2為低電平，P-MOS管開通，向負載供電。當干路發(fā)生過流故障時，UoutU2，Uo2變?yōu)榈碗娖剑琍-MOS管開通。若過流故障消除，則電路恢復正常，否則再次關斷電路。

圖2 主電路仿真示意圖Fig.2 The artificial diagram of main circuit

2 主要電路

2.1 高邊電流檢測

如圖3高邊電流檢測模塊所示，電路的作用是，檢測接在Rsence+和Rsence-之間的取樣電阻的電壓，然后以固定的倍率(本文中取20倍)，從“Uo”口輸出一個對地的直流電壓[7]。

圖3 高邊電流檢測電路Fig.3 The circuit of high-side current detection

電路簡單分析：Q1提供一個相對高端偏移的基準電壓，Q2提供相對采樣電阻分壓的偏移電壓，Q3，Q4，Q5組成兩個相同的恒流源，對Q1和Q2供電，確保兩只管子工作在特性相近的狀態(tài)。

采樣電阻上的分壓，被Q2偏移后，和Q1基準產(chǎn)生一個壓差，這個壓差在數(shù)值上就等于采樣電阻自身的壓降。這個壓差在R6上形成電流，通過Q6和Q7組成的鏡像恒流源，其中一路在R5上形成輸出，另一路輸入到Q2，用來補償Q1因增加了R6的分流所形成的電壓誤差。R5和R6的比值決定了電路放大倍數(shù)，R4比R5略小，作用是在Q2上形成一定的過補償(或者說正反饋)，減少因晶體管放大倍數(shù)有限 帶來的電路增益誤差[4]。R2和R3相同，作用是為Q1和Q2提供相同的電流。

計算過程：流過R6的電流：

(1)

而IR6+IbQ2=IeQ8

(2)

ICQ8≈IeQ8=IeQ6+IbQ7

(3)

即IR6+IbQ2=IeQ6+IbQ7

(4)

從而IR6=IeQ6

(5)

(6)

此電路中R5=20 kΩ，R6=1 kΩ

故理論上：UOUT=20IRsRs

(7)

實際測試得：UOUT≈24IRsRs

(8)

實際數(shù)據(jù)請參見表1所示:

2.2 保護(動作)電流設定

圖4 電流設定電路Fig.4 The circuit of current set

如圖4所示的電流設定電路，比較器閾值Vref用分壓電阻R7和R8設定，當電流檢測電路的輸出Uout小于Vref，即未過流，比較器輸出高電平。當電流檢測電路的輸出Uout大于Vref，電路干路發(fā)生過流故障，比較器輸出低電平[5]。

2.3 延時開通電路

原理說明：

圖5 延時開通電路Fig.5 The circuit of delay opening

其時序如圖6所示，只要輸入端有一個小的低電平觸發(fā)脈沖T1，便可得到比較長的高電平T輸出，實現(xiàn)延時功能。

圖6 延時開通時序Fig.6 The sequence chart of delay opening

3 測試結果分析

表1 高邊電流檢測參數(shù)Tab.1 The detection parameters of high-sidecurrent detection

測得MOS管G極的波形(上)和電容C1上的波形(下)如圖7所示。測試設備：固瑋GDS2000-100型雙蹤示波器，采樣縱軸電壓顯示單位1 V，橫軸時間單位2 ms.

圖7 通斷示波器截圖Fig.7 The artificial result of oscilloscope

從示波器上可以看到過流/短路發(fā)生時，電路迅速關斷，延時4 ms后，再次開通，但因故障為解除，電路也將再次迅速關斷；而且，因為開關動作器件在電感、電容的“后部”，儲能元件的釋放能量也不會沖激到負載環(huán)節(jié)，可以有效短路抑制火花能量，保證本安電路的“安全使用”[3]。

4 結論

經(jīng)理論分析和實際測試，此短路保護電路能夠有效抑制短路瞬間的火花能量，在保護電路的同時，可以有效防止周圍可燃氣體的引爆，從而達到本質(zhì)安全電路的要求，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

本設計方案已申請專利，專利受理號：201420168443.7

參考文獻：

[1] 劉輝.隔爆兼本安直流穩(wěn)壓電源的研究[D].西安：西安科技大學，2005 .

[2] 陳向東.礦用本質(zhì)安全電源[J].煤炭科學技術，1997(6)：36-39.

[3] 汪淳，謝曉春.本安電路與非本安電路的隔離方式及要求[J].煤礦自動化，1998(2)：40-41.

[4] 主文清.提高礦用本安電源帶載能力的研究與實踐[J].煤炭工程，2008(11)：104-106.

[5] 朱前偉.礦用本質(zhì)安全型電源的基本要求和設計方法[J].工礦自動化，2012，25(6)：22-25.

[6] 王磊，振壁.一種新型的本安電源[J].工礦自動化，2008(2)：82-84.

[7] 張燕美，李維堅.本質(zhì)安全電路設計[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1992.