本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路，包括均与短路信号产生电路的输出端相接的短路截止保护电路和旁路驱动电路，以及与短路截止保护电路的输出端相接的能量旁路电路，短路截止保护电路由短路截止保护启动电路和与短路截止保护启动电路的输出端相接的短路截止保护动作电路组成，旁路驱动电路的输出端、短路信号产生电路和能量旁路电路均与本安Boost变换器主电路相接，本安Boost变换器主电路上接有电流采样电路和脉冲信号产生电路，电流采样电路的输出端与脉冲信号产生电路相接。本发明实现方便且成本低，能够为本安Boost变换器中电感中的能量提供一个泄放回路，提高了本安Boost变换器的本安性能。
【专利说明】本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路
【技术领域】
[0001]本发明属于Boost变换器的短路保护【技术领域】，具体是涉及一种本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路。
【背景技术】
[0002]本质安全型开关电源是电子设备的重要组成部分，在工作于危险环境的防爆电气设备的本质安全型开关电源中，为了达到足够大的输出功率而又要使输出电压纹波足够的小，电源的输出端通常包含有容量较大的滤波电感和电容，加之如果保护电路在电源出现故障时不能彻底关断电源输入端的能量来源，则一旦出现短路等故障，其产生的电火花必然会引爆易燃、易爆气体，显然是不能满足本质安全或防爆要求的。开关电源的短路火花能量来源包括:输入电源向短路处转移的能量、电感向短路处转移的能量和电容储存的能量。为提高开关电源的本质安全性能，输出短路处火花能量应尽可能小，必须隔离电源能量，旁路电感能量，释放电容能量。因此，通常会在开关电源中采用截止型的输出短路保护电路，彻底截断输出短路处的短路火花能量的源，确保直流稳压电源或其它电子产品在输出出现短路时，不会引爆易燃易爆气体或它们的混合物。对于电容存储能量的释放处理，已有相关研究报道。但是对于电感的储能，虽然在《本质安全变换器》一书及相关报道中，提出了短路故障时电感能量的处理办法，但是在输出短路时，为关断开关管，PWM输出为低电平，使得能量处理回路不能正常流通，因而未能达到预期的效果。所以需要设计一种可在输出出现短路故障时旁路电感能量的电路，从而不增加输出端的短路火花能量，提高Boost变换器的输出本安性能。从全国来看，煤矿瓦斯事故多发的势头尚未得到遏制。由于煤矿事故多，死亡人数多，造成了我国煤矿的百万吨死亡率一直居高不下。特别是煤矿重大及特大瓦斯(煤尘)灾害事故的频发，不但造成国家财产和公民生命的巨大损失，而且严重影响了我国的国际声誉。煤矿安全化，是一项拯救生命的工程，更是一项拯救产业的工程。因此，设计适用于危险性环境的开关电源储能元件的能量泄放回路具有重要意义。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路，其电路结构简单，实现方便且成本低，能够为本安Boost变换器中电感中的能量提供一个泄放回路，提高了本安Boost变换器的本安性能，实用性强。
[0004]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路，其特征在于:包括均与短路信号产生电路的输出端相接的短路截止保护电路和旁路驱动电路，以及与短路截止保护电路的输出端相接的能量旁路电路，所述短路截止保护电路由短路截止保护启动电路和与短路截止保护启动电路的输出端相接的短路截止保护动作电路组成，所述旁路驱动电路的输出端、短路信号产生电路和能量旁路电路均与本安Boost变换器主电路相接，所述本安Boost变换器主电路上接有电流采样电路和脉冲信号产生电路，所述电流采样电路的输出端与脉冲信号产生电路相接。
[0005]上述的本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路，其特征在于:所述短路截止保护启动电路由三极管VT5以及电阻R7和RlO组成，所述三极管VT5的基极与电阻R7的一端和电阻RlO的一端相接，所述电阻R7的另一端为短路截止保护启动电路的输入端且与短路信号产生电路的输出端相接，所述三极管VT5的集电极为短路截止保护启动电路的输出端，所述三极管VT5的发射极和电阻RlO的另一端均接地。
[0006]上述的本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路，其特征在于:所述短路截止保护动作电路由PMOS管VT1，三极管VT3，稳压二极管ZD1，以及电阻Rl、R4和R9组成；所述PMOS管VTl的源极、电阻R4的一端、稳压二极管ZDl的阴极和电阻Rl的一端均与输入电源的输出端Vi相接，所述PMOS管VTl的栅极与稳压二极管ZDl的阳极、电阻Rl的另一端和三极管VT3的集电极相接，所述三极管VT3的基极和电阻R4的另一端均与短路截止保护启动电路的输出端相接，所述三极管VT3的发射极通过电阻R9接地，所述PMOS管VTl的漏极为短路截止保护动作电路的输出端。
[0007]上述的本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路，其特征在于:所述旁路驱动电路包括三极管VT2，稳压二极管ZD2，开关二极管D3，极性电容Cl，非极性电容C2，以及电阻R2、R3、R5和R26 ;所述电阻R26的一端与输入电源的输出端Vi相接，所述稳压二极管ZD2的阴极、极性电容Cl的正极、非极性电容C2的一端和电阻R2的一端均与电阻R26的另一端相接，所述稳压二极管ZD2的阳极、极性电容Cl的负极和非极性电容C2的另一端均接地，所述三极管VT2的集电极与电阻R2的另一端相接，所述三极管VT2的基极与电阻R3的一端和电阻R5的一端相接，所述电阻R3的另一端与开关二极管D3的阴极相接，所述开关二极管D3的阳极为旁路驱动电路的输入端且与短路信号产生电路的输出端相接，所述三极管VT2的发射极与电阻R5的另一端相接且为旁路驱动电路的输出端。
[0008]上述的本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路，其特征在于:所述本安Boost变换器主电路由NMOS管VT4，电感LI，开关二极管Dl，极性电容C3，以及电阻R6和R8组成；所述NMOS管VT4的栅极和电阻R8的一端均与旁路驱动电路的输出端相接，且通过电阻R6与脉冲信号产生电路的输出端相接，所述NMOS管VT4的漏极与开关二极管Dl的阳极和电感LI的一端相接，所述电感LI的另一端与能量旁路电路相接，所述开关二极管Dl的阴极与极性电容C3的正极相接且为本安Boost变换器主电路的输出端Vo，所述NMOS管VT4的源极与电流采样电路相接，所述电阻R8的另一端和极性电容C3的负极均接地。
[0009]上述的本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路，其特征在于:所述能量旁路电路由开关二极管D2构成，所述开关二极管D2的阴极与所述电感LI的另一端相接，所述开关二极管D2的阳极与所述电阻R8的另一端相接；所述开关二极管D2、NM0S管VT4，电感LI和电阻R8组成了能量旁路回路。
[0010]上述的本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路，其特征在于:所述电流采样电路由电阻RSl构成，所述电阻RSl的一端与所述NMOS管VT4的源极相接且为电流采样电路的输出端，所述电阻RSl的另一端接地。
[0011]上述的本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路，其特征在于:所述短路信号产生电路包括比较器U2，运算放大器U3，PMOS管VT6，开关二极管D4，以及电阻R19、R20、R21、R22、R23、R24、R25和RS2 ;所述电阻R23的一端通过电阻RS2与极性电容C3的负极相接，所述电阻R23的另一端与运算放大器U3的同相输入端相接，所述电阻R24的一端和电阻R25的一端均与运算放大器U3的反向输入端相接，所述电阻R24的另一端接地，所述电阻R25的另一端和电阻R22的一端均与运算放大器U3的输出端相接，所述电阻R22的另一端与比较器U2的反向输入端相接，所述电阻R21的一端与+IV基准电压相接，所述电阻R21的另一端与比较器U2的同相输入端相接，所述开关二极管D4的阴极与比较器U2的输出端相接，所述开关二极管D4的阳极与电阻R19的一端相接，所述电阻R19的另一端和电阻R20的一端均与PMOS管VT6的栅极相接，所述电阻R20的另一端和PMOS管VT6的源极均与外部直流电源的输出端VCC相接，所述PMOS管VT6的漏极为短路信号产生电路的输出端。
[0012]上述的本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路，其特征在于:所述脉冲信号产生电路包括芯片UC384X，电阻R11、R12、R13、R15、R16、R17和R18，以及非极性电容C4、C5、C6和C7组成；所述电阻Rll和电阻R12串联在本安Boost变换器主电路的输出端与地之间，所述芯片UC384X的引脚I与电阻R16的一端和电阻R17的一端相接，所述电阻R16的另一端与非极性电容C4的一端相接，所述芯片UC384X的引脚2、电阻R17的另一端和非极性电容C4的另一端均与电阻Rll和电阻R12的连接端相接，所述芯片UC384X的引脚4与电阻R18的一端和非极性电容C6的一端相接，所述电阻R18的另一端与芯片UC384X的引脚8和非极性电容C7的一端相接，所述芯片UC384X的引脚5、非极性电容C6的另一端和非极性电容C7的另一端均接地，所述芯片UC384X的引脚3与电阻R13的一端、电阻R15的一端和非极性电容C5的一端相接，所述非极性电容C5的另一端接地，所述电阻R13的另一端与短路截止保护启动电路和旁路驱动电路相接，所述电阻R15的另一端与电流采样电路的输出端相接，所述芯片UC384X的引脚6为脉冲信号产生电路的输出端且与本安Boost变换器主电路相接，所述芯片UC384X的引脚7与外部直流电源的输出端VCC相接。
[0013]上述的本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路，其特征在于:所述电阻R19的阻值为100Ω?900Ω，所述电阻R20的阻值为100ΚΩ?1ΜΩ，所述电阻RS2为阻值为0.01Ω的康铜丝电阻，所述电阻R24和电阻R25的阻值满足公式(1+R25/R24) X (RS2 X 1max) = U，其中，电阻R24和电阻R25的单位均为K Ω，1max为本安Boost变换器主电路允许的最大输出电流值且1。_的取值为IA?10A，U为+IV基准电压。
[0014]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0015]1、本发明电路结构简单，设计合理，实现方便且成本低。
[0016]2、本发明在普通短路保护的基础上为应用于危险环境的本安Boost变换器提供了一种电感能量泄放回路，将本发明加在本安Boost变换器中，当本安Boost变换器正常工作时，本发明不起作用；而当本安Boost变换器的输出出现短路故障时，输入电源被切断，为本安Boost变换器中电感中的能量提供一个泄放回路，从而截断储能元件电感给输出短路处的短路火花增加能量，最大限度地减少了短路火花的能量，避免了引爆易燃易爆气体或它们的混合物，提高了本安Boost变换器的本安性能。
[0017]3、本发明能够应用于煤矿、石化等危险性环境，有效降低危险性环境中灾害事故的发生概率，为人们的生命财产安全提供了保障，实用性强。
[0018]综上所述，本发明电路结构简单，实现方便且成本低，能够为本安Boost变换器中电感中的能量提供一个泄放回路，提高了本安Boost变换器的本安性能，实用性强。
[0019]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明的电路原理框图。
[0021]图2为本发明的电路原理图。
[0022]图3为本发明结合短路信号产生电路和脉冲信号产生电路的电路原理图。
[0023]附图标记说明:
[0024]I一短路截止保护电路；1-1 一短路截止保护启动电路；
[0025]1-2—短路截止保护动作电路；2—旁路驱动电路；
[0026]3—能量旁路电路；4一短路信号产生电路；
[0027]5—本安Boost变换器主电路；6 —电流采样电路；
[0028]7—脉冲信号产生电路。
【具体实施方式】
[0029]如图1所示，本发明包括均与短路信号产生电路4的输出端相接的短路截止保护电路I和旁路驱动电路2，以及与短路截止保护电路I的输出端相接的能量旁路电路3，所述短路截止保护电路I由短路截止保护启动电路1-1和与短路截止保护启动电路1-1的输出端相接的短路截止保护动作电路1-2组成，所述旁路驱动电路2的输出端、短路信号产生电路4和能量旁路电路3均与本安Boost变换器主电路5相接，所述本安Boost变换器主电路5上接有电流采样电路6和脉冲信号产生电路7，所述电流采样电路6的输出端与脉冲信号产生电路7相接。
[0030]如图2所示,本实施例中,所述短路截止保护启动电路1-1由三极管VT5以及电阻R7和RlO组成，所述三极管VT5的基极与电阻R7的一端和电阻RlO的一端相接，所述电阻R7的另一端为短路截止保护启动电路1-1的输入端且与短路信号产生电路4的输出端相接，所述三极管VT5的集电极为短路截止保护启动电路1-1的输出端，所述三极管VT5的发射极和电阻RlO的另一端均接地。
[0031]如图2所示,本实施例中,所述短路截止保护动作电路1-2由PMOS管VTl,三极管VT3，稳压二极管ZDl，以及电阻R1、R4和R9组成；所述PMOS管VTl的源极、电阻R4的一端、稳压二极管ZDl的阴极和电阻Rl的一端均与输入电源的输出端Vi相接，所述PMOS管VTl的栅极与稳压二极管ZDl的阳极、电阻Rl的另一端和三极管VT3的集电极相接，所述三极管VT3的基极和电阻R4的另一端均与短路截止保护启动电路1-1的输出端相接，所述三极管VT3的发射极通过电阻R9接地，所述PMOS管VTl的漏极为短路截止保护动作电路1_2的输出端。
[0032]如图2所示,本实施例中，所述旁路驱动电路2包括三极管VT2,稳压二极管ZD2,开关二极管D3，极性电容Cl，非极性电容C2，以及电阻R2、R3、R5和R26 ;所述电阻R26的一端与输入电源的输出端Vi相接，所述稳压二极管ZD2的阴极、极性电容Cl的正极、非极性电容C2的一端和电阻R2的一端均与电阻R26的另一端相接，所述稳压二极管ZD2的阳极、极性电容Cl的负极和非极性电容C2的另一端均接地，所述三极管VT2的集电极与电阻R2的另一端相接，所述三极管VT2的基极与电阻R3的一端和电阻R5的一端相接，所述电阻R3的另一端与开关二极管D3的阴极相接，所述开关二极管D3的阳极为旁路驱动电路2的输入端且与短路信号产生电路4的输出端相接，所述三极管VT2的发射极与电阻R5的另一端相接且为旁路驱动电路2的输出端。
[0033]如图2所示，本实施例中，所述本安Boost变换器主电路5由NMOS管VT4，电感LI，开关二极管Dl，极性电容C3，以及电阻R6和R8组成；所述NMOS管VT4的栅极和电阻R8的一端均与旁路驱动电路2的输出端相接，且通过电阻R6与脉冲信号产生电路7的输出端相接，所述NMOS管VT4的漏极与开关二极管Dl的阳极和电感LI的一端相接，所述电感LI的另一端与能量旁路电路3相接，所述开关二极管Dl的阴极与极性电容C3的正极相接且为本安Boost变换器主电路5的输出端Vo，所述NMOS管VT4的源极与电流采样电路6相接，所述电阻R8的另一端和极性电容C3的负极均接地。其中，电阻R6在本安Boost变换器主电路5中起限流的作用。
[0034]具体实施时，电阻R2的阻值和电阻R6的阻值选择要使NMOS管VT4的栅极电压大于NMOS管的开启电压才能确保NMOS管的导通,NMOS管的开启电压一般在4V左右,所以电阻R2的阻值和电阻R6的阻值应满足公式:12 X R6/ (R2+R6) >4V，本实施例中，取电阻R2的阻值和电阻R6的阻值均为400 Ω。
[0035]如图2所示,本实施例中,所述能量旁路电路3由开关二极管D2构成,所述开关二极管D2的阴极与所述电感LI的另一端相接，所述开关二极管D2的阳极与所述电阻R8的另一端相接；所述开关二极管D2、NMOS管VT4，电感LI和电阻R8组成了能量旁路回路。
[0036]如图2所示，本实施例中，所述电流采样电路6由电阻RSl构成，所述电阻RSl的一端与所述NMOS管VT4的源极相接且为电流采样电路6的输出端，所述电阻RSl的另一端接地。
[0037]如图3所示，本实施例中，所述短路信号产生电路4包括比较器U2，运算放大器U3, PMOS 管 VT6,开关二极管 D4,以及电阻 R19、R20、R21、R22、R23、R24、R25 和 RS2 ;所述电阻R23的一端通过电阻RS2与极性电容C3的负极相接，所述电阻R23的另一端与运算放大器U3的同相输入端相接，所述电阻R24的一端和电阻R25的一端均与运算放大器U3的反向输入端相接，所述电阻R24的另一端接地，所述电阻R25的另一端和电阻R22的一端均与运算放大器U3的输出端相接，所述电阻R22的另一端与比较器U2的反向输入端相接，所述电阻R21的一端与+IV基准电压相接，所述电阻R21的另一端与比较器U2的同相输入端相接，所述开关二极管D4的阴极与比较器U2的输出端相接，所述开关二极管D4的阳极与电阻R19的一端相接，所述电阻R19的另一端和电阻R20的一端均与PMOS管VT6的栅极相接，所述电阻R20的另一端和PMOS管VT6的源极均与外部直流电源的输出端VCC相接，所述PMOS管VT6的漏极为短路信号产生电路4的输出端。其中，外部直流电源的输出端VCC输出的电压为+12V。具体实施时，所述比较器U2可以由比较器芯片LM393构成，所述运算放大器U3可以由运算放大器芯片LM358构成。负载RL接在所述本安Boost变换器主电路5的输出端Vo与电阻RS2和电阻R23的连接端之间。
[0038]具体实施时，所述电阻R19的阻值选取既要考虑PMOS管VT6的驱动电流，又要考虑比较器U2的输出电流能力，当比较器U2输出低电平，触发PMOS管VT6导通的瞬间，外部直流电源的输出端VCC通过电阻R19给PMOS管VT6的寄生栅源电容充电，由于外部直流电源的输出端VCC的电压为12V，比较器U2的输出电流一般在几十毫安，所以本实施例中，所述电阻R19的阻值为100 Ω?900 Ω，优选为500 Ω。[0039]所述电阻R20的阻值选取一是要考虑PMOS管VT6的栅源间的寄生电容，通常该寄生电容的容值范围一般在几百PF?几千pF ;二是要考虑短路的时间间隔，通常用于对本安Boost变换器主电路5进行短路检测的火花实验装置的短路时间间隔为几?几十毫秒；电阻R20的取值既要使短路信号维持一段时间，又要使维持的这段时间小于火花试验的短路时间间隔，所以本实施例中，所述电阻R20的取值范围为100ΚΩ?1ΜΩ。
[0040]为了减小电阻RS2对输出电压的影响，所以电阻RS2的阻值越小越好，本实施例中，所述电阻RS2为阻值为0.01 Ω的康铜丝电阻，用于对本安Boost变换器主电路5的输出电流1进行采样。
[0041]短路信号产生电路4中，电阻R23、电阻R24、电阻R25和运算放大器U3组成了比例放大电路，电阻R23的作用是为了减小输入失调电压；电阻R23、电阻R24和电阻R25的参数选择要考虑:当本安Boost变换器主电路5正常工作时，电阻RS2两端的电压经过放大后应小于+IV基准电压；而当流过电阻RS2的电流超过本安Boost变换器主电路5允许的最大输出电流值或本安Boost变换器主电路5发生短路故障时，电阻RS2两端的电压经过放大后应大于+IV基准电压；因此本实施例中，所述电阻R24和电阻R25的阻值满足公式(1+R25/R24) X (RS2 X 1max) = U，其中，电阻R24和电阻R25的单位均为K Ω，1max为本安Boost变换器主电路5允许的最大输出电流值且1。_的取值为IA?10A，U为+IV基准电压。具体地，本实施例中，所述电阻R23的阻值和电阻R24的阻值均为IK Ω，所述1max的取值为1.087A，所述电阻R25的阻值为91ΚΩ。
[0042]另外，本实施例中，所述电阻R21的阻值为IK Ω。
[0043]如图3所示，本实施例中，所述脉冲信号产生电路7包括芯片UC384X，电阻R11、R12、R13、R15、R16、R17和R18，以及非极性电容C4、C5、C6和C7组成；所述电阻Rll和电阻R12串联在本安Boost变换器主电路5的输出端与地之间，所述芯片UC384X的引脚I与电阻R16的一端和电阻R17的一端相接，所述电阻R16的另一端与非极性电容C4的一端相接，所述芯片UC384X的引脚2、电阻R17的另一端和非极性电容C4的另一端均与电阻Rll和电阻R12的连接端相接，所述芯片UC384X的引脚4与电阻R18的一端和非极性电容C6的一端相接，所述电阻R18的另一端与芯片UC384X的引脚8和非极性电容C7的一端相接，所述芯片UC384X的引脚5、非极性电容C6的另一端和非极性电容C7的另一端均接地，所述芯片UC384X的引脚3与电阻R13的一端、电阻R15的一端和非极性电容C5的一端相接，所述非极性电容C5的另一端接地，所述电阻R13的另一端与短路截止保护启动电路1-1和旁路驱动电路2相接，所述电阻R15的另一端与电流采样电路6的输出端相接，所述芯片UC384X的引脚6为脉冲信号产生电路7的输出端且与本安Boost变换器主电路5相接，所述芯片UC384X的引脚7与外部直流电源的输出端VCC相接。其中，外部直流电源的输出端VCC输出的电压为+12V ;电阻Rll和电阻R12构成了电压采样电路。
[0044]本发明的工作原理是:
[0045]当本安Boost变换器主电路5未发生短路故障时，脉冲信号产生电路7输出PWM波，短路信号产生电路4输出为低电平，三极管VT2的基极和三极管VT5的基极均为低电平，所以三极管VT2和三极管VT5均不导通；此时，输入电源经过电阻R4给三极管VT3提供基极电流，三极管VT3导通，输入电源电压经过电阻Rl和电阻R9分压，得到可使PMOS管VTl正常导通的栅源极电压(该电压为负值)，确保本安Boost变换器主电路5正常工作。稳压二极管ZDl作用是使PMOS管VTl的栅源极电压不超过其击穿电压，PMOS管VTl导通时；输入电源输出的电压经过本安Boost变换器主电路5实现升压功能。
[0046]在图2和图3中，由电阻R26、稳压二极管ZD2、极性电容Cl和非极性电容C2构成了稳压电路，提供+12V的电压。当本安Boost变换器主电路5发生输出短路故障时，短路信号产生电路4输出为高电平。一方面，短路信号产生电路4输出的高电平经过电阻R7为三极管VT5提供基极电压，三极管VT5导通，从而将三极管VT3的基射电压限制在0.3V左右，使三极管VT3关断，PMOS管VTl也关断，确保输入电源不再向输出短路处提供能量；另一方面，短路信号产生电路4输出的高电平通过电阻Rl5加到脉冲信号产生电路7中UC384X的引脚3，使得UC384X的驱动端引脚6被锁定为低电平；同时，短路信号产生电路4输出的高电平通过二极管D3使三极管VT2导通，12V的电压经过电阻R2和电阻R6分压，电阻R2和电阻R6的取值确保NMOS管VT4的栅源电压大于其开启电压，NMOS管VT4导通，电感LI的能量经NMOS管VT4和开关二极管D2释放，使得电感能量被旁路，不至传输到输出短路处，从而提高本安Boost变换器的本安性能。
[0047]具体而言，短路信号产生电路4的工作原理为:当本安Boost变换器主电路5未发生短路故障时，选择合适阻值的电阻RS2(电阻RS2为阻值为0.01Ω的康铜丝电阻)使得正常工作时电阻RS2两端的电压对输出电压的影响很小，而电阻R23、电阻R24、电阻R25和运算放大器U3组成了一个比例放大电路，对电阻RS2两端的电压进行放大，使得在电路未发生故障时运算放大器U3输出端的电压小于+IV基准电压,使比较器U2的输出为高电平，开关二极管D4不导通，电路此时PMOS管VT6的源极也为高电平，PMOS管VT6不导通，因此PMOS管VT6的漏极为低电平，即短路信号产生电路4的输出端输出为低电平，短路截止保护启动电路1-1和短路截止保护动作电路1-2均不工作。当本安Boost变换器主电路5发生了短路故障时，流过电阻RS2的电流突然增大使得电阻RS2两端的电压相应增加，该电压经过短路信号产生电路4中由电阻R23、电阻R24、电阻R25和运算放大器U3组成的比例放大电路进行放大，一旦运算放大器U3的输出端电压大于+IV基准电压，比较器U2的输出端变为低电平，开关二极管D4导通，外部直流电源的输出端VCC通过电阻R19 (电阻R19的阻值为500Ω)给PMOS管VT6栅源之间的寄生电容快速充电，当PMOS管VT6的栅源电压(该电压为负值)达到开启电压时，PMOS管VT6导通，短路信号产生电路4输出为高电平，致使短路截止保护启动电路1-1的输出为高电平，短路截止保护动作电路1-2的PMOS管VTl关断，输出电压降低，短路信号消失，比较器U2的输出端变为高电平，开关二极管D4截止，PMOS管VT6栅源之间的寄生电容两端的能量经过电阻R20进行释放，由于电阻R20 (电阻R20的阻值为100ΚΩ?1ΜΩ)很大，所以放电时间常数比较大，因此PMOS管VT6将维持导通一段时间(维持时间的大小可通过改变电阻R20的阻值进行调节)，使得短路信号产生电路4输出端的高电平得以维持，直到PMOS管VT6栅源之间的寄生电容放电至其栅源电压小于开启电压时，PMOS管VT6断开，短路信号产生电路4的输出端输出恢复为低电平，本安Boost变换器主电路5恢复工作。如果短路故障仍未消除，则电路重复上述过程，直到短路故障消失，电路恢复正常工作。
[0048]具体而言，脉冲信号产生电路7的工作原理为:本安Boost变换器主电路5的输出端输出的电压经过电阻Rll和电阻R12分压之后接到所述芯片UC384X的引脚2，即连接到了所述芯片UC384X的内部误差放大器的反向输入端，为脉冲信号产生电路7的反馈输入端，所述芯片UC384X的引脚I为所述芯片UC384X的内部误差放大器的输出端，所述芯片UC384X的引脚I与引脚2之间连接的电阻R16、电阻R17和非极性电容C4相当于从所述芯片UC384X的内部误差放大器的反向输入端接到了输出端，用以改善所述芯片UC384X的内部误差放大器的频率响应，即PI (比例、积分)调节，其中，电阻R16主要影响P(比例)的作用，非极性电容C4主要影响I (积分)的作用，电阻R17用作补偿；构成电流采样电路6的电阻RSl对所述NMOS管VT4的源极的电流信号进行采样并将所述NMOS管VT4的源极的电流转换为电压信号且经过电阻R15接到所述芯片UC384X的引脚3，即连接到了所述芯片UC384X的内部电流检测比较器的正端，当所述芯片UC384X的引脚3的电压大于所述芯片UC384X的内部电流检测比较器的负端电压时，脉冲信号产生电路7的输出被锁定为低电平；由于本安Boost变换器主电路5启动的瞬间，NMOS管VT4上的电流很大，容易造成所述芯片UC384X的引脚3的误动作，因此在所述芯片UC384X的引脚3和地之间接上非极性电容C5，使所述芯片UC384X的引脚3的电压不能突变，同时非极性电容C5也可以滤除噪声等干扰；电阻R13也起到了与非极性电容C5同样的作用；非极性电容C6和电阻R18形成了RC振荡电路，非极性电容C6和电阻R18的大小决定了所述芯片UC384X内部的三角波的频率，即脉冲信号产生电路7输出的脉冲的开关频率；非极性电容C7为消噪电容。
[0049]当本安Boost变换器主电路5未发生短路故障时，所述芯片UC384X的引脚2将由电阻Rll和电阻R12构成的电压采样电路采样得到的电压，输入所述芯片UC384X内部的误差放大器与基准电压进行比较，所述芯片UC384X内部的误差放大器将比较的差值进行PI (比例、积分)处理，综合所述芯片UC384X的内部电流检测比较器的输入，调节脉冲信号产生电路7输出的脉冲的占空比，实现对本安Boost变换器主电路5输出电压的调节。当本安Boost变换器主电路5发生了短路故障时,本安Boost变换器主电路5中电流过大，此时，所述芯片UC384X的引脚3的电压大于所述芯片UC384X的内部电流检测比较器的负端，脉冲信号产生电路7的输出被锁定为低电平。
[0050]综上所述，本发明能够应用于本安Boost变换器中，并应用于煤矿、石化等危险性环境中，在本安Boost变换器输出出现短路故障时，能够在彻底关断输入电源的基础上，给储能电感的能量提供泄放回路，截断其将能量传输给输出短路处的短路火花，从而将输出部分的短路火花能量限制到足够低的范围，确保本安Boost变换器在输出出现短路时，不会引爆易燃易爆气体或它们的混合物，增加了本安Boost变换器的本安性能。这样，就使得较大功率的本安Boost变换器或包含有较大功率本安Boost变换器的电子设备或系统能够安全地应用于危险性环境中，使本质安全型或防爆电源的输出功率可以做得更大，且不会降低电源的效率。
[0051]以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
【权利要求】
1.一种本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路，其特征在于:包括均与短路信号产生电路(4)的输出端相接的短路截止保护电路(I)和旁路驱动电路(2)，以及与短路截止保护电路(I)的输出端相接的能量旁路电路(3)，所述短路截止保护电路(I)由短路截止保护启动电路Q-1)和与短路截止保护启动电路(1-1)的输出端相接的短路截止保护动作电路(1-2)组成，所述旁路驱动电路⑵的输出端、短路信号产生电路⑷和能量旁路电路(3)均与本安Boost变换器主电路(5)相接，所述本安Boost变换器主电路(5)上接有电流采样电路(6)和脉冲信号产生电路(7)，所述电流采样电路(6)的输出端与脉冲信号产生电路⑵相接。
2.按照权利要求1所述的本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路，其特征在于:所述短路截止保护启动电路(1-1)由三极管VT5以及电阻R7和RlO组成，所述三极管VT5的基极与电阻R7的一端和电阻RlO的一端相接，所述电阻R7的另一端为短路截止保护启动电路(1-1)的输入端且与短路信号产生电路(4)的输出端相接，所述三极管VT5的集电极为短路截止保护启动电路(1-1)的输出端，所述三极管VT5的发射极和电阻RlO的另一端均接地。
3.按照权利要求1所述的本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路，其特征在于:所述短路截止保护动作电路(1-2)由PMOS管VT1，三极管VT3，稳压二极管ZD1，以及电阻R1、R4和R9组成；所述PMOS管VTl的源极、电阻R4的一端、稳压二极管ZDl的阴极和电阻Rl的一端均与输入电源的输出端Vi相接，所述PMOS管VTl的栅极与稳压二极管ZDl的阳极、电阻Rl的另一端和 三极管VT3的集电极相接，所述三极管VT3的基极和电阻R4的另一端均与短路截止保护启动电路(1-1)的输出端相接，所述三极管VT3的发射极通过电阻R9接地，所述PMOS管VTl的漏极为短路截止保护动作电路(1-2)的输出端。
4.按照权利要求1所述的本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路，其特征在于:所述旁路驱动电路(2)包括三极管VT2，稳压二极管ZD2，开关二极管D3，极性电容Cl，非极性电容C2，以及电阻R2、R3、R5和R26 ;所述电阻R26的一端与输入电源的输出端Vi相接，所述稳压二极管ZD2的阴极、极性电容Cl的正极、非极性电容C2的一端和电阻R2的一端均与电阻R26的另一端相接，所述稳压二极管ZD2的阳极、极性电容Cl的负极和非极性电容C2的另一端均接地，所述三极管VT2的集电极与电阻R2的另一端相接，所述三极管VT2的基极与电阻R3的一端和电阻R5的一端相接，所述电阻R3的另一端与开关二极管D3的阴极相接，所述开关二极管D3的阳极为旁路驱动电路(2)的输入端且与短路信号产生电路⑷的输出端相接，所述三极管VT2的发射极与电阻R5的另一端相接且为旁路驱动电路(2)的输出端。
5.按照权利要求1所述的本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路，其特征在于:所述本安Boost变换器主电路(5)由NMOS管VT4，电感LI，开关二极管Dl，极性电容C3，以及电阻R6和R8组成；所述NMOS管VT4的栅极和电阻R8的一端均与旁路驱动电路(2)的输出端相接，且通过电阻R6与脉冲信号产生电路(7)的输出端相接，所述NMOS管VT4的漏极与开关二极管Dl的阳极和电感LI的一端相接，所述电感LI的另一端与能量旁路电路(3)相接，所述开关二极管Dl的阴极与极性电容C3的正极相接且为本安Boost变换器主电路(5)的输出端Vo，所述NMOS管VT4的源极与电流采样电路(6)相接，所述电阻R8的另一端和极性电容C3的负极均接地。
6.按照权利要求5所述的本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路，其特征在于:所述能量旁路电路(3)由开关二极管D2构成，所述开关二极管D2的阴极与所述电感LI的另一端相接，所述开关二极管D2的阳极与所述电阻R8的另一端相接；所述开关二极管D2、NMOS管VT4，电感LI和电阻R8组成了能量旁路回路。
7.按照权利要求5所述的本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路，其特征在于:所述电流采样电路(6)由电阻RSl构成，所述电阻RSl的一端与所述NMOS管VT4的源极相接且为电流采样电路(6)的输出端，所述电阻RSl的另一端接地。
8.按照权利要求5所述的本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路，其特征在于:所述短路信号产生电路(4)包括比较器U2，运算放大器U3，PM0S管VT6，开关二极管D4，以及电阻R19、R20、R21、R22、R23、R24、R25和RS2 ;所述电阻R23的一端通过电阻RS2与极性电容C3的负极相接，所述电阻R23的另一端与运算放大器U3的同相输入端相接，所述电阻R24的一端和电阻R25的一端均与运算放大器U3的反向输入端相接，所述电阻R24的另一端接地，所述电阻R25的另一端和电阻R22的一端均与运算放大器U3的输出端相接，所述电阻R22的另一端与比较器U2的反向输入端相接，所述电阻R21的一端与+IV基准电压相接，所述电阻R21的另一端与比较器U2的同相输入端相接，所述开关二极管D4的阴极与比较器U2的输出端相接，所述开关二极管D4的阳极与电阻R19的一端相接，所述电阻R19的另一端和电阻R20的一端均与PMOS管VT6的栅极相接，所述电阻R20的另一端和PMOS管VT6的源极均与外部直流电源的输出端VCC相接，所述PMOS管VT6的漏极为短路信号产生电路⑷的输出端。
9.按照权利要求1所述的本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路，其特征在于:所述脉冲信号产生电路(7)包括芯片UC384X，电阻R11、R12、R13、R15、R16、R17和R18，以及非极性电容C4、C5、C6和C7组成；所述电阻Rll和电阻R12串联在本安Boost变换器主电路(5)的输出端与地之间，所述芯片UC384X的引脚I与电阻R16的一端和电阻R17的一端相接，所述电阻R16的另一端与非极性电容C4的一端相接，所述芯片UC384X的引脚2、电阻R17的另一端和非极性电容C4的另一端均与电阻Rll和电阻R12的连接端相接，所述芯片UC384X的引脚4与电阻R18的一端和非极性电容C6的一端相接，所述电阻R18的另一端与芯片UC384X的引脚8和非极性电容C7的一端相接，所述芯片UC384X的引脚5、非极性电容C6的另一端和非极性电容C7的另一端均接地，所述芯片UC384X的引脚3与电阻R13的一端、电阻R15的一端和非极性电容C5的一端相接，所述非极性电容C5的另一端接地，所述电阻R13的另一端与短路截止保护启动电路(1-1)和旁路驱动电路(2)相接，所述电阻R15的另一端与电流采样电路(6)的输出端相接，所述芯片UC384X的引脚6为脉冲信号产生电路⑵的输出端且与本安Boost变换器主电路(5)相接，所述芯片UC384X的引脚7与外部直流电源的输出端VCC相接。
10.按照权利要求8所述的本安Boost变换器的短路电感能量旁路电路，其特征在于:所述电阻R19的阻值为100Ω~900Ω，所述电阻R20的阻值为100ΚΩ~1ΜΩ，所述电阻RS2为阻值为0.01 Ω的康铜丝电阻，所述电阻R24和电阻R25的阻值满足公式(1+R25/R24) X (RS2 X 1max) = U，其中，电阻R24和电阻R25的单位均为K Ω，1max为本安Boost变换器主电路(5)允许的最大输出电流值且1。_的取值为IA~10A，U为+IV基准电压。
【文档编号】H02H7/122GK103928911SQ201410172040
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】刘树林, 周闵阳光, 韩跃云, 惠晶, 王玉婷, 祁俐俐, 韩长端 申请人:西安科技大学