一种能量回馈型本质安全Buck电路的制作方法

本发明涉及一种buck电路，特别涉及一种能量回馈型本质安全buck电路，属于防爆电气安全技术领域。

背景技术：

如图1所示的buck电路，其中vi是可充电电源，当buck电路的电感两端出现开路故障时，由于电感的电流不能突变，会在电感两端产生反电动势，开路处出现高压，击穿空气，产生电弧，从而可能引爆爆炸性气体。从本质安全性能角度来讲，需要采用抑制和熄灭开路电弧的方法，使电路达到本质安全性能。

对于传统的电感电路，当电感两端发生开路时，普遍采用电感两端反并联二极管的方法。当电感两端发生开路时，电感两端的电压极性发生改变，使反并联二极管由反向截止变为正向导通，电感电流通过反并联二极管续流。

但是对于buck电路而言，在一个工作周期内，开关闭合时，电感电流上升，开关断开时，电感电流下降，这两种情况电感电压的极性相反。当电感两端开路时，若采用反并联二极管的方法，则电路不能正常工作，因此不能采用反并联二极管续流的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种能量回馈型本质安全buck电路，该电路不仅能快速熄灭电弧，而且实现了能量的节约。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于，一种能量回馈型本质安全buck电路，包括电源vi、开关晶体管m1、电感l、电容c、二极管d以及电阻r，上述各元器件构成了buck电路，还包括控制单元、检测电路、比较电路、逻辑控制电路以及开关电路；所述开关电路与电感l串联，检测电路与电感l电连接，比较电路与检测电路和开关电路电连接；逻辑控制电路与比较电路电连接，且逻辑控制电路与控制单元和开关晶体管m1电连接。

作为优选，所述检测电路由二极管d1和d2组成，所述比较电路由比较器u1和u3、反相器u2以及施密特触发器u4组成，所述逻辑控制电路为与门u5，开关电路为开关晶体管m2。

所述二极管d1的正极与电感l的一端连接，二极管d1的负极与电源vi的正极连接；所述二极管d2的负极与电感l的另一端连接，二极管d2的正极与开关晶体管m1的源极连接。

所述比较器u1的同相输入端于二极管d1的正极连接，其反相输入端与二极管d1的负极连接，其输出端与反相器u2连接；所述比较器u3的同相输入端与二极管d2的正极连接，其反相输入端与二极管d2的负极连接，其输出端与施密特触发器u4的正向输入端连接。

所述与门u5为三输入端与门，其中一个输入端分别与施密特触发器u4的输出端以及开关晶体管m2的栅极连接，另一个输入端与反相器u2电连接，最后一个输入端与控制单元电连接；与门u5的输出端与开关晶体管m1的栅极连接。

开关晶体管m2的漏极与电感l连接，其源极接输出vout，所述开关晶体管m1和m2为nmos晶体管。

在本发明中，默认高电平电压为5v，低电平为0v，比较器采用单电源供电，故比较器输出不能为负压。施密特触发器u4具有两个阈值电压+uth和-uth，取+uth＝4v，-uth＝-1v。其中施密特触发器u4的起始工作状态为：输入电压小于正向阈值+uth，输出为高电平。

当电路正常工作时，二极管d1和d2上均无电流流过，比较器u1和u3输入电压为零，故输出低电平，经反相器u2和施密特触发器u4后输出为高电平，高电平与控制信号相与，输出与控制信号相同，电路可以实现原电路的功能。

在电感l发生开路时，主要有两种状态，即当电感l右端发生开路时：

此时，二极管d1导通，比较器u1的输入电压为二极管d1的压降，输出高电平，经反相器u2后变为低电平，通过与门u5后仍然输出为低电平，将开关晶体管m1关断，切断电源。电感l上的电流只能通过续流二极管d1和d回流给电源，此时相当于给电源充电。

因此对于开路处的两端，左端由二极管d、电源vi、二极管d1和电感l构成回馈续流电路，能量回馈终止于电感l右端的电压和电源电压相同；右端由电阻r和电容c构成振荡衰减电路，开路处无任何能量注入，电弧自然熄灭，不会引燃气体，实现了保护和能量回馈功能。

当电感l左端发生开路时：

此时，二极管d2导通，比较器u3的输入电压为二极管d2的压降，输出为高电平，达到施密特触发器u4的正向阈值电压+uth后输出为低电平，关断开关晶体管m2。同时，使与门u5输出为低电平，关断开关晶体管m1。此时工作状况与电感右端发生开路的状况一致，电感的上的电流只能通过续流二极管d1和d回流给电源。

对于开路处左端，开关晶体管m1关断，右端由二极管d，电源vi，二极管d1，电感l构成回馈续流电路，能量回馈终止于电感l右端电压和电源电压相同，开路处无任何能量注入，电弧自然熄灭，不会引燃气体，实现了保护和能量回馈功能。

本发明的有益效果：本发明设计了一种能量回馈型本质安全buck电路，即电感两端发生开路时，不会引爆爆炸性气体，同时将电感l上的能量回馈给电源。具体而言，就是保持原buck电路的正常功能下，将电感开路产生的火花能量回馈到电源，不但能快速熄灭电弧，而且实现了能量的节约。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为现有技术中的buck电路图；

图2为本发明能量反馈型本质安全buck电路示意图；

图3为本发明能量反馈型本质安全buck电路的电路原理图；

图4为本发明实施例二的电路原理图；

图5为本发明实施例三的电路原理图；

图6为本发明buck电路电感开路暂态过程图；

图中：1.控制单元，2.检测电路，3.比较电路，4.逻辑控制电路，5.开关电路。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合实施例对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图2所示，为本发明公开了的一种能量回馈型本质安全buck电路，包括电源vi、开关晶体管m1、电感l、电容c、二极管d以及电阻r，上述各元器件构成了buck电路，还包括控制单元1、检测电路2、比较电路3、逻辑控制电路4以及开关电路5；所述开关电路5与电感l串联，检测电路2与电感l电连接，比较电路3与检测电路2和开关电路5电连接；逻辑控制电路4与比较电路3电连接，且逻辑控制电路4与控制单元1和开关晶体管m1电连接。

如图3所示，本发明的具体电路为：所述检测电路由二极管d1和d2组成，所述比较电路由比较器u1和u3、反相器u2以及施密特触发器u4组成，所述逻辑控制电路为与门u5，开关电路为开关晶体管m2。

所述二极管d1的正极与电感l的一端连接，二极管d1的负极与电源vi的正极连接；所述二极管d2的负极与电感l的另一端连接，二极管d2的正极与开关晶体管m1的源极连接。

所述比较器u1的同相输入端于二极管d1的正极连接，其反相输入端与二极管d1的负极连接，其输出端与反相器u2连接；所述比较器u3的同相输入端与二极管d2的正极连接，其反相输入端与二极管d2的负极连接，其输出端与施密特触发器u4的正向输入端连接。

所述与门u5为三输入端与门，其中一个输入端分别与施密特触发器u4的输出端以及开关晶体管m2的栅极连接，另一个输入端与反相器u2电连接，最后一个输入端与控制单元电连接；与门u5的输出端与开关晶体管m1的栅极连接。

所述开关晶体管m2的漏极与电感l连接，其源极接输出vout，所述开关晶体管m1和m2为nmos晶体管。

实施例一

如图3所示，当电路正常工作时：

电感l未发生开路，由于此电路为buck电路，输入电压高于输出电压，所以二极管d1不会导通，此时二极管d1上没有电流流过，比较器u1的同向端即为输出电压vout，而反向输入端为输入电压vi；显然，反向输入端电压大于同向输入端，比较器u1输出为低电平，经过反相器u2后变为高电平。对电感l左侧，二极管d2短路，即比较器u3的同向端电压和反向端电压相等，故比较器u3输出为低电平，此时未达到施密特触发器u4的正向阈值+uth，故输出高电平。这时，两个高电平与控制信号相与，u5输出和控制信号相同，故buck电路正常工作。

实施例二

如图4所示，当电感l右端开路时：

由于电感l两端的电流不能突变，通过二极管d1，电源vi和二极管d续流，或者通过二极管d1和开关晶体管m1续流。无论哪种情况，二极管d1必然导通，产生正向压降，此时比较器u1的同向端电压大于反向端电压，比较器u1输出高电平，经过反相器u2后变为低电平，通过与门u5之后，仍输出为低电平。即开关晶体管m1的栅极为低电平，开关晶体管m1截止，故此时电流只能经过二极管d1和二极管d给电源充电。

此时二极管d2上无电流流过，比较器u3的同向和反向输入电压相等，且为零，输出为低电平，经施密特触发器u4后输出高电平，驱动开关晶体管m2正常工作。且输出高电平，不影响与门u5的输出，故此时并不影响电路功能。

当电感l右侧发生开路时，开路电弧的右端，电阻r和电容c构成振荡衰减电路；左端由二极管d，电源vi，二极管d1，电感l构成回馈续流电路，能量回馈终止于电感l右端的电压和电源电压相同。开路处无任何能量注入，电弧快速熄灭，且实现了能量回馈。既保护了电路，又节约了能源。

如图6所示，为buck电路电感开路暂态过，图6中左侧加粗部分即为能量回馈的闭合电路，其中规定了电流正方向，右侧加粗部分为rc振荡衰减电路。

实施例三

如图5所示，当buck电路电感左端发生开路时：

首先，电感l不发生开路时，电路正常工作；当电感左端发生开路后，此时相当于开关晶体管m1断开，此过程与正常的buck电路工作方式非常相似。

当电感l左侧发生开路时，二极管d2导通，产生正向压降，比较器u3输出高电平，达到施密特触发器u4的阈值电压+uth后，施密特触发器u4输出为低电平。一方面关断开关晶体管m2，另一方面经过与门u5后输出低电平，关断m1。此时二极管d2上的电流又被关断，对于施密特触发器u4，只有输入电压小于-uth，才能重新输出高电平。又因为比较器采用单电源供电，所说比较器u3不能输出负压，从而确保m2和m1关断。此时电路的工作方式与电感l右侧发生开路的情况一样，电感l上的能量经过二极管d1和d给电源充电，负载r和c内部消耗能量。对于开路处，左右两侧并无能量注入，电弧被快速熄灭，保护电路，且实现了能量回馈。

所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。