一种矿用大电流本安电源的制作方法

本实用新型一种矿用大电流本安电源，属于本安电源技术领域，具体涉及一种矿用大电流本安电源。

背景技术：

煤矿井下环境特殊，存在有瓦斯、粉尘、一氧化碳等易燃易爆物质，因此矿井下的各类通信、监控、仪表和自动化等系统设备的供电电源必须满足防爆要求，本质安全型是防爆的最佳形式，所谓本质安全电路是指在正常工作或规定的故障状态下，产生的任何电火花或效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路。

工作于900MHz频段的无源RFID读卡子站的标签识别距离可达10米，作为煤矿人员和物资的管理设备，具有成本低、维护简单、不需要更换标签电池等优势，但是为了满足远距离供电，读卡子站内部电源一般采用12V转5V的DC/DC，导致输入电容增大，产生了启动难度大的问题，其次无源读卡子站在工作过程中，通过间歇式发射大功率电磁波来和标签进行通信，瞬间脉冲电流可达1.2A，导致电源波动加大，读卡子站无法正常工作，这两个原因阻碍了无源RFID读卡子站在煤矿的推广应用。

本安电源虽然经过多年的发展，取得了长足的进步，出来了多种类型的电源电路，但是还不能全满足为无源读卡子站这种特殊的负载提供可靠供电，又有大电流、高稳定、小体积、低成本的要求。

技术实现要素：

本实用新型克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题是：提供一种满足矿用大电流、高稳定的本安电源。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种矿用大电流本安电源，包括：单片机控制电路、过压检测电路、欠压检测电路、负载检测电路、短路检测电路、过流检测电路、关断加速电路和软启动电路；

所述单片机控制电路、过压检测电路、欠压检测电路、负载检测电路、短路检测电路、过流检测电路和软启动电路分别与关断加速电路电气相连，所述关断加速电路和软启动电路分别与串接在本安电源电路中的场效应管Q1电气相连；

上述单片机控制电路、过压检测电路、欠压检测电路、短路检测电路和过流检测电路输出控制信号到关断加速电路控制场效应管Q1的导通和截止；所述场效应管Q1的导通和截止控制本安电源电路的开启或者关闭。

所述本安电源的电路结构为：电阻R4的一端并接电阻R17的一端、电阻R2的一端、PNP型三极管Q2A的发射极、电阻R1的一端和场效应管Q1的源极后与输入电源正极VCC相连；所述电阻R4的另一端并接电阻R7的一端和电容C3的一端后与比较器U1A的同向输入端相连，所述电阻R7的另一端并接电容C3的另一端后接地；所述比较器U1A的反向输入端与基准电压Vref相连，所述比较器U1A的输出端与关断加速电路信号输入端Input1相连；

所述电阻R17的另一端并接电容C8的一端和电阻R21的一端后与比较器U1B的反向输入端相连，所述电容C8的另一端并接电阻R21的另一端后接地；电阻R23的一端与基准电压Vref相连，电阻R23的另一端并接单片机芯片IC1的信号输出端1脚后与比较器U1B的同向输入端相连，所述比较器U1B的输出端与关断加速电路信号输入端Input1相连；

所述电阻R2的另一端并接电阻R15的另一端后与PNP型三极管Q2A的基极相连，所述电阻R15的另一端为关断加速电路信号输入端Input1；所述PNP型三极管Q2A的集电极并接电阻R6的一端后与场效应管Q1的栅极相连；

所述电阻R6的另一端并接电容C4的一端后与电阻R13的一端相连，所述电容C4的另一端并接电阻R13的另一端后接地；

所述电阻R1的另一端与场效应管Q1的漏极相连，所述场效应管Q1的漏极为本安电源电路的正极输出端Vout；

电阻R14的一端与基准电压Vref相连，电阻R14的另一端并接电位器RW1的一固定端和电位器RW1的活动端后与比较器U2B的同向输入端相连；所述比较器U2B的输出端与关断加速电路信号输入端Input1相连；所述比较器U2B的反向输入端与电阻R18的一端相连，所述电阻R18的另一端与电阻R24的一端相连，所述电位器RW1的另一固定端并接电阻R24的另一端后接地；所述电阻R24与电阻R18相连的一端为本安电源电路的负极输出端GND1；

电阻R33的一端与场效应管Q1的漏极相连，所述电阻R33的另一端并接电阻R40的一端后与比较器U2A的同向输入端相连，所述电阻R40的另一端接地；所述比较器U2A的反向输入端与基准电压Vref相连，比较器U2A的输出端与单片机芯片IC1的信号输入端8脚相连；

所述单片机芯片IC1的电源正极2脚并接电容C5的一端后与+5V电源相连，所述电容C5的另一端与单片机芯片IC1的电源负极4脚相连，单片机芯片IC1的信号输出端7脚串接二极管D1后与关断加速电路信号输入端Input1相连；

电阻R29的一端与场效应管Q1的漏极相连，电阻R29的另一端与比较器U4B的同向输入端相连，比较器U4B的输出端与关断加速电路信号输入端Input1相连；电阻R34的一端与基准电压Vref相连，电阻R34的另一端并接电阻R45的一端后与比较器U4B的反向输入端相连，所述电阻R45的另一端与本安电源电路的负极输出端GND1相连。

所述基准电压Vref的电路结构为：电阻R18的一端与输入电源正极VCC相连，所述电阻R18的另一端与稳压二极管D2的负极相连，所述稳压二极管D2的正极接地，稳压二极管D2的负极为基准电压Vref。

所述单片机芯片IC1的型号为：STC15W201S；

所述场效应管Q1的型号为：SUD50P04；

所述比较器U1A、比较器U1B、比较器U2A、比较器U2B、比较器U4B均采用型号为：TLC374的比较器；

所述PNP型三极管Q2A的型号为：4403；

所述二极管D1的型号为：IN5819。

本实用新型与现有技术相比具有的有益效果是：

一、响应快，驱动能力强：本实用新型采用单片机智能控制，通过过压、欠压、负载通断、短路、过流等检测电路，时刻监控本安电源电路，并且结合快速关断电路和软启动电路，可监测本安输出启动过程和负载通断变化状态，达到对本安电源的精准控制，大大提高了本安电路的带载能力；

二、体积小，稳定性高：本实用新型依靠单片机智能控制，监测本安输出启动过程和负载通断变化状态，间接判断MOSFET管的工作状态，避免其工作于半导通状态，防止可能出现的发热发烫，从而省掉了一般MOSFET管的较大个的散热片，其次所有启动过程中的延时采用单片机软件实现，省掉了较复杂的延时电路，缩小了电路板空间，体积小，功耗低。

附图说明

下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明：

图1是本实用新型的电路方框图；

图2是本实用新型的电路图；

图3是过流检测电路图；

图4是负载检测电路图；

图5是短路检测电路图；

图6是基准电压电路图；

图7是本实用新型中单片机工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型一种矿用大电流本安电源，包括：单片机控制电路、过压检测电路、欠压检测电路、负载检测电路、短路检测电路、过流检测电路、关断加速电路和软启动电路；

所述单片机控制电路、过压检测电路、欠压检测电路、负载检测电路、短路检测电路、过流检测电路和软启动电路分别与关断加速电路电气相连，所述关断加速电路和软启动电路分别与串接在本安电源电路中的场效应管Q1电气相连；

上述单片机控制电路、过压检测电路、欠压检测电路、短路检测电路和过流检测电路输出控制信号到关断加速电路控制场效应管Q1的导通和截止；所述场效应管Q1的导通和截止控制本安电源电路的开启或者关闭。

如图2至图6所示，所述本安电源的电路结构为：电阻R4的一端并接电阻R17的一端、电阻R2的一端、PNP型三极管Q2A的发射极、电阻R1的一端和场效应管Q1的源极后与输入电源正极VCC相连；所述电阻R4的另一端并接电阻R7的一端和电容C3的一端后与比较器U1A的同向输入端相连，所述电阻R7的另一端并接电容C3的另一端后接地；所述比较器U1A的反向输入端与基准电压Vref相连，所述比较器U1A的输出端与关断加速电路信号输入端Input1相连；

所述电阻R17的另一端并接电容C8的一端和电阻R21的一端后与比较器U1B的反向输入端相连，所述电容C8的另一端并接电阻R21的另一端后接地；电阻R23的一端与基准电压Vref相连，电阻R23的另一端并接单片机芯片IC1的信号输出端1脚后与比较器U1B的同向输入端相连，所述比较器U1B的输出端与关断加速电路信号输入端Input1相连；

所述电阻R2的另一端并接电阻R15的另一端后与PNP型三极管Q2A的基极相连，所述电阻R15的另一端为关断加速电路信号输入端Input1；所述PNP型三极管Q2A的集电极并接电阻R6的一端后与场效应管Q1的栅极相连；

所述电阻R6的另一端并接电容C4的一端后与电阻R13的一端相连，所述电容C4的另一端并接电阻R13的另一端后接地；

所述电阻R1的另一端与场效应管Q1的漏极相连，所述场效应管Q1的漏极为本安电源电路的正极输出端Vout；

电阻R14的一端与基准电压Vref相连，电阻R14的另一端并接电位器RW1的一固定端和电位器RW1的活动端后与比较器U2B的同向输入端相连；所述比较器U2B的输出端与关断加速电路信号输入端Input1相连；所述比较器U2B的反向输入端与电阻R18的一端相连，所述电阻R18的另一端与电阻R24的一端相连，所述电位器RW1的另一固定端并接电阻R24的另一端后接地；所述电阻R24与电阻R18相连的一端为本安电源电路的负极输出端GND1；

电阻R33的一端与场效应管Q1的漏极相连，所述电阻R33的另一端并接电阻R40的一端后与比较器U2A的同向输入端相连，所述电阻R40的另一端接地；所述比较器U2A的反向输入端与基准电压Vref相连，比较器U2A的输出端与单片机芯片IC1的信号输入端8脚相连；

所述单片机芯片IC1的电源正极2脚并接电容C5的一端后与+5V电源相连，所述电容C5的另一端与单片机芯片IC1的电源负极4脚相连，单片机芯片IC1的信号输出端7脚串接二极管D1后与关断加速电路信号输入端Input1相连；

电阻R29的一端与场效应管Q1的漏极相连，电阻R29的另一端与比较器U4B的同向输入端相连，比较器U4B的输出端与关断加速电路信号输入端Input1相连；电阻R34的一端与基准电压Vref相连，电阻R34的另一端并接电阻R45的一端后与比较器U4B的反向输入端相连，所述电阻R45的另一端与本安电源电路的负极输出端GND1相连。

所述基准电压Vref的电路结构为：电阻R18的一端与输入电源正极VCC相连，所述电阻R18的另一端与稳压二极管D2的负极相连，所述稳压二极管D2的正极接地，稳压二极管D2的负极为基准电压Vref，产生2.5V的基准，用于检测电路的参考电压。

所述单片机芯片IC1的型号为：STC15W201S；

所述场效应管Q1的型号为：SUD50P04；

所述比较器U1A、比较器U1B、比较器U2A、比较器U2B、比较器U4B均采用型号为：TLC374的比较器；

所述PNP型三极管Q2A的型号为：4403；

所述二极管D1的型号为：IN5819。

所述过压检测电路由比较器U1B、电阻R17、电阻R21、电阻R23和电容C8组成；其工作过程如下：电阻R17和电阻R21对输入电源正极VCC电压进行分压后送入比较器U1B的反向输入端，电容C8为去噪电容，比较器U1B的同向输入端通过隔离电阻R23后连接到基准电压Vref，单片机芯片IC1的管脚P5.4工作于集电极开路输出模式，正常工作时对比较器U1B的同向端没有影响，当输入电源正极VCC电压高于设定的过压阀值13.25V时，比较器U1B输出变为0V，从而使PNP型三极管Q2A导通，场效应管Q1截止，关断输出，起到过压保护的作用。

所述欠压检测电路由比较器U1A、电阻R4、电阻R7和电容C3组成，其工作过程如下：电阻R4和电阻R7对输入电源正极VCC电压进行分压后送入比较器U1A的同向输入端，比较器U1A的反向输入端连接到基准电压Vref，当输入电源正极VCC电压低于设定的低压阀值9.5V时，比较器U1A输出变为0V，从而使PNP型三极管Q2A导通，场效应管Q1截止，关断输出，起到低压保护的作用，低压保护主要是避免电压过低导致电路工作出现异常。

所述关断加速电路由电阻R2、电阻R15、PNP型三极管Q2A和场效应管Q1组成，其工作过程如下：当连接电阻R15的4个比较器输出的任意一个为低电平时，PNP型三极管Q2A迅速导通，加速关断场效应管Q1的输出，电阻R2为比较器的开路输出端提供微弱的漏电流，确保PNP型三极管Q2A在正常工作时能够处于完全关断状态，该关断加速电路可以使场效应管Q1关断速度控制在1uS以内，大大减小输出端短路时的火花能力。

所述软启动电路由电阻R6、电容C4、电阻R13和场效应管Q1组成，其工作过程如下：场效应管Q1因过流等原因处于关断状态，其栅极G端电压接近输入电源正极VCC，此时电容C4充满电荷，其电压也接近输入电源正极VCC；当故障排除电路启动输出时，PNP型三极管Q2A关断，电容C4通过电阻R13缓慢放电，电容C4上的电压缓慢降低，也即场效应管Q1的栅极G端电压缓慢降低，场效应管Q1缓慢导通，实现软启动，改电路可以减小启动过程的输出电流的突然增大，防止过流保护误动作。

所述负载检测电路由电阻R33、电阻R40、比较器U2A、单片机芯片IC1、电阻R1和场效应管Q1组成，用于在本安电路启动输出前，先对负载的通断状态进行判断，如果负载有通断动作，则不启动输出，直到负载可靠接入或断开后再启动输出，这样可以大大降低火花产生的概率；其工作过程如下：启动输出前，场效应管Q1处于关断状态，输出端Vout因电阻R1的限流，仅有约10mA的输出电流，如果负载在线，一般其负载电流远大于10mA，则Vout接近0V，比较器U2A的输出为0V；如果负载不在线，则Vout接近输入电源正极VCC，比较器U2A的输出为高电平5V；如果负载未可靠接入或断开时，比较器U2A的输出就在0V和5V之间跳变，单片机芯片IC1识别到这一跳变信号后，P5.4引脚输出低电平，通过比较器U1B输出0V来关断场效应管Q1输出，暂停输出启动，待负载可靠接入或断开后再启动输出。

所述短路检测电路由电阻R29、电阻R34、电阻R45、比较器U4B组成，用于在负载短路时关断输出，其工作过程如下：电阻R34和电阻R45对基准电压Vref进行分压后，给比较器U4B的反向输入端提供参考电压0.1V，电阻R29用于监测输出端，当输出短路时，比较器U4B输入端接近0V，比较器U4B输出端为0V，通过PNP型三极管Q2A导通，场效应管Q1截止，关断输出，实现短路保护。

所述过流检测电路由电阻R14、电位器RW1、电阻R18、电阻R24和比较器U2B组成，其工作过程如下：电阻R14和电位器RW1对基准电压Vref分压后给比较器U2B的同向输入端提供参考电压，电阻R24为电流采样电阻，采样信号经电阻R18送到比较器U2B的反向输入端，与同向输入端的基准信号进行比较，如过流则比较器U2B输出0V，通过PNP型三极管Q2A导通，场效应管Q1截止，关断输出，实现过流保护，电位器RW1可以调解过流阀值。

所述单片机电路主要用于负载的通断检测和启动的延时控制，其程序工作流程如图7所示：

第一步：检测是否有保护信号，如果有，则进入第二步，如果没有，则进入第四步；

第二步：关断输出，延时500ms后，进入第三步；

第三步：检测负载通断是否有变化，如果有，则返回第二步，如果没有，则进入第四步；

第四步：启动输出，延时100ms后进入第五步；

第五步：检测输出电压是否正常，如果正常，则返回第一步；如果不正常，则返回第二步。

本实用新型采用单片机智能控制，通过过压、欠压、负载通断、短路、过流等检测电路，时刻监控本安电源电路，并且结合快速关断电路和软启动电路，可监测本安输出启动过程和负载通断变化状态，达到对本安电源的精准控制，大大提高了本安电路的带载能力。

本实用新型依靠单片机智能控制，监测本安输出启动过程和负载通断变化状态，间接判断MOSFET管的工作状态，避免其工作于半导通状态，防止可能出现的发热发烫，从而省掉了一般MOSFET管的较大个的散热片，其次所有启动过程中的延时采用单片机软件实现，省掉了较复杂的延时电路，缩小了电路板空间，体积小，功耗低。