一种本安电源保护电路的制作方法

1.本发明涉及电源技术领域，具体涉及一种本安电源保护电路。


背景技术：

2.天然气是可燃气体的一种，应用广泛，其最小点火能量小，燃烧速度快，扩散能力强。当今随着天然气加注行业的不断发展，安装于天然气加注站的通讯、检测、控制等电子设备也日益增多，这些设备的工作环境可能存在爆炸性气体混合物，潜在的危险性较强。
3.而爆炸的危险性取决因素之一是引燃源的释放的能量大小，当安装于爆炸性气体环境中的电路中释放的能量高于某一临界值时，能够引燃周围的爆炸性气体。出于安全考虑，国家出台相应标准要求这些特殊应用场合的设备必须具备规定的安全防爆特性，并约束了电子电路中的各种电气参数，同时要求采用必要的保护措施来限制电路出现故障时产生的电火花能量和热能，以防止爆炸事故的产生，符合上述规定的电路被称为本安电路。
4.本质安全性电源，以下简称本安电源；在以上特殊应用场合中扮演了重要角色，它是众多加注站用电子设备的能源供给部件，是决定其他电子设备防爆性能的关键部件。作为本安设备，要求其输出在规定条件下，包括正常工作和规定的故障条件产生的任何电火花或者热效应均不能点燃规定的爆炸性气体。
5.而本质安全性电源输入一般是非本安的电路，输出要求为本安电路，为满足防爆标准，常规处理方法之一是对电源非本安输入进行隔离，变换电压以后添加双重保护电路，以限制电源输出能量。
6.具体到电路，常见的本安电源保护电路一般采用齐纳式保护电路或者场效应管限流电路，齐纳式保护电路输出电流有限且需要考虑发热和压降问题。场效应管限流电路在故障发生时，场效应管工作在截止状态或者恒流状态。场效应管工作在截止状态时电源输出与后级彻底截断，此类型的多数保护电路通常设置了两级高位开关，故障发生时只切断电源正极，未阻断电源负极。
7.场效应管工作在饱和区时电源输出进入恒流状态，当输出短路时场效应管发热十分明显，发热状态下元件性能发生变化，增加了热效应的风险，此时往往需要散热器，但又增加了体积。且当本安电源输出电压较低时且输出功率较大时，整个保护电路的损耗变得不可忽略，降低保护电路的压降损耗非常必要。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种用于ib等级的本安电源输出保护，并具备无需散热器、体积较小、快速保护、安全可靠、适应电源电压宽、可保护电源输出的正负极等优点，可提高本安电源自身的安全度的本安电源保护电路。
9.为解决上述技术问题，本发明提供一种本安电源保护电路，其包括连接在直流电源和负载之间的保护电路；保护电路包括两组用于同时监测电源的供电电压状态以及负载的电流状态的子电路；两组子电路中均分别设置有电流检测电路，电压检测电路，电源失效
保护电路，以及用于接收电流检测电路和/或电压检测电路指示信号的延时电路，延时电路通过逻辑控制电路与驱动电路进行连接，驱动电路用于驱动开关电路进行动作；且两组子电路还均与一取样电路和限流电路进行连接，取样电路与电流检测电路连接，限流电路与电源失效保护电路连接。
10.进一步地，电源失效保护电路包括稳压二极管d1、可控硅q1、电阻r1、电阻r2和电容c1；稳压二极管d1的阴极和可控硅q1的t1极接限流电路，稳压二极管d1的阳极通过电阻r1后再接可控硅q1的g极；可控硅q1的g极分别连接接地电容c1和电阻r1的一端，电阻r1的另一端通过电阻r2接电源负极。
11.进一步地，电压检测电路包括比较器u1a、电流源z1、以及电阻r5、r3、r4、r8、r6；电流源z1流过的电流转换为r5的压降；r5的一端接被测电压，另一端接比较器反向输入端，之后再与r3、r4和r6、r8构成分压器，分压输出端接比较器u1a同相输入端，比较器u1a两输入端进行电压大小比较。
12.进一步地，电流检测电路包括比较器u1b、电压源vref、电源经电阻r9与电压源vref相接，并接入比较器u1b的同向输入端，被测信号由取样电路经过电阻r10接入比较器u1b的反向输入端。
13.进一步地，延时电路为单稳态电路hef4538。
14.进一步地，逻辑控制电路为基本逻辑判断电路hef4011，用于故障状态的逻辑判断。
15.进一步地，还包括用于向两组子电路提供电源的稳压电路，稳压电路为低压差线性稳压器，用于产生内部的稳定电压。
16.进一步地，两组子电路的驱动电路不同；
17.两组子电路中的其中一个驱动电路包括晶体管q11、晶体管q13、场效应管q12、接场效应管q14、电容c11以及多个电阻；
18.与该个驱动电路连接的逻辑控制电路输出信号通过电阻r14接场效应管q12的栅极，场效应管q12的漏极经电阻r12接稳压后的电源，且场效应管q12的漏极接电容c11、和晶体管q11的基极；晶体管q11的发射极经电阻r11接稳压后的电源；
19.同时，与该个驱动电路连接的逻辑控制电路输出信号还通过r18接场效应管q14的栅极，场效应管q14的漏极与晶体管q11的发射极，经电阻r16接晶体管q13的基极，晶体管q13的发射极经过电阻r19接地，晶体管q13的集电极经过电阻r15、电阻r13接稳压后的电源，输出信号从电阻r13和电阻r15的共同连接点引出。
20.两组子电路中的另一个驱动电路包括晶体管q20、晶体管q21、电容c20以及多个电阻；与另一个驱动电路连接的逻辑控制电路输出信号通过电阻r23接晶体管q20的基极，晶体管q20的集电极接电阻r20和电容c20，电阻r20的另一端接稳压后的电源；晶体管q20的集电极接r22和晶体管q21的集电极，电阻r22的另一端接电阻r24；
21.同时，与另一个驱动电路连接的逻辑控制电路输出信号通过电阻r25接晶体管q21的基极，晶体管q21的发射极接地，输出从电阻r22和电阻r24的共同连接点引出。
22.进一步地，两组子电路中的其中一个开关电路包括有一个p沟道场效应管，另一个开关电路包括有一个n沟道场效应管。
23.进一步地，开关电路的源极和漏极之间设有3k～10k阻值的分流电阻，两组子电路
的开关电路之间接有假性负载电阻。
24.本发明的有益效果为：该本安电源保护电路可适用于ib等级的本安电源输出保护，并具有无需散热器、体积较小、快速保护、安全可靠、适应电源电压宽、可保护电源输出的正负极的优点，提高了本安电源自身的安全度。
附图说明
25.图1示意性地给出了本安电源保护电路的结构示意图。
26.图2示意性地给出了本安电源保护电路的电源失效保护电路示意图。
27.图3示意性地给出了本安电源保护电路的电压检测电路示意图。
28.图4示意性地给出了本安电源保护电路的电流检测电路示意图。
29.图5示意性地给出了本安电源保护电路的驱动电路1示意图。
30.图6示意性地给出了本安电源保护电路的驱动电路2示意图。
具体实施方式
31.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
32.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
33.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.参见图1～图6，以下结合实施例进行具体说明，且为了简单起见，以下内容省略了该技术领域技术人员所知晓的技术常识。
35.该本安电源保护电路包括连接在直流电源和负载之间的保护电路，保护电路包括两组子电路，两组子电路用于同时监测电源的供电电压状态以及负载的电流状态。
36.正常情况下，该本安电源保护电路与直流电源模块一起安装在专用隔爆盒中，负载则可暴露在可能出现易燃易爆气体的环境中。
37.其中，两组子电路中均分别设置有电流检测电路，电压检测电路，电源失效保护电路，以及延时电路，延时电路用于接收电流检测电路和/或电压检测电路指示信号。
38.延时电路通过逻辑控制电路与驱动电路进行连接，驱动电路用于驱动开关电路进行动作。且两组子电路还均与一取样电路和限流电路进行连接，取样电路与电流检测电路连接，限流电路与电源失效保护电路连接。
39.其两组子电路的开关电路分别控制直流电源的正输出端和负输出端，限流电路和取样电路被两组子保护电路共享。在结构上，直流电源正端、限流电路、其中一组子保护电
路的开关电路、负载、另一组子保护电路的开关电路、取样电路、直流电源负端依次构成串联结构。
40.当直流电源模块与负载之间发生过压过流的故障，本安电源保护电路将会限制向负载供应的电流，并在一段时间以后尝试恢复正常供电。
41.本发明在实际应用中具有体积小、重量轻、故障时快速保护、自动恢复、无须散热器、安全可靠等优点，保证了所接负载在爆炸性环境下的安全运行，有效阻止电火花或热效应构成的安全威胁。
42.在实际操作中，可预设两种过压故障状态等级，当有预设的第一级过压故障状态发生时，电压检测电路会动作触发驱动电路，使得两组开关同时打开。
43.当有过流故障发生时，取样电路产生的信号触发电流检测电路动作，电流检测电路给出指示信号进而同时触发驱动电路和延时电路，使得两组开关同时打开，同时会触发延时电路，延时电路在开关保持打开状态一段时间后再次控制驱动电路，使得开关再次恢复关闭状态，如果过流故障状态依旧存在，则再次保护，保护过程一直重复直到过流故障解除。
44.当有第二级过压故障状态发生时，电源失效保护电路动作进而触发限流电路断开使得整个保护电路收到保护而不被损坏。
45.在本技术中，具体地，该本安电源保护电路的电源失效保护电路包括稳压二极管d1、可控硅q1、电阻r1、电阻r2和电容c1。稳压二极管d1的阴极和可控硅q1的t1极接限流电路，稳压二极管d1的阳极通过电阻r1后再接可控硅q1的g极。
46.可控硅q1的g极分别连接接地电容c1和电阻r1的一端，电阻r1的另一端通过电阻r2接电源负极，可控硅q1的t2极接地。当电源失效电源正端的第二级电压超过预设阈值后，此状态定义为二级过压故障状态，此时稳压二极管d1导通，触发可控硅q1导通，进而触发限流电路熔断。其中，限流电路可由保险丝构成。
47.电压检测电路包括比较器u1a、电流源z1、以及电阻r5、电阻r3、电阻r4、电阻r8和电阻r6。
48.其中，电流源z1流过的电流转换为r5的压降，r5的一端接被测电压，另一端接比较器反向输入端。然后再与r3、r4和r6、r8构成分压器，分压输出端接比较器u1a同相输入端，比较器u1a两输入端进行电压大小比较。当然，可在电阻r6和电阻r8并联电容c4，在r5与r6之间接电容c3。
49.当被检测电压超过第一级预设阈值时，触发比较器u1a输出翻转，取样电路可采用为精密采样电阻。
50.电流检测电路包括比较器u1b、电压源vref、和电阻r9。其中，电源经电阻r9与电压源vref相接，并接入比较器u1b的同向输入端，被测信号由取样电路经过电阻r10接入比较器u1b的反向输入端。
51.当流过取样电路的电流超过预设值时，比较器u1b输出发生翻转。
52.该本安电源保护电路的延时电路包括常规单稳态电路hef4538，可实现精确延时，在进入暂稳态并保持预设时间之后，回归初始状态的功能。
53.该本安电源保护电路的逻辑控制电路包含基本逻辑判断电路hef4011，用于故障状态的逻辑判断。
54.该本安电源保护电路还包括用于向两组子电路提供电源的稳压电路，稳压电路为低压差线性稳压器，用于产生内部的稳定电压。
55.在此应该说明的是，为直观起见，本技术实施例中，以下用标号1、2来分别表示两组子电路，即子电路1与子电路2，且两组子电路中包含的电路也分别用标号1、2来区分。
56.即子电路1中包括有电流检测电路1、电压检测电路1、电源失效保护电路1、延时电路1、逻辑控制电路1、驱动电路1和开关电路1。
57.子电路2中包括有电流检测电路2、电压检测电路2、电源失效保护电路2、延时电路2、逻辑控制电路2、驱动电路2和开关电路2。
58.限流电路和取样电路被两组子电路共享，在结构上，直流电源正端、限流电路、开关电路1、负载、开关电路2、取样电路、直流电源负端依次构成串联结构。
59.在实际操作中，电流检测电路包含一路电压比较器lm339和精密参考电压源，且电流检测电路1和电流检测电路2结构相同。电压检测电路包含一路电压比较器lm339和精密电流源，且电压检测电路1和电压检测电路2结构相同。
60.当然，用于向两组子电路提供电源的稳压电路也为两个，分别为稳压电路1和稳压电路2，分别向两组子电路提供电源。
61.稳压电路1向电流检测电路1，电压检测电路1、延时电路1、逻辑控制电路1、驱动电路1提供电源。
62.稳压电路2向电流检测电路2，电压检测电路2、延时电路2、逻辑控制电路2、驱动电路2提供电源。
63.而该本安电源保护电路的驱动电路1和驱动电路2不同。
64.具体地，驱动电路1包括晶体管q11、晶体管q13、场效应管q12、接场效应管q14、电容c11以及多个电阻。
65.其中，来自逻辑控制电路1的输出信号通过电阻r14接场效应管q12的栅极，场效应管q12的漏极经电阻r12接稳压后的电源，且场效应管q12的漏极接电容c11、和晶体管q11的基极；晶体管q11的发射极经电阻r11接稳压后的电源，当然，q12的漏极还可接电阻r12后接稳压后的电源。
66.同时，来自逻辑控制电路1的输出信号还通过r18接场效应管q14的栅极，场效应管q14的漏极与晶体管q11的发射极，经电阻r16接晶体管q13的基极，晶体管q13的发射极经过电阻r19接地，晶体管q13的集电极经过电阻r15、电阻r13接稳压后的电源，输出信号从电阻r13和电阻r15的共同连接点引出。其电阻r16与晶体管q13的基极之间还连接有接地电阻r17。
67.驱动电路2包括晶体管q20、晶体管q21、电容c20以及多个电阻；来自逻辑控制电路2的输出信号通过电阻r23接晶体管q20的基极，晶体管q20的集电极接电阻r20和电容c20，电阻r20的另一端接稳压后的电源；晶体管q20的集电极接r21和r22和晶体管q21的集电极，电阻r22的另一端接电阻r24。
68.同时，来自逻辑控制电路2的输出信号通过电阻r25接晶体管q21的基极，晶体管q21的发射极接地，输出从电阻r22和电阻r24的共同连接点引出。
69.该本安电源保护电路的开关电路1包括有一个p沟道场效应管，开关电路2包括有一个n沟道场效应管，且个场效应管的源极和漏极之间设有3k～10k阻值的分流电阻。
70.其即开关电路1和开关电路2，分别控制正输出端和负输出端。当然，对应的驱动电路1和驱动电路2不同。并且，还可进一步优选地，令开关电路1与开关电路2之间接有假性负载电阻。
71.当直流电源模块与负载之间发生过压过流的故障，输出保护电路将会限制向负载供应的电流，并在一段时间以后尝试恢复正常供电。
72.本发明在实际应用中具有体积小、重量轻、故障时快速保护、自动恢复、无须散热器、安全可靠等优点，保证了所接负载在爆炸性环境下的安全运行，有效阻止电火花或热效应构成的安全威胁。
73.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。