一种有效抑制火花能量的过流保护电路

郭 锐，李 虹，韦晓璐

(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024)

随着我国工业生产安全性指标的不断提高，电源的过压、过流、短路保护等要求也随之提高；同时，煤矿等作业的快速和高效发展，危险环境下的特殊安全保护也越来越受到国家的重视。以煤矿用本质安全电路为例，如何有效抑制短路发生时的火花能量，保证火花热效应能量在安全阈值范围内，以确保不引爆异常情况下瓦斯等(CO、CH4、S)易爆炸性气体，达到保护煤矿等环境的安全生产要求[6]。本方案是针对通用12 V、18 V、24 V、36 V的矿用本安电源来详细地阐述短路保护电路的原理和特点，以及安全环境下的生产要求。本方案是针对通用12 V、18 V的矿用本安电源来详细地阐述短路保护电路的原理和特点。

1 系统原理

如图1所示，在电路干路上(高边检测)串入电流检测采样电阻Rs和P-MOS开关管。电流检测电路检测采样电阻Rs上流过的电流，并转变放大成电压信号，输出给比较器。比较器通过比较Uout输出值与设定值Vref的大小，得到控制电压[1-2]。当干路过流时，将触发延时电路使MOS管关断；延时一定时间后，再将MOS管开通。若过流状态消除，则MOS管开通，电路恢复正常，否则将再次触发延时电路，立即关断MOS管，并延时开通，以此反复。

图1 主电路原理示意图Fig.1 The Schematic circuit

如图2所示，Ui为受保护电源(3 V～36 V)，Vcc为供电电源(5 V～36 V).串入电路干路的检测电阻应比较小(0.01 Ω～0.1 Ω)以降低功耗，开关管也应选择较小的RDS导通电阻。

正常情况下，电流检测后的电压变送输出，满足UoutU2，运放U3输出Uo2为低电平，P-MOS管开通，向负载供电。当干路发生过流故障时，UoutU2，Uo2变为低电平，P-MOS管开通。若过流故障消除，则电路恢复正常，否则再次关断电路。

图2 主电路仿真示意图Fig.2 The artificial diagram of main circuit

2 主要电路

2.1 高边电流检测

如图3高边电流检测模块所示，电路的作用是，检测接在Rsence+和Rsence-之间的取样电阻的电压，然后以固定的倍率(本文中取20倍)，从“Uo”口输出一个对地的直流电压[7]。

图3 高边电流检测电路Fig.3 The circuit of high-side current detection

电路简单分析：Q1提供一个相对高端偏移的基准电压，Q2提供相对采样电阻分压的偏移电压，Q3，Q4，Q5组成两个相同的恒流源，对Q1和Q2供电，确保两只管子工作在特性相近的状态。

采样电阻上的分压，被Q2偏移后，和Q1基准产生一个压差，这个压差在数值上就等于采样电阻自身的压降。这个压差在R6上形成电流，通过Q6和Q7组成的镜像恒流源，其中一路在R5上形成输出，另一路输入到Q2，用来补偿Q1因增加了R6的分流所形成的电压误差。R5和R6的比值决定了电路放大倍数，R4比R5略小，作用是在Q2上形成一定的过补偿(或者说正反馈)，减少因晶体管放大倍数有限 带来的电路增益误差[4]。R2和R3相同，作用是为Q1和Q2提供相同的电流。

计算过程：流过R6的电流：

(1)

而IR6+IbQ2=IeQ8

(2)

ICQ8≈IeQ8=IeQ6+IbQ7

(3)

即IR6+IbQ2=IeQ6+IbQ7

(4)

从而IR6=IeQ6

(5)

(6)

此电路中R5=20 kΩ，R6=1 kΩ

故理论上：UOUT=20IRsRs

(7)

实际测试得：UOUT≈24IRsRs

(8)

实际数据请参见表1所示:

2.2 保护(动作)电流设定

图4 电流设定电路Fig.4 The circuit of current set

如图4所示的电流设定电路，比较器阈值Vref用分压电阻R7和R8设定，当电流检测电路的输出Uout小于Vref，即未过流，比较器输出高电平。当电流检测电路的输出Uout大于Vref，电路干路发生过流故障，比较器输出低电平[5]。

2.3 延时开通电路

原理说明：

图5 延时开通电路Fig.5 The circuit of delay opening

其时序如图6所示，只要输入端有一个小的低电平触发脉冲T1，便可得到比较长的高电平T输出，实现延时功能。

图6 延时开通时序Fig.6 The sequence chart of delay opening

3 测试结果分析

表1 高边电流检测参数Tab.1 The detection parameters of high-sidecurrent detection

测得MOS管G极的波形(上)和电容C1上的波形(下)如图7所示。测试设备：固玮GDS2000-100型双踪示波器，采样纵轴电压显示单位1 V，横轴时间单位2 ms.

图7 通断示波器截图Fig.7 The artificial result of oscilloscope

从示波器上可以看到过流/短路发生时，电路迅速关断，延时4 ms后，再次开通，但因故障为解除，电路也将再次迅速关断；而且，因为开关动作器件在电感、电容的“后部”，储能元件的释放能量也不会冲激到负载环节，可以有效短路抑制火花能量，保证本安电路的“安全使用”[3]。

4 结论

经理论分析和实际测试，此短路保护电路能够有效抑制短路瞬间的火花能量，在保护电路的同时，可以有效防止周围可燃气体的引爆，从而达到本质安全电路的要求，具有显著的经济效益和社会效益。

本设计方案已申请专利，专利受理号：201420168443.7

参考文献：

[1] 刘辉.隔爆兼本安直流稳压电源的研究[D].西安：西安科技大学，2005 .

[2] 陈向东.矿用本质安全电源[J].煤炭科学技术，1997(6)：36-39.

[3] 汪淳，谢晓春.本安电路与非本安电路的隔离方式及要求[J].煤矿自动化，1998(2)：40-41.

[4] 主文清.提高矿用本安电源带载能力的研究与实践[J].煤炭工程，2008(11)：104-106.

[5] 朱前伟.矿用本质安全型电源的基本要求和设计方法[J].工矿自动化，2012，25(6)：22-25.

[6] 王磊，振壁.一种新型的本安电源[J].工矿自动化，2008(2)：82-84.

[7] 张燕美，李维坚.本质安全电路设计[M].北京：煤炭工业出版社，1992.