自恢復(fù)閘流保護的低功耗本安電路設(shè)計

李享元，謝水清，朱學慧

(1.中南民族大學電子信息工程學院，湖北武漢 430074 ； 2.中南民族大學實驗教學與實驗室管理中心，湖北武漢 430074)

0 引言

隨著微電子技術(shù)和智能儀器儀表的發(fā)展，煤礦井下作業(yè)環(huán)境中使用智能檢測儀器和設(shè)備越來越廣泛[1-5]，各種便攜式安全檢測儀表得到廣泛使用，特別礦用本安的儀器在礦井中的安全監(jiān)測和設(shè)備得到廣泛使用[6-9]。煤礦井下存在瓦斯和一氧化碳等爆炸性氣體，使用的儀表和設(shè)備都要求到達本安技術(shù)標準[1]，即國標GB3836.1和GB3836.4這兩個標準[10-11]。這就要求礦用本安型的儀器在設(shè)計時一定要考慮工作電壓、電流以及功率等情況，作好充分的保護工作[12-14]，以防止過壓或過流以及保護不及時而引爆瓦斯氣體和煤粉塵[15]。在新型礦用儀器中，采用了霍爾電流檢測和功率場效應(yīng)管的閘流保護技術(shù)，設(shè)計了新型的本安保護電路[16]，利用單穩(wěn)延時電路，調(diào)節(jié)在過流保護后的自恢復(fù)時間，并可設(shè)置閘流閾值以適用不同負載。應(yīng)用該本安保護電路設(shè)計的儀器通過了防爆檢測和煤礦安全標志認證。

1 基于閘流保護的本安電路設(shè)計

便攜式礦用儀器選用鎳氫電池來給本安電源供電。根據(jù)國家金屬氫化物鎳電池的可靠性測試標準GB/T18288—2000，選用的鎳氫電池需要生產(chǎn)廠家委托具有法定檢測資質(zhì)的機構(gòu)進行以下幾個方面的測試，并出具相應(yīng)的測試報告：放電性能測試、快速充電性能測試、環(huán)境適應(yīng)性測試、荷電保持能力、安全保護性能、循環(huán)壽命和儲存測試。在本安型電路設(shè)計中，如何精確地檢測超限電流是一個重要的環(huán)節(jié)。一種方式是電源回路里面?zhèn)魅胂蘖麟娮瑁谳敵龆硕搪窌r的電流小于額定的安全電流方式[13]，這種方式功耗大，體積大，工作時發(fā)熱嚴重，電源輸出功率效率低下。在采用截流限流保護的本安電路中[17]，電流采樣用低阻值電阻和專門集成電路如凌特公司的LT1185芯片的方案，該電路復(fù)雜，調(diào)試難度大。其他本安電路有采用專門的限流和限壓集成電路的方案，參數(shù)設(shè)置的靈活性差，不易調(diào)節(jié)。采樣電阻也無形中增大了本安電路的內(nèi)阻，使得供電效率低下。如何選取靈活性強、內(nèi)阻小和設(shè)置方便的電流采樣方案是本安電路設(shè)計中需要重點考慮的問題[18]。經(jīng)過查閱資料，選擇ACS712電流霍爾傳感器作為本安電路中電流采樣器件[19]，具有體積小、內(nèi)阻小、效率高和調(diào)節(jié)設(shè)置方便的特點。本安保護電路包括4部分：

(1)穩(wěn)壓電路：來自電池的電壓穩(wěn)壓后提供5 V電壓給本安電路供電；

(2)電流檢測：ACS712電流霍爾傳感器檢測工作電流信號，輸出與電流成比例的電壓信號；

(3)比較和延時電路：電流霍爾傳感器檢測工作電流信號，送入比較器與設(shè)定的本安電流值相比較，低于閾值，電路正常供電，如果供電電流大于設(shè)定值，輸出高電平信號觸發(fā)NE555的單穩(wěn)延時電路，輸出關(guān)斷信號；

(4)保護輸出：由NE555的單穩(wěn)延時電路輸出關(guān)斷信號控制開關(guān)輸出電路，關(guān)閉輸出功率VMOS管，關(guān)閉本安電路的輸出，起到安全保護作用。

這樣的保護電路由第一級和第二級組成兩級保護電路。在電池組的外圍有充電保護電路。整個系統(tǒng)的電路框圖如圖1所示。

圖1 二級本安電路框圖

1.1 本安電流傳感器選型

為了降低電流采樣電阻的壓降和功耗，選用霍爾電流傳感器ACS712。它是一種線性霍爾電流傳感器，采樣電流通路阻值為1.2 mΩ，內(nèi)置精確的低偏置線性霍爾電流傳感器，能輸出與檢測的交直流電流成正比的電壓信號。它噪聲低，輸出上升時間快，總的輸出誤差最大為4%，具有高的輸出靈敏度。ACS712采用表貼封裝，體積小[19]。該器件主要由靠近芯片表面的銅制的電流通路和精密的低偏置線性傳感器電路組成。內(nèi)部電流通路與傳感器檢測電路部分電氣絕緣。輸出的電壓信號由芯片內(nèi)部穩(wěn)定的斬波技術(shù)型低偏置BiMOS霍爾集成電路提供，可以消除芯片的溫漂誤差，進行了出廠精確校準。芯片內(nèi)部包含內(nèi)部濾波電阻，通過外接一個濾波電容就可以組成一階RC低通濾波器。本文設(shè)計的本安電路電流在1.5 A左右，電流芯片選型為ACS712ELCTR-05B-T，其量程為5 A，滿足電流檢測要求。

1.2 充電電路和開關(guān)控制電路的設(shè)計

電池經(jīng)過電池保護片和自恢復(fù)保險絲的保護后接入本安保護電路，如圖2所示。其中D1和D2起到充電反接保護和充電電路隔離作用，不會向充電器反向供電。本安供電的正極由VOUT1輸出，F(xiàn)3是自恢復(fù)保險。TPS76350輸出5 V電壓供電給本安電路。本安電路的自鎖開關(guān)接到JP1上，控制TPS76350輸出5 V電壓。如果需要隔離遠程控制，通過光電隔離器件Q817，在JK1施加5 V以上的直流電平，也可以控制本安電路的工作電壓5 V的輸出。其中下拉電阻R3是保證在關(guān)斷時TPS76350的使能端EN電平確定為低電平。

圖2 本安充電和開關(guān)控制電路原理圖

1.3 過流檢測和保護延時電路的設(shè)計

第一級本安保護電路如圖3所示，電流檢測由ACS712完成，其輸出的電壓信號經(jīng)過R14和C5濾波后的IOUT1連接到比較器LM393的引腳2，與電位器W1設(shè)定過流閾值相比。當過流后，比較器U4A輸出低電平，觸發(fā)NE555、R9、R10和C3組成單穩(wěn)延時電路輸出高電平信號ON1，使得三極管Q1導通，導致功率MOS管Q2的柵極電壓Ugs為低電平，Q2關(guān)斷，關(guān)閉輸出供電，使得JOUT1無輸出。NE555單穩(wěn)延時時間T=1.1(R9+R10)C3，在圖3中參數(shù)延時約為0.22 s左右，用戶可以自由地調(diào)節(jié)參數(shù)，延長和縮短時間。如果過流觸發(fā)延時后，電路會自動恢復(fù)正常工作。如故障依然存在，繼續(xù)關(guān)斷輸出電壓[20]。

圖3 第一級本安保護電路圖

保護電路的工作時序如圖4所示，在這種模式下，本安電路測試時不會產(chǎn)生連續(xù)火花，只是在動作瞬間過流輸出。這種保護模式對供電電池起到很好的保護作用，在故障情況下提高電池的供電時間。該電路可以實現(xiàn)精確過流檢測、比較判斷和觸發(fā)保護、關(guān)斷延時和自動恢復(fù)功能，具有電路簡單，可靠性好，保護反應(yīng)速度快的特點。

圖4 保護電路輸出的時序圖

第二級本安保護電路如圖5所示，與第一級本安保護電路圖3基本相似。從第一級輸出電壓從JOUT1輸出到圖5的VOUT1和GND1，經(jīng)過保險F4和F5到U6輸出5 V工作電壓。圖5的中間部分是過流檢測和關(guān)斷電路。圖5的下部分是比較和單穩(wěn)延時電路，控制第二級的功率MOS管Q4的開啟和關(guān)斷，最終從JOUT輸出本安電壓。圖5的基本原理跟圖3相似，它們串聯(lián)起來，組成兩級本安保護電路。

圖5 第二級本安保護電路

2 電路的參數(shù)計算和性能測試

設(shè)計后本安電路需要進行相關(guān)的性能測試[21]，如電壓和電流偏離率、電路效率、電源內(nèi)阻、過流故障保護電路響應(yīng)時間和最不利情況發(fā)生時的輸出能量的大小[22]。本安電源內(nèi)阻主要是由電池內(nèi)阻、電壓保護片、自恢復(fù)保險阻值和開管Q2導通電阻引起的壓降組成。電流偏移率主要由ACS712的檢測精度決定，最大誤差在4%左右。本安電源效率考核設(shè)計的本安電路的功率轉(zhuǎn)換效率，其效率主要是由本安電路的綜合內(nèi)阻決定的。本文設(shè)計的電路的過流關(guān)斷響應(yīng)時間主要由電流傳感器響應(yīng)時間、閾值比較器延時、單穩(wěn)電路上升響應(yīng)時間和Q1及Q2組成關(guān)斷開關(guān)時間組成。t1為ACS712的響應(yīng)時間，約為1 μs，t2為比較器LM393響應(yīng)時間，約為0.1 μs，t3為單穩(wěn)電路的電平反轉(zhuǎn)時間，t3=0.63R8C3，降低R8和C3的值可以加快保護反應(yīng)時間。t4為Q2柵極電容Cgs和Q2的導通阻值的放電時間，約為0.1 μs。一個保護周期內(nèi)的保護反應(yīng)時間t=t1+t2+t3+t4，約為7.3 μs，主要由t3值決定。在輸出短路輸出脈沖寬度為7.3 μs，恢復(fù)周期T=1.1(R9+R10)C3=0.22 s。在故障情況下，輸出電源脈沖的占空比為0.000 03，在萬分之一左右，對供電電池容量起到很好的保護作用。該輸出脈沖的電壓為8.4 V，本安輸出電流為1.5 A，該脈沖總能量W=UIt=92 μJ。其中U為輸出電壓值8.4 V，I為輸出本安電流1.5 A，t為輸出脈沖寬度7.3 μs，滿足國家標準GB3836.4—2010中給出的ExibI Mb類設(shè)備的小于最小點燃能量的160 μJ的規(guī)定值[20]，達到了本安電路技術(shù)要求。

本文設(shè)計的本安電源經(jīng)過國家煤礦防爆安全產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心試驗，測試電路如6所示。主要實驗數(shù)據(jù)如表1所示。本安電路的內(nèi)阻計算公式：r=(U1-U2)/I2。電池輸出功率P1=U1I1，本安電路輸出功率P2=U2I2，電路效率ξ=(P2/P1)×100%。經(jīng)過火花實驗，其任一選擇的正常和故障狀態(tài)下的短路、通斷實驗均未出現(xiàn)點燃現(xiàn)象，其最終本安參數(shù)分別為UO=8.4 V和IO=1.5 A，完全滿足儀器供電和本安設(shè)計要求。在表1中，U1為電池組輸出電壓，U2為本安電路輸出電壓，I1為電池組輸出電流，I2為本安電路輸出電流，P1、P2、r和ξ都是計算值。計算結(jié)果顯示本安電路的內(nèi)阻均值約為0.113 Ω，電路輸出效率均值為97.83%左右。

圖6 本安保護測試電路

序號U1/VI1/AU2/VI2/AP2/Wr/Ωξ/%18.4000.0118.395空載空載28.3100.8278.2200.8176.7160.10997.7238.3400.8848.2500.8777.2350.10298.1448.4100.9158.3100.9087.5450.11098.0658.4200.9828.3100.9768.1110.11298.0968.4301.0418.3101.0338.5840.11697.8278.4101.0748.2701.0658.8080.13197.5188.4201.3728.2701.36211.2640.11097.5098.4101.6098.2301.60113.1760.11297.37

3 結(jié)束語

在常規(guī)的煤礦本質(zhì)安全型儀器的供電電路設(shè)計中，截流及限流保護電路是首選技術(shù)之一。設(shè)計的新型礦用瞬變電磁儀YCS600-I(防爆合格證號：SHExC13.1086)和YCS800(防爆合格證號：SHExC13.1859)兩個型號的本安電源設(shè)計，采用了霍爾電流檢測和閘流保護模式的本安電路，具有電路簡單、關(guān)斷時間短、效率高和參數(shù)設(shè)置方便的特點。本文設(shè)計的本安電路從性能和測試方面進行討論和分析，基于電子閘流保護模式本安電路在故障情況下，輸出電源脈沖能量約為91.98 μJ，低于國標規(guī)定值，并獲得了相關(guān)的防爆合格證和礦用安全標志證書，在山西和貴州多個煤礦得到應(yīng)用。