新型本質(zhì)安全電源保護電路設(shè)計

鄧佳楠，郭慶瑞，余 波，李曉斌

(1.河南理工大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000；2.國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦，內(nèi)蒙古 伊金霍洛旗 017209)

煤礦井下環(huán)境特殊，存在瓦斯、粉塵、一氧化碳等易燃易爆物質(zhì)，因此礦井下的各類通信、監(jiān)控、測量儀器、儀表和自動化等系統(tǒng)設(shè)備必須滿足防爆要求，本質(zhì)安全型是防爆的最佳形式[1]，根據(jù)《爆炸性環(huán)境》(GB/T 3836.4—2021)第四部分[2]：由本質(zhì)安全型“i”保護的設(shè)備，要求設(shè)備在正常工作或發(fā)生故障時產(chǎn)生的火花能量均不足以引發(fā)爆炸。為了使得在易燃、易爆氣體的環(huán)境使用的設(shè)備性能達到電氣本質(zhì)安全，本安電源(即本質(zhì)安全型電源)是不可缺少的關(guān)鍵部件[3，4]，其性能取決于保護電路設(shè)計。本安電源設(shè)計中需要充分地考慮電源電路輸出電壓、電流以及短路或過流的保護關(guān)斷時間，限制輸出短路或短路瞬間產(chǎn)生的火花能量和熱效應(yīng)，從而保證其不能點燃煤礦井下可燃性瓦斯氣體[5，6]。

目前常用的本安電源保護電路形式包括限流型、減流型、截止型等方案，保護辦法是電源與負載回路中串加一個取樣電阻或電感，當電源有短路故障發(fā)生時，電流增大[7]，取樣電壓升高，電源保護電路檢測到取樣電壓的變化，進而限制、減小或關(guān)斷電流輸出，從而實現(xiàn)了本質(zhì)安全型要求。由于保護電路的供電電源與負載回路中添加了取樣電阻或電感，造成了檢測比較電位的動作電壓范圍受限，且檢測電阻的功率消耗使得負載電壓降低，而檢測電感體積大易發(fā)生誤動作。此外，若發(fā)生過載保護，大電流負荷時不容易自動恢復(fù)正常工作，或需要比較復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)等[8]。

根據(jù)《爆炸性環(huán)境》(GB/T 3836.1—2021)第一部分[9]：“非能量限制電路不能對能量限制電路產(chǎn)生不利的影響”。由此可見，本質(zhì)安全電源的核心是能量限制電路，即本安輸出的電路。針對上述情況，本文提供一種簡單、安全、可靠的過流及短路保護電路，電路出現(xiàn)故障時快速截斷電路負載的輸出能量，同時打開微電流電路，使得故障消除后電路自動恢復(fù)工作。

1 電路設(shè)計原理及實現(xiàn)

1.1 設(shè)計原理

新型本質(zhì)安全電源保護電路的整體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示，其中VIN+和VIN-為輸入正負極，VOUT+和VOUT-為輸出正負極[10]，非本安電源和本安電源輸出共用地線(VIN-與VOUT-直接連接)，供電主電流僅設(shè)置可控開關(guān)，同時添加電流鏡像副電路，由副電路按一定的比例復(fù)制主路電流，由副電路采樣，信號調(diào)理電路將采樣電壓放大、移位至滯回比較器閾值范圍，并接比較器負輸入端，短路檢測反饋信號接比較器正輸入端。當電路負載發(fā)生過流或短路時，滯回比較器輸出過流或短路控制信號，迅速關(guān)斷主電流開關(guān)，達到本安保護的目的；同時啟動微電流開關(guān)，用于檢測短路故障是否消除，使得故障消除后能夠自動恢復(fù)主電流開關(guān)電路。

圖1 本質(zhì)安全電源保護電路結(jié)構(gòu)框架Fig.1 Intrinsically safe power supply circuit structure framework

1.2 電路實現(xiàn)及定性分析

根據(jù)本安電源保護電路工作原理及整體結(jié)構(gòu)框圖，實現(xiàn)電路設(shè)計如圖2所示，其中電流鏡副電路中的Q5按一定比例復(fù)制主電流開關(guān)電路的電流，然后通過RPot將其轉(zhuǎn)換為檢測電壓；信號調(diào)理電路完成對檢測電壓的電位移位功能，并輸入到滯回比較器的負輸入端。短路檢測電路通過R1、R3和R6的分壓作用到實現(xiàn)短路電壓的檢測功能，并傳送至滯回比較器的正輸入端。Q4和Q8連接形式為有源負載共源極(CMOS反相器)；Q3和Q4構(gòu)成鏡像電路，并完成對負載主電路的Q2開關(guān)控制。微電流開關(guān)串接限流二極管，提供故障恢復(fù)的檢測電壓，同時限制電壓的供電電流。

圖2 電路主體設(shè)計Fig.2 Circuit main design diagram

正常工作時，滯回比較器的正輸入端電壓大于負輸入端電壓，比較器輸出高電平[11]，Q8打開，使得Q2、Q5的PMOS管柵極G為低電平，不會影響系統(tǒng)的正常工作，此時微電流開關(guān)的PMOS管柵極G為高電平，微電流關(guān)閉狀態(tài)。

當短路現(xiàn)象發(fā)生時，滯回比較器的正輸入端電壓急劇降低，此時正輸入端電壓小于負輸入端電壓，Q8的NMOS柵極電壓降低，呈關(guān)斷狀態(tài)，使得Q2、Q5的PMOS管柵極G為高電平，負載電路及其電流鏡電路關(guān)斷，同時微電流開關(guān)電路的PMOS開關(guān)柵極G為低電平，微電流電路開啟短路故障檢測工作，使得短路故障排除后能夠自恢復(fù)主電路開關(guān)正常供電功能。當過流現(xiàn)象發(fā)生時，滯回比較器的負輸入端電壓升高，此時負輸入端電壓大于正輸入端電壓，同樣引起Q8的NMOS柵極電壓降低，開啟過流保護功能和故障排除后的自恢復(fù)功能。

由于滯回比較器R7和R5的負反饋功能，電路在電平轉(zhuǎn)換過程中不會有太大波動。調(diào)整R1、R3和R6設(shè)定短路檢測的基準電壓Vsref，調(diào)整RPot的可變電阻大小，可改變過流檢測閾值Iref，其過流檢測基準電壓為Viref，通過信號調(diào)理電路放大、移位至負輸入端。

實現(xiàn)故障保護后，在鏡像電路和有源負載共源極(CMOS反相器)電路的作用下，保證PMOS管Q2、Q5能始終處于關(guān)斷狀態(tài)，實現(xiàn)電路保護的高可靠性。微電流電路在D1作用下會限制輸出微小電流，故障排除后將對負載網(wǎng)絡(luò)充電，為電路自恢復(fù)作準備。

2 軟啟動電路和多重保護電路設(shè)計

2.1 軟啟動電路設(shè)計

考慮到電源啟動過程中，負載電路浪涌電流突然增大，可能會造成電流鏡電路把啟動電流當作過流故障處理，造成誤動作[12]。因此，本次設(shè)計提供一種電源軟啟動方案供參考如圖3所示。VVIN+為軟啟動電路前端供電電壓；輸入電源啟動時，Q10的柵極為低電平，PMOS導(dǎo)通，輸入電壓VVIN+通過電阻R10對電容C1(建議為10～100 μF)進行充電，C1兩端電壓逐漸上升直至飽和后充電結(jié)束，Q10的柵極為高電平，PMOS截止；在此過程中，Q10的柵極和源極與C1相連，電壓由恒流區(qū)上升至飽和區(qū)[13]，在恒流區(qū)即可起到較好的軟啟動作用。對于大功率負載電路的啟動問題，可以增加全橋式拓撲結(jié)構(gòu)來增大電路帶載能力。

圖3 電源參考電路Fig.3 Reference circuit of power supply

2.2 多重保護電路設(shè)計

一些特殊的本質(zhì)安全應(yīng)用環(huán)境需要采用多重化的保護電路[14]，根據(jù)不同的應(yīng)用場所的危險等級，本質(zhì)安全電氣設(shè)備分為了“ia”“ib”“ic”三種保護等級[15]。不同的保護等級需要的保護電路數(shù)量不同。對于多重保護電路而言，串聯(lián)冗余方式比并聯(lián)冗余方式更適合工作在爆炸性氣體環(huán)境中的本安電源使用[16]。本次設(shè)計中考慮到該應(yīng)用場景，設(shè)計的滯回比較電路和檢測電路可以為一個或多個，通過串聯(lián)方式提供多重故障監(jiān)測保護功能。任意一個監(jiān)測模塊監(jiān)測到故障信號，即可及時閉鎖負載電路。對于多個監(jiān)測電路模塊，可以通過增加或門電路來解決信號的輸入和輸出問題，能夠滿足本安電路的多重保護等級要求。具體的判斷方式和工作原理與圖2單重保護電路一致。多重保護電路設(shè)計參考方案如圖4所示。

圖4 多重保護電路設(shè)計方案Fig.4 Design scheme of multiple protection circuits

3 仿真結(jié)果分析

對上述電路設(shè)計進行動態(tài)模擬仿真測試其仿真參數(shù)見表1，模擬負載電路存在過流和短路故障情況下，分析本安電源保護功能的可行性[17]。模擬負載電路的軟啟動過程，分析軟啟動電路適用于本質(zhì)安全電源保護電路的可行性。短路故障時，電流采樣電路短時間不會產(chǎn)生波動，此時電流采樣電路的輸出端即滯回比較電路的負輸入端可以作為比較器的基準電壓。過流故障時，短路檢測電路短時間不會產(chǎn)生波動，此時短路檢測電路的輸出端即滯回比較電路的正輸入端可以作為比較器的基準電壓。

表1 本安電路仿真電路主要參數(shù)Table 1 Intrinsicall safe circuit simulation circuit main parameters

無保護電路和保護電路電流瞬態(tài)變化如圖5所示，其仿真條件是負載進行周期性變化，變化范圍為0～10 Ω。圖5(a)仿真結(jié)果顯示，故障發(fā)生時(負載為0)，在沒有短路保護電路的情況下，輸出電流被由600 mA升高為1 A，負載電路無法關(guān)斷，后續(xù)周期內(nèi)會引起強火花現(xiàn)象。圖5(b)仿真結(jié)果顯示，故障發(fā)生時(負載為0)，在有短路保護電路的情況下，輸出電流為0，負載電路開關(guān)及時關(guān)斷，此時由微電流開關(guān)電路提供1 mA左右的檢測電流。故障排除后，在微電流電路作用下，系統(tǒng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

圖5 無保護電路和保護電路電流瞬態(tài)變化Fig.5 Transient current variation in unprotected circuits and in current

軟啟動電路仿真參數(shù)如圖6所示；仿真結(jié)果顯示，相較于直接啟動方案，軟啟動給了本安設(shè)備更多的反應(yīng)時間，減少啟動時的電流、電壓激增，從而降低了過流、過壓、檢測電路誤動作的風(fēng)險，起動時間在30 μs左右。

圖6 電源啟動電路仿真Fig.6 Simulation diagram of power-on circuit

將本安電源保護電路模塊接入負載進行測試[18]，采用0.65 A的12 V電源進行供電，用數(shù)字示波器和探頭對電源保護工作和故障狀態(tài)進行邊沿觸發(fā)檢測，進而獲取本安電源保護電路模塊實際應(yīng)用中電源關(guān)斷所需的時間，并與仿真結(jié)果進行關(guān)斷時間、負載電流輸出、微電流輸出、負載電路電壓進行對比分析，分析結(jié)果見表2。

表2 后仿真與測試結(jié)果的比較Table 2 Comparison between post-simulation and test results

4 結(jié) 語

本次設(shè)計的本質(zhì)安全電源電路，確保在電路過流和短路的情況下，瞬間徹底關(guān)斷負載主電路，解決了本質(zhì)安全電源過流或短路保護問題。同時該電路具備以下特點：①高可靠性、高靈敏性，滯回電路使得故障信號在接近基準信號時候避免誤動作或去除干擾；②微電流電路在故障消除后能檢測故障是否排除，確保電路能夠及時自動恢復(fù)至正常狀，特別適應(yīng)于寬范圍可調(diào)電壓的大電流負荷；③由于采用電流鏡小比例復(fù)制主電流，使得電流采樣電路電流較小，或者功率消耗較小，整體保護電路不容易發(fā)熱等安全隱患，且對負載不產(chǎn)生分壓副作用；④仿真測試結(jié)果和實際生產(chǎn)的集成電路板差距微乎其微，通過調(diào)整電流鏡電路的采樣電阻可以設(shè)定過流閾值，也可以調(diào)整負載端并聯(lián)電阻比值調(diào)整短路檢測的基準電壓；⑤采用了軟啟動短路防止負載電路浪涌電流突然增大造成的保護電路過流誤動作。實際中可將電壓比較器、無觸點開關(guān)、電阻、電容或部分元器件等做到了芯片內(nèi)部，外圍僅個別調(diào)整性能的元器件，形成電源保護的標準集成塊或芯片。