自恢复闸流保护的低功耗本安电路设计

李享元，谢水清，朱学慧

(1.中南民族大学电子信息工程学院，湖北武汉 430074 ； 2.中南民族大学实验教学与实验室管理中心，湖北武汉 430074)

0 引言

随着微电子技术和智能仪器仪表的发展，煤矿井下作业环境中使用智能检测仪器和设备越来越广泛[1-5]，各种便携式安全检测仪表得到广泛使用，特别矿用本安的仪器在矿井中的安全监测和设备得到广泛使用[6-9]。煤矿井下存在瓦斯和一氧化碳等爆炸性气体，使用的仪表和设备都要求到达本安技术标准[1]，即国标GB3836.1和GB3836.4这两个标准[10-11]。这就要求矿用本安型的仪器在设计时一定要考虑工作电压、电流以及功率等情况，作好充分的保护工作[12-14]，以防止过压或过流以及保护不及时而引爆瓦斯气体和煤粉尘[15]。在新型矿用仪器中，采用了霍尔电流检测和功率场效应管的闸流保护技术，设计了新型的本安保护电路[16]，利用单稳延时电路，调节在过流保护后的自恢复时间，并可设置闸流阈值以适用不同负载。应用该本安保护电路设计的仪器通过了防爆检测和煤矿安全标志认证。

1 基于闸流保护的本安电路设计

便携式矿用仪器选用镍氢电池来给本安电源供电。根据国家金属氢化物镍电池的可靠性测试标准GB/T18288—2000，选用的镍氢电池需要生产厂家委托具有法定检测资质的机构进行以下几个方面的测试，并出具相应的测试报告：放电性能测试、快速充电性能测试、环境适应性测试、荷电保持能力、安全保护性能、循环寿命和储存测试。在本安型电路设计中，如何精确地检测超限电流是一个重要的环节。一种方式是电源回路里面传入限流电阻，在输出端短路时的电流小于额定的安全电流方式[13]，这种方式功耗大，体积大，工作时发热严重，电源输出功率效率低下。在采用截流限流保护的本安电路中[17]，电流采样用低阻值电阻和专门集成电路如凌特公司的LT1185芯片的方案，该电路复杂，调试难度大。其他本安电路有采用专门的限流和限压集成电路的方案，参数设置的灵活性差，不易调节。采样电阻也无形中增大了本安电路的内阻，使得供电效率低下。如何选取灵活性强、内阻小和设置方便的电流采样方案是本安电路设计中需要重点考虑的问题[18]。经过查阅资料，选择ACS712电流霍尔传感器作为本安电路中电流采样器件[19]，具有体积小、内阻小、效率高和调节设置方便的特点。本安保护电路包括4部分：

(1)稳压电路：来自电池的电压稳压后提供5 V电压给本安电路供电；

(2)电流检测：ACS712电流霍尔传感器检测工作电流信号，输出与电流成比例的电压信号；

(3)比较和延时电路：电流霍尔传感器检测工作电流信号，送入比较器与设定的本安电流值相比较，低于阈值，电路正常供电，如果供电电流大于设定值，输出高电平信号触发NE555的单稳延时电路，输出关断信号；

(4)保护输出：由NE555的单稳延时电路输出关断信号控制开关输出电路，关闭输出功率VMOS管，关闭本安电路的输出，起到安全保护作用。

这样的保护电路由第一级和第二级组成两级保护电路。在电池组的外围有充电保护电路。整个系统的电路框图如图1所示。

图1 二级本安电路框图

1.1 本安电流传感器选型

为了降低电流采样电阻的压降和功耗，选用霍尔电流传感器ACS712。它是一种线性霍尔电流传感器，采样电流通路阻值为1.2 mΩ，内置精确的低偏置线性霍尔电流传感器，能输出与检测的交直流电流成正比的电压信号。它噪声低，输出上升时间快，总的输出误差最大为4%，具有高的输出灵敏度。ACS712采用表贴封装，体积小[19]。该器件主要由靠近芯片表面的铜制的电流通路和精密的低偏置线性传感器电路组成。内部电流通路与传感器检测电路部分电气绝缘。输出的电压信号由芯片内部稳定的斩波技术型低偏置BiMOS霍尔集成电路提供，可以消除芯片的温漂误差，进行了出厂精确校准。芯片内部包含内部滤波电阻，通过外接一个滤波电容就可以组成一阶RC低通滤波器。本文设计的本安电路电流在1.5 A左右，电流芯片选型为ACS712ELCTR-05B-T，其量程为5 A，满足电流检测要求。

1.2 充电电路和开关控制电路的设计

电池经过电池保护片和自恢复保险丝的保护后接入本安保护电路，如图2所示。其中D1和D2起到充电反接保护和充电电路隔离作用，不会向充电器反向供电。本安供电的正极由VOUT1输出，F3是自恢复保险。TPS76350输出5 V电压供电给本安电路。本安电路的自锁开关接到JP1上，控制TPS76350输出5 V电压。如果需要隔离远程控制，通过光电隔离器件Q817，在JK1施加5 V以上的直流电平，也可以控制本安电路的工作电压5 V的输出。其中下拉电阻R3是保证在关断时TPS76350的使能端EN电平确定为低电平。

图2 本安充电和开关控制电路原理图

1.3 过流检测和保护延时电路的设计

第一级本安保护电路如图3所示，电流检测由ACS712完成，其输出的电压信号经过R14和C5滤波后的IOUT1连接到比较器LM393的引脚2，与电位器W1设定过流阈值相比。当过流后，比较器U4A输出低电平，触发NE555、R9、R10和C3组成单稳延时电路输出高电平信号ON1，使得三极管Q1导通，导致功率MOS管Q2的栅极电压Ugs为低电平，Q2关断，关闭输出供电，使得JOUT1无输出。NE555单稳延时时间T=1.1(R9+R10)C3，在图3中参数延时约为0.22 s左右，用户可以自由地调节参数，延长和缩短时间。如果过流触发延时后，电路会自动恢复正常工作。如故障依然存在，继续关断输出电压[20]。

图3 第一级本安保护电路图

保护电路的工作时序如图4所示，在这种模式下，本安电路测试时不会产生连续火花，只是在动作瞬间过流输出。这种保护模式对供电电池起到很好的保护作用，在故障情况下提高电池的供电时间。该电路可以实现精确过流检测、比较判断和触发保护、关断延时和自动恢复功能，具有电路简单，可靠性好，保护反应速度快的特点。

图4 保护电路输出的时序图

第二级本安保护电路如图5所示，与第一级本安保护电路图3基本相似。从第一级输出电压从JOUT1输出到图5的VOUT1和GND1，经过保险F4和F5到U6输出5 V工作电压。图5的中间部分是过流检测和关断电路。图5的下部分是比较和单稳延时电路，控制第二级的功率MOS管Q4的开启和关断，最终从JOUT输出本安电压。图5的基本原理跟图3相似，它们串联起来，组成两级本安保护电路。

图5 第二级本安保护电路

2 电路的参数计算和性能测试

设计后本安电路需要进行相关的性能测试[21]，如电压和电流偏离率、电路效率、电源内阻、过流故障保护电路响应时间和最不利情况发生时的输出能量的大小[22]。本安电源内阻主要是由电池内阻、电压保护片、自恢复保险阻值和开管Q2导通电阻引起的压降组成。电流偏移率主要由ACS712的检测精度决定，最大误差在4%左右。本安电源效率考核设计的本安电路的功率转换效率，其效率主要是由本安电路的综合内阻决定的。本文设计的电路的过流关断响应时间主要由电流传感器响应时间、阈值比较器延时、单稳电路上升响应时间和Q1及Q2组成关断开关时间组成。t1为ACS712的响应时间，约为1 μs，t2为比较器LM393响应时间，约为0.1 μs，t3为单稳电路的电平反转时间，t3=0.63R8C3，降低R8和C3的值可以加快保护反应时间。t4为Q2栅极电容Cgs和Q2的导通阻值的放电时间，约为0.1 μs。一个保护周期内的保护反应时间t=t1+t2+t3+t4，约为7.3 μs，主要由t3值决定。在输出短路输出脉冲宽度为7.3 μs，恢复周期T=1.1(R9+R10)C3=0.22 s。在故障情况下，输出电源脉冲的占空比为0.000 03，在万分之一左右，对供电电池容量起到很好的保护作用。该输出脉冲的电压为8.4 V，本安输出电流为1.5 A，该脉冲总能量W=UIt=92 μJ。其中U为输出电压值8.4 V，I为输出本安电流1.5 A，t为输出脉冲宽度7.3 μs，满足国家标准GB3836.4—2010中给出的ExibI Mb类设备的小于最小点燃能量的160 μJ的规定值[20]，达到了本安电路技术要求。

本文设计的本安电源经过国家煤矿防爆安全产品质量监督检验中心试验，测试电路如6所示。主要实验数据如表1所示。本安电路的内阻计算公式：r=(U1-U2)/I2。电池输出功率P1=U1I1，本安电路输出功率P2=U2I2，电路效率ξ=(P2/P1)×100%。经过火花实验，其任一选择的正常和故障状态下的短路、通断实验均未出现点燃现象，其最终本安参数分别为UO=8.4 V和IO=1.5 A，完全满足仪器供电和本安设计要求。在表1中，U1为电池组输出电压，U2为本安电路输出电压，I1为电池组输出电流，I2为本安电路输出电流，P1、P2、r和ξ都是计算值。计算结果显示本安电路的内阻均值约为0.113 Ω，电路输出效率均值为97.83%左右。

图6 本安保护测试电路

序号U1/VI1/AU2/VI2/AP2/Wr/Ωξ/%18.4000.0118.395空载空载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 结束语

在常规的煤矿本质安全型仪器的供电电路设计中，截流及限流保护电路是首选技术之一。设计的新型矿用瞬变电磁仪YCS600-I(防爆合格证号：SHExC13.1086)和YCS800(防爆合格证号：SHExC13.1859)两个型号的本安电源设计，采用了霍尔电流检测和闸流保护模式的本安电路，具有电路简单、关断时间短、效率高和参数设置方便的特点。本文设计的本安电路从性能和测试方面进行讨论和分析，基于电子闸流保护模式本安电路在故障情况下，输出电源脉冲能量约为91.98 μJ，低于国标规定值，并获得了相关的防爆合格证和矿用安全标志证书，在山西和贵州多个煤矿得到应用。