新型本质安全电源保护电路设计

邓佳楠，郭庆瑞，余 波，李晓斌

(1.河南理工大学 资源与环境学院，河南 焦作 454000；2.国电建投内蒙古能源有限公司察哈素煤矿，内蒙古 伊金霍洛旗 017209)

煤矿井下环境特殊，存在瓦斯、粉尘、一氧化碳等易燃易爆物质，因此矿井下的各类通信、监控、测量仪器、仪表和自动化等系统设备必须满足防爆要求，本质安全型是防爆的最佳形式[1]，根据《爆炸性环境》(GB/T 3836.4—2021)第四部分[2]：由本质安全型“i”保护的设备，要求设备在正常工作或发生故障时产生的火花能量均不足以引发爆炸。为了使得在易燃、易爆气体的环境使用的设备性能达到电气本质安全，本安电源(即本质安全型电源)是不可缺少的关键部件[3，4]，其性能取决于保护电路设计。本安电源设计中需要充分地考虑电源电路输出电压、电流以及短路或过流的保护关断时间，限制输出短路或短路瞬间产生的火花能量和热效应，从而保证其不能点燃煤矿井下可燃性瓦斯气体[5，6]。

目前常用的本安电源保护电路形式包括限流型、减流型、截止型等方案，保护办法是电源与负载回路中串加一个取样电阻或电感，当电源有短路故障发生时，电流增大[7]，取样电压升高，电源保护电路检测到取样电压的变化，进而限制、减小或关断电流输出，从而实现了本质安全型要求。由于保护电路的供电电源与负载回路中添加了取样电阻或电感，造成了检测比较电位的动作电压范围受限，且检测电阻的功率消耗使得负载电压降低，而检测电感体积大易发生误动作。此外，若发生过载保护，大电流负荷时不容易自动恢复正常工作，或需要比较复杂的电路结构等[8]。

根据《爆炸性环境》(GB/T 3836.1—2021)第一部分[9]：“非能量限制电路不能对能量限制电路产生不利的影响”。由此可见，本质安全电源的核心是能量限制电路，即本安输出的电路。针对上述情况，本文提供一种简单、安全、可靠的过流及短路保护电路，电路出现故障时快速截断电路负载的输出能量，同时打开微电流电路，使得故障消除后电路自动恢复工作。

1 电路设计原理及实现

1.1 设计原理

新型本质安全电源保护电路的整体结构框架如图1所示，其中VIN+和VIN-为输入正负极，VOUT+和VOUT-为输出正负极[10]，非本安电源和本安电源输出共用地线(VIN-与VOUT-直接连接)，供电主电流仅设置可控开关，同时添加电流镜像副电路，由副电路按一定的比例复制主路电流，由副电路采样，信号调理电路将采样电压放大、移位至滞回比较器阈值范围，并接比较器负输入端，短路检测反馈信号接比较器正输入端。当电路负载发生过流或短路时，滞回比较器输出过流或短路控制信号，迅速关断主电流开关，达到本安保护的目的；同时启动微电流开关，用于检测短路故障是否消除，使得故障消除后能够自动恢复主电流开关电路。

图1 本质安全电源保护电路结构框架Fig.1 Intrinsically safe power supply circuit structure framework

1.2 电路实现及定性分析

根据本安电源保护电路工作原理及整体结构框图，实现电路设计如图2所示，其中电流镜副电路中的Q5按一定比例复制主电流开关电路的电流，然后通过RPot将其转换为检测电压；信号调理电路完成对检测电压的电位移位功能，并输入到滞回比较器的负输入端。短路检测电路通过R1、R3和R6的分压作用到实现短路电压的检测功能，并传送至滞回比较器的正输入端。Q4和Q8连接形式为有源负载共源极(CMOS反相器)；Q3和Q4构成镜像电路，并完成对负载主电路的Q2开关控制。微电流开关串接限流二极管，提供故障恢复的检测电压，同时限制电压的供电电流。

图2 电路主体设计Fig.2 Circuit main design diagram

正常工作时，滞回比较器的正输入端电压大于负输入端电压，比较器输出高电平[11]，Q8打开，使得Q2、Q5的PMOS管栅极G为低电平，不会影响系统的正常工作，此时微电流开关的PMOS管栅极G为高电平，微电流关闭状态。

当短路现象发生时，滞回比较器的正输入端电压急剧降低，此时正输入端电压小于负输入端电压，Q8的NMOS栅极电压降低，呈关断状态，使得Q2、Q5的PMOS管栅极G为高电平，负载电路及其电流镜电路关断，同时微电流开关电路的PMOS开关栅极G为低电平，微电流电路开启短路故障检测工作，使得短路故障排除后能够自恢复主电路开关正常供电功能。当过流现象发生时，滞回比较器的负输入端电压升高，此时负输入端电压大于正输入端电压，同样引起Q8的NMOS栅极电压降低，开启过流保护功能和故障排除后的自恢复功能。

由于滞回比较器R7和R5的负反馈功能，电路在电平转换过程中不会有太大波动。调整R1、R3和R6设定短路检测的基准电压Vsref，调整RPot的可变电阻大小，可改变过流检测阈值Iref，其过流检测基准电压为Viref，通过信号调理电路放大、移位至负输入端。

实现故障保护后，在镜像电路和有源负载共源极(CMOS反相器)电路的作用下，保证PMOS管Q2、Q5能始终处于关断状态，实现电路保护的高可靠性。微电流电路在D1作用下会限制输出微小电流，故障排除后将对负载网络充电，为电路自恢复作准备。

2 软启动电路和多重保护电路设计

2.1 软启动电路设计

考虑到电源启动过程中，负载电路浪涌电流突然增大，可能会造成电流镜电路把启动电流当作过流故障处理，造成误动作[12]。因此，本次设计提供一种电源软启动方案供参考如图3所示。VVIN+为软启动电路前端供电电压；输入电源启动时，Q10的栅极为低电平，PMOS导通，输入电压VVIN+通过电阻R10对电容C1(建议为10～100 μF)进行充电，C1两端电压逐渐上升直至饱和后充电结束，Q10的栅极为高电平，PMOS截止；在此过程中，Q10的栅极和源极与C1相连，电压由恒流区上升至饱和区[13]，在恒流区即可起到较好的软启动作用。对于大功率负载电路的启动问题，可以增加全桥式拓扑结构来增大电路带载能力。

图3 电源参考电路Fig.3 Reference circuit of power supply

2.2 多重保护电路设计

一些特殊的本质安全应用环境需要采用多重化的保护电路[14]，根据不同的应用场所的危险等级，本质安全电气设备分为了“ia”“ib”“ic”三种保护等级[15]。不同的保护等级需要的保护电路数量不同。对于多重保护电路而言，串联冗余方式比并联冗余方式更适合工作在爆炸性气体环境中的本安电源使用[16]。本次设计中考虑到该应用场景，设计的滞回比较电路和检测电路可以为一个或多个，通过串联方式提供多重故障监测保护功能。任意一个监测模块监测到故障信号，即可及时闭锁负载电路。对于多个监测电路模块，可以通过增加或门电路来解决信号的输入和输出问题，能够满足本安电路的多重保护等级要求。具体的判断方式和工作原理与图2单重保护电路一致。多重保护电路设计参考方案如图4所示。

图4 多重保护电路设计方案Fig.4 Design scheme of multiple protection circuits

3 仿真结果分析

对上述电路设计进行动态模拟仿真测试其仿真参数见表1，模拟负载电路存在过流和短路故障情况下，分析本安电源保护功能的可行性[17]。模拟负载电路的软启动过程，分析软启动电路适用于本质安全电源保护电路的可行性。短路故障时，电流采样电路短时间不会产生波动，此时电流采样电路的输出端即滞回比较电路的负输入端可以作为比较器的基准电压。过流故障时，短路检测电路短时间不会产生波动，此时短路检测电路的输出端即滞回比较电路的正输入端可以作为比较器的基准电压。

表1 本安电路仿真电路主要参数Table 1 Intrinsicall safe circuit simulation circuit main parameters

无保护电路和保护电路电流瞬态变化如图5所示，其仿真条件是负载进行周期性变化，变化范围为0～10 Ω。图5(a)仿真结果显示，故障发生时(负载为0)，在没有短路保护电路的情况下，输出电流被由600 mA升高为1 A，负载电路无法关断，后续周期内会引起强火花现象。图5(b)仿真结果显示，故障发生时(负载为0)，在有短路保护电路的情况下，输出电流为0，负载电路开关及时关断，此时由微电流开关电路提供1 mA左右的检测电流。故障排除后，在微电流电路作用下，系统恢复正常工作状态。

图5 无保护电路和保护电路电流瞬态变化Fig.5 Transient current variation in unprotected circuits and in current

软启动电路仿真参数如图6所示；仿真结果显示，相较于直接启动方案，软启动给了本安设备更多的反应时间，减少启动时的电流、电压激增，从而降低了过流、过压、检测电路误动作的风险，起动时间在30 μs左右。

图6 电源启动电路仿真Fig.6 Simulation diagram of power-on circuit

将本安电源保护电路模块接入负载进行测试[18]，采用0.65 A的12 V电源进行供电，用数字示波器和探头对电源保护工作和故障状态进行边沿触发检测，进而获取本安电源保护电路模块实际应用中电源关断所需的时间，并与仿真结果进行关断时间、负载电流输出、微电流输出、负载电路电压进行对比分析，分析结果见表2。

表2 后仿真与测试结果的比较Table 2 Comparison between post-simulation and test results

4 结 语

本次设计的本质安全电源电路，确保在电路过流和短路的情况下，瞬间彻底关断负载主电路，解决了本质安全电源过流或短路保护问题。同时该电路具备以下特点：①高可靠性、高灵敏性，滞回电路使得故障信号在接近基准信号时候避免误动作或去除干扰；②微电流电路在故障消除后能检测故障是否排除，确保电路能够及时自动恢复至正常状，特别适应于宽范围可调电压的大电流负荷；③由于采用电流镜小比例复制主电流，使得电流采样电路电流较小，或者功率消耗较小，整体保护电路不容易发热等安全隐患，且对负载不产生分压副作用；④仿真测试结果和实际生产的集成电路板差距微乎其微，通过调整电流镜电路的采样电阻可以设定过流阈值，也可以调整负载端并联电阻比值调整短路检测的基准电压；⑤采用了软启动短路防止负载电路浪涌电流突然增大造成的保护电路过流误动作。实际中可将电压比较器、无触点开关、电阻、电容或部分元器件等做到了芯片内部，外围仅个别调整性能的元器件，形成电源保护的标准集成块或芯片。