CN111585246B

CN111585246B - 安全栅电路、电源及电子设备

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Publication number: CN111585246B
Application number: CN202010378064.0A
Authority: CN
Inventors: 张占军; 李斌; 张建国; 樊红杰; 秦延龙; 贺成柱; 吴晓彤; 冯小欢
Original assignee: Liaoning Ruihua Industrial Group High And New Technology Co ltd
Current assignee: Liaoning Ruihua Industrial Group High And New Technology Co ltd
Priority date: 2020-05-07
Filing date: 2020-05-07
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2040-05-07
Also published as: CN111585246A

Abstract

本公开涉及安全栅电路、电源及电子设备，所述电路包括：电能转换模块，检测控制模块，所述检测控制模块包括过压保护单元、过流保护单元、延时控制单元、信号锁定单元及限流启动单元，EMC抗干扰模块，电连接于所述检测控制模块，用于去除所述第二直流电压中的电磁干扰，输出去除干扰后的第三直流电压。通过以上电路，本公开实施例提出的安全栅电路，抗干扰能力强、响应速度块，使安全栅的浪涌、脉冲群、经典辐射抗干扰能力均达到EMC标准中严酷等级2级，评价等级为A，且成本较低，易于推广利用。

Description

安全栅电路、电源及电子设备

技术领域

本公开涉及电力设备技术领域，尤其涉及一种安全栅电路、电源及电子设备。

背景技术

在煤矿行业，因井下存在瓦斯、粉尘等易爆炸物，对于没有进行防爆密封的设备，有严格的能量限制要求，即便在故障、误操作等状态下产生的火花能量也不能引发爆炸。因此，控制电源能量输出的安全栅成为井下井下作业中十分重要的装备。

安全栅需要具有快速响应能力，设计难度较高，由于需要快速响应，对纳秒级以上的干扰，尤其是到了微秒级的干扰，很难甄别是故障还是外界干扰，现有安全栅的抗干扰能力普遍偏弱。而井下强电设备多，走线距离长，工作环境恶劣，对于从信息化、数字化向智慧化高速发展的煤矿产业来说，越来越无法容忍因电源抗干扰能力不过关而导致的信息中断甚至丢失的现象出现。

发明内容

有鉴于此，本公开提出了一种安全栅电路，所述电路包括：

电能转换模块，用于将接收的输入电压转换为第一直流电压，并对产生的电流的增长速度进行控制；

检测控制模块，电连接于所述电能转换模块，所述检测控制模块包括过压保护单元、过流保护单元、延时控制单元、信号锁定单元及限流启动单元，其中，

所述过压保护单元用于在检测到所述第一直流电压出现过压时，断开所述电路，以对所述电路进行过压保护，

所述过流保护单元用于在检测到所述电路出现过流时，断开所述电路，以对所述电路进行过流保护，

所述延时控制单元，电连接于所述过流保护单元，用于在所述过流保护单元检测所述电路出现过流时，确定出现的过流属于故障或干扰，在确定异常为故障的情况下，输出延时控制信号控制所述电路在第一预设时间内保持断开状态；

所述信号锁定单元，电连接于所述过流保护单元，用于在所述过流保护单元检测所述电路出现过流时，输出锁定信号控制所述电路在第二预设时间内保持断开状态；

所述限流启动单元，电连接于所述过流保护单元，用于在所述安全栅电路启动时进行限流保护，并输出第二直流电压；

EMC抗干扰模块，电连接于所述检测控制模块，用于去除所述第二直流电压中的电磁干扰，输出去除干扰后的第三直流电压。

在一种可能的实施方式中，所述电能转化模块包括：

输入单元，用于接收所述输入电压；

转换单元，电连接于所述输入单元，用于将所述输入电压转换为所述第一直流电压；

输出单元，电连接于所述转换单元，用于对所述第一直流电压进行稳压、滤波，并输出所述第一直流电压及电流；

电流泄放梯度控制单元，电连接于所述输出单元，用于对所述电流的增长速度进行控制，并输出所述第一直流电流，

其中，所述输入单元包括输入电容，所述输出单元包括输出电容，所述输入电容的规格为100uF、50V，所述输出电容的规格为470uF、35V。

在一种可能的实施方式中，所述电流泄放梯度控制单元包括控制电感和控制二极管，其中，所述控制电感的第一端电连接于所述控制二极管的阳极，所述控制电感的第二端电连接于所述控制二极管的阴极及所述输出单元的输出端，所述控制电感的第一端用于输出所述第一直流电流。

在一种可能的实施方式中，所述过流保护单元包括：

采样子单元，用于对流过所述电路的电流进行采样，得到采样电流；

放大子单元，电连接于所述采样子单元，用于对所述采样电流进行放大，得到放大后的采样电流；

比较及控制子单元，电连接于所述放大子单元，用于利用放大后的采样电流对所述电路的通断进行控制。

在一种可能的实施方式中，所述比较及控制子单元包括第一电阻、第一运算放大器、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一晶体管、第二晶体管，其中：

所述第一电阻的第一端用于接收所述放大后的采样电流，所述第一电阻的第二端电连接于所述第一运算放大器的负极输入端，

所述第二电阻的第一端用于接收参考电压，所述第二电阻的第二端电连接于所述第三电阻的第一端及所述第一运算放大器的正极输入端，

所述第三电阻的第二端电连接于所述第一运算放大器的输出端和第四电阻的第一端，

所述第一运算放大器的电压输入端用于接收电源电压，所述第一运算放大器的接地端接地，

所述第四电阻的第二端电连接于所述第一晶体管的基极，

所述第一晶体管的射极用于接收电源电压，所述第一晶体管的集电极电连接于所述第二晶体管的栅极，

所述第二晶体管的源极用于接收所述第一直流电压，所述第二晶体管的漏极用于在所述第二晶体管导通时输出中间电压信号。

在一种可能的实施方式中，所述延时控制单元包括第二运算放大器、第五电阻、第六电阻、第一电容、第一二极管、第二二极管、第二电容、第三电容、第七电阻、第三运算放大器、第八电阻、第九电阻、第三二极管、第四电容、第十电阻、第四运算放大器、第十一电阻、第十二电阻、第四二极管，其中：

所述第二运算放大器的负极输入端电连接于所述第一运算放大器的输出端、所述第三电阻的第二端及所述第四电阻的第一端，所述第二运算放大器的正极输入端电连接于所述第五电阻的第一端及第六电阻的第一端，所述第五电阻的第二端用于接收参考电压，所述第二运算放大器的输出端电连接于所述第六电阻的第二端及所述第一电容的第一端，所述第二运算放大器的电压输入端用于接收电源电压，所述第二运算放大器的接地端接地，

所述第一电容的第二端电连接于所述第一二极管的阴极及所述第二二极管的阳极，

所述第一二极管的阳极电连接于所述第二电容的第一端、所述第三电容的第一端、所述第七电阻的第一端，所述第二二极管的阴极电连接于所述第二电容的第二端、所述第三电容的第二端、所述第七电阻的第一端及所述第三运算放大器的负极输入端，

所述第三运算放大器的正极输入端电连接于所述第八电阻的第一端和所述第九电阻的第一端，所述第九电阻的第二端用于接收参考电压，所述第三运算放大器的输出端电连接于所述第八电阻的第二端及所述第三二极管的阴极，所述第三运算放大器的电压输入端用于接收电源电压，所述第三运算放大器的接地端接地，

所述第三二极管的阳极电连接于所述第十电阻的第一端、所述第四电容的第一端、所述第四运算放大器的负极输入端，所述第十电阻的第二端用于接收电源电压，所述第四电容的第二端接地，

所述第四运算放大器的正极输入端电连接于所述第十一电阻的第一端、所述第十二电阻的第一端，所述第十一电阻的第二端用于接收参考电压，所述第四运算放大器的输出端电连接于所述第十二电阻的第二端及所述第四二极管的阳极，所述第四运算放大器的电压输入端用于接收电源电压，所述第四运算放大器的接地端接地，

所述第四二极管的阴极电连接于所述第一运算放大器的负极输入段及所述第一电阻的第二端，用于输出所述延时控制信号。

在一种可能的实施方式中，所述信号锁定单元包括第十三电阻、第三晶体管、第十四电阻、第五电容、第五二极管、第六二极管，其中：

所述第十三电阻的第一端电连接于所述第一运算放大器的输出端、所述第三电阻的第二端及所述第四电阻的第一端，所述第十三电阻的第二端电连接于所述第三晶体管的基极，

所述第三晶体管的射极用于接收电源电压，所述第三晶体管的集电极电连接于所述第十四电阻的第一端、所述第五电容的第一端，所述第十四电阻的第二端接地，

所述第五电容的第二端电连接于所述第五二极管的阳极及所述第六二极管的阴极，所述第六二极管的阳极接地，

所述第五二极管的阴极电连接于所述第一运算放大器的负极输入段及所述第一电阻的第二端，用于输出所述锁定信号。

在一种可能的实施方式中，所述限流启动单元包括第五运算放大器、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第七二极管、第六电容、第六运算放大器、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第四晶体管、第二十一电阻、第二十二电阻、第五晶体管、第二十三电阻、第二十四电阻、第七电容、第二十五电阻、第二十六电阻、第六晶体管，其中：

所述第五运算放大器的负极输入端电连接于所述第一运算放大器的输出端、所述第三电阻的第二端及所述第四电阻的第一端，所述第五运算放大器的正极输入端电连接于所述第十五电阻的第一端及所述第十六电阻的第一端，所述第十五电阻的第二端用于接收参考电压，所述第五运算放大器的输出端电连接于所述第十六电阻的第二端、所述第七二极管的阳极、所述第十七电阻的第一端，所述第五运算放大器的电压输入端用于接收电源电压，所述第五运算放大器的接地端接地，

所述第十七电阻的第二端电连接于所述第七二极管的阴极、所述第六电容的第一端及所述第六运算放大器的负极输入端，所述第六电容的第二端接地，

所述第六运算放大器的正极端电连接于所述第十八电阻的第一端及所述第十九电阻的第一端，所述第十八电阻的第二端用于接收参考电压，所述第六运算放大器的输出端电连接于所述第十九电阻的第二端及所述第二十电阻的第一端，

所述第二十电阻的第二端电连接于所述第四晶体管的基极，

所述第四晶体管的射极用于接收电源电压，所述第四晶体管的集电极电连接于所述第二十一电阻的第一端、所述第二十二电阻的第一端及所述第五晶体管的栅极，所述第二十一电阻的第二端用于接收电源电压，所述第二十二电阻的第二端接地，

所述第五晶体管的源极电连接于所述第二十三电阻的第一端、所述第七电容的第一端、所述第二十五电阻的第一端、所述第二十六电阻的第一端及所述第二晶体管的漏极，用于接收所述中间电压信号，

所述第二十三电阻的第二端电连接于所述第二十四电阻的第一端、所述第七电容的第二端及所述第六晶体管的栅极，所述第二十四电阻的第二端接地，

所述第六晶体管的源极电连接于所述第二十五电阻的第二端及所述第二十六电阻的第二端，

所述第五晶体管的漏极电连接于所述第六晶体管的漏极，用于输出所述第二直流电压。

根据本公开的另一方面，提出了一种电源，所述电源包括所述的安全栅电路。

根据本公开的另一方面，提出了一种电子设备，所述电子设备包括所述的电源。

通过以上电路，本公开实施例可以利用电能转换模块实现电能转换，以得到需要的直流电压和直流电流，并对产生的电流的增长速度进行控制，降低对电路响应速度的要求，提高抗干扰能力，且通过检测控制模块的各个单元，可以实现安全栅电路的过压保护、过流保护、延时控制、信号锁定、限流启动，在增加电路安全性、并增加电路的抗干扰能力，通过EMC抗干扰模块，可以去除电磁干扰，本公开实施例提出的安全栅电路，抗干扰能力强、响应速度块，使安全栅的浪涌、脉冲群、经典辐射抗干扰能力均达到EMC标准中严酷等级2级，评价等级为A，且成本较低，易于推广利用。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1示出了根据本公开一实施方式的安全栅电路的示意图。

图2a示出了根据本公开一实施方式的电能转换模块的示意图。

图2b示出了根据本公开一实施方式的电流泄放梯度控制单元的示意图。

图3a示出了根据本公开一实施方式的过流保护单元的示意图。

图3b示出了根据本公开一实施方式的比较及控制子单元的示意图。

图4示出了根据本公开一实施方式的延时控制单元的示意图。

图5示出了根据本公开一实施方式的信号锁定单元的示意图。

图6示出了根据本公开一实施方式的限流启动单元的示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

请参阅图1，图1示出了根据本公开一实施方式的安全栅电路的示意图。

如图1所示，所述电路包括：

电能转换模块10，用于将接收的输入电压转换为第一直流电压，并对产生的电流的增长速度进行控制；

检测控制模块20，电连接于所述电能转换模块10，所述检测控制模块20包括过压保护单元210、过流保护单元220、延时控制单元230、信号锁定单元240及限流启动单元250，其中，

所述过压保护单元210用于在检测到所述第一直流电压出现过压时，断开所述电路，以对所述电路进行过压保护，

所述过流保护单元220用于在检测到所述电路出现过流时，断开所述电路，以对所述电路进行过流保护，

所述延时控制单元230，电连接于所述过流保护单元220，用于在所述过流保护单元220检测所述电路出现过流时，确定出现的过流属于故障或干扰，在确定异常为故障的情况下，输出延时控制信号控制所述电路在第一预设时间内保持断开状态；

所述信号锁定单元240，电连接于所述过流保护单元220，用于在所述过流保护单元220检测所述电路出现过流时，输出锁定信号控制所述电路在第二预设时间内保持断开状态；

所述限流启动单元250，电连接于所述过流保护单元220，用于在所述安全栅电路启动时进行限流保护，并输出第二直流电压；

EMC抗干扰模块30，电连接于所述检测控制模块20，用于去除所述第二直流电压中的电磁干扰，输出去除干扰后的第三直流电压。

请参阅图2a，图2a示出了根据本公开一实施方式的电能转换模块的示意图。

在一种可能的实施方式中，如图2a所示，所述电能转化模块可以包括：

输入单元110，用于接收所述输入电压；

转换单元120，电连接于所述输入单元110，用于将所述输入电压转换为所述第一直流电压；

输出单元130，电连接于所述转换单元120，用于对所述第一直流电压进行稳压、滤波，并输出所述第一直流电压及电流；

电流泄放梯度控制单元140，电连接于所述输出单元130，用于对所述电流的增长速度进行控制，并输出所述第一直流电流，

其中，所述输入单元110可以包括输入电容C，所述输出单元130可以包括输出电容C，所述输入电容C的规格可以为100uF、50V，所述输出电容C的规格为470uF、35V。

在一个示例中，转换单元120可以包括直流直流(DCDC)隔离电源模块，以将输入电压转换为需要的第一直流电压。例如，当安全栅电路应用于采矿时，在煤矿井下，转换单元120可以场景需要将输入电压转换为12～24V。本公开实施例通过将电能转换模块的组成模块化，可以提高安全栅电路的环境适应性和灵活性，本领域技术人员可以根据需要配置DCDC隔离电源模块作为转换单元120，从而满足不同情况下电压输出的要求。

在一个示例中，如果输入电容设置过小，DCDC隔离电源模块中的MOSFET等器件应力增大；输出电容设置太小，电源纹波大，甚至出现扰动时，电源不稳的现象。本公开实施例通过将输入电容选用100uF/50V电容，输出电容选用470uF/35V电容，可以适应大多数DCDC隔离电源模块，从而增加适应性。

请参阅图2b，图2b示出了根据本公开一实施方式的电流泄放梯度控制单元的示意图。

在一种可能的实施方式中，如图2b所示，所述电流泄放梯度控制单元140可以包括控制电感L和控制二极管Dc，其中，所述控制电感L的第一端电连接于所述控制二极管Dc的阳极，所述控制电感L的第二端电连接于所述控制二极管Dc的阴极及所述输出单元的输出端，所述控制电感L的第一端用于输出所述第一直流电流。

在一个示例中，图2b中控制二极管Dc可以为续流二极管，可以防止安全栅电路关断后，安全栅电路的电压攀升。异常情况(如安全栅电路输出短路)下，输出电流的增量为：

其中，I_inc表示输出电流增量，u表示输出电压，L表示控制电感的电感值，t表示安全栅的响应时间。

在没有电流泄放梯度控制单元的安全栅中，短路电流增量通常在30A～70A之间，而采用电流泄放梯度控制单元后，即使响应时间在微秒级，电流增量仍然很小。

安全栅电路的主要功能就是限制超限的瞬时能量的输出，超限的瞬时能量等于电流超限时间内电压与电流积的积分。通常，在输出电压固定的情况下，通过减少电流超限时间即可满足设计要求。但是，要达到EMC评价等级为A的要求，必须保证在浪涌、快速脉冲群的干扰下，不能断电，若仅仅通过提高响应速度会导致安全栅的成本急剧增加。本公开实施例利用电感的特性，实现了电流泄放梯度控制，有效的控制了电流增长速度，降低了对电路响应速度的要求。

请参阅图3a，图3a示出了根据本公开一实施方式的过流保护单元的示意图。

在一种可能的实施方式中，如图3a所示，所述过流保护单元可以包括：

采样子单元2201，用于对流过所述电路的电流进行采样，得到采样电流；

放大子单元2202，电连接于所述采样子单元2201，用于对所述采样电流进行放大，得到放大后的采样电流；

比较及控制子单元2203，电连接于所述放大子单元2202，用于利用放大后的采样电流对所述电路的通断进行控制。

本公开实施例通过对电流信号进行采样、放大后，利用放大后的采样电流可以对电路的通断进行控制，以在出现故障时实现电路的快速关断。

本公开对采样子单元、放大子单元的具体实施方式不做限定，例如，采样子单元可以包括采样电阻，放大子单元可以包括运算放大器等，对此，本公开实施例不做限定，本领域技术人员可以根据需要根据相关技术设置采样子单元、放大子单元，以实现电流信号的采样和放大。

请参阅图3b，图3b示出了根据本公开一实施方式的比较及控制子单元的示意图。

在一种可能的实施方式中，如图3b所示，所述比较及控制子单元可以包括第一电阻R1、第一运算放大器OPA1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2，其中：

所述第一电阻R1的第一端用于接收所述放大后的采样电流Isense，所述第一电阻R1的第二端电连接于所述第一运算放大器OPA1的负极输入端，

所述第二电阻R2的第一端用于接收参考电压Vref，所述第二电阻R2的第二端电连接于所述第三电阻R3的第一端及所述第一运算放大器OPA1的正极输入端，

所述第三电阻R3的第二端电连接于所述第一运算放大器OPA1的输出端和第四电阻R4的第一端，

所述第一运算放大器OPA1的电压输入端用于接收电源电压VCC，所述第一运算放大器OPA1的接地端接地，

所述第四电阻R4的第二端电连接于所述第一晶体管Q1的基极，

所述第一晶体管Q1的射极用于接收电源电压VCC，所述第一晶体管Q1的集电极电连接于所述第二晶体管Q2的栅极，

所述第二晶体管Q2的源极用于接收所述第一直流电压，所述第二晶体管Q2的漏极用于在所述第二晶体管Q2导通时输出中间电压信号V1。

在一个示例中，第一晶体管Q1可以为PNP三极管，第二晶体管Q2可以为MOSFET。

本公开实施例对参考电压Vref、电源电压VCC的具体大小不做限定，对各个器件的规格也不做限定，本领域技术人员可以根据需要选择。

在一个示例中，第一电阻R1、第二电阻R2、第四电阻R4可以都设置为10K，第三电阻R3可以设置为100K，当然也可以根据需要设置为其他。

请参阅图4，图4示出了根据本公开一实施方式的延时控制单元的示意图。

在一种可能的实施方式中，如图4所示，所述延时控制单元可以包括第二运算放大器OPA2、第五电阻R5、第六电阻R6、第一电容C1、第一二极管D1、第二二极管D2、第二电容C2、第三电容C3、第七电阻R7、第三运算放大器OPA3、第八电阻R8、第九电阻R9、第三二极管D3、第四电容C4、第十电阻R10、第四运算放大器OPA4、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第四二极管D，其中：

所述第二运算放大器OPA2的负极输入端电连接于所述第一运算放大器OPA1的输出端、所述第三电阻R3的第二端及所述第四电阻R4的第一端，所述第二运算放大器OPA2的正极输入端电连接于所述第五电阻R5的第一端及第六电阻R6的第一端，所述第五电阻R5的第二端用于接收参考电压Vref，所述第二运算放大器OPA2的输出端电连接于所述第六电阻R6的第二端及所述第一电容C1的第一端，所述第二运算放大器OPA2的电压输入端用于接收电源电压VCC，所述第二运算放大器OPA2的接地端接地，

所述第一电容C1的第二端电连接于所述第一二极管D1的阴极及所述第二二极管D的阳极，

所述第一二极管D1的阳极电连接于所述第二电容C2的第一端、所述第三电容C3的第一端、所述第七电阻R7的第一端，所述第二二极管D2的阴极电连接于所述第二电容C2的第二端、所述第三电容C3的第二端、所述第七电阻R7的第一端及所述第三运算放大器OPA3的负极输入端，

所述第三运算放大器OPA3的正极输入端电连接于所述第八电阻R8的第一端和所述第九电阻R9的第一端，所述第九电阻R9的第二端用于接收参考电压Vref，所述第三运算放大器OPA3的输出端电连接于所述第八电阻R8的第二端及所述第三二极管D3的阴极，所述第三运算放大器OPA3的电压输入端用于接收电源电压VCC，所述第三运算放大器OPA3的接地端接地，

所述第三二极管D3的阳极电连接于所述第十电阻R10的第一端、所述第四电容C4的第一端、所述第四运算放大器OPA4的负极输入端，所述第十电阻R10的第二端用于接收电源电压VCC，所述第四电容C4的第二端接地，

所述第四运算放大器OPA4的正极输入端电连接于所述第十一电阻R11的第一端、所述第十二电阻R12的第一端，所述第十一电阻R11的第二端用于接收参考电压Vref，所述第四运算放大器OPA4的输出端电连接于所述第十二电阻R12的第二端及所述第四二极管D4的阳极，所述第四运算放大器OPA4的电压输入端用于接收电源电压VCC，所述第四运算放大器OPA4的接地端接地，

所述第四二极管D4的阴极电连接于所述第一运算放大器OPA1的负极输入段及所述第一电阻R1的第二端，用于输出所述延时控制信号(到SOC节点)。

在一个示例中，第五电阻R5、第六电阻R6、第八电阻R8、第九电阻R9、第十一电阻R11、第十二电阻R12可以设置为100K，第七电阻R7、第十电阻R10可以设置为1M，第一电容C1、第二电容C2可以设置为0.1μF、50V，第三电容C3可以设置为10nF、50V，第四电容C4可以设置为1μF、50V。

当然，各个电阻和电容可以根据需要选择规格，对此，本公开实施例不做限定。

本公开实施例提出的安全栅电路具有故障排除后，自恢复供电的能力，因此，在过流关断后，电流降至0，安全栅电路失去故障判定依据，因此恢复供电。若故障依然存在(如短路，短路故障点未排除)，供电恢复后，会立即重新关断。第二晶体管Q2的频繁开关会迅速发热，甚至损坏。因此，断电后，要延时一段时间，确保第二晶体管Q2有足够的冷却时间。

在一个示例中，如存在故障，因故障是持续性的，如短路，在故障排除之前，短路将一直存在。而干扰是暂时的，如EMC浪涌为10秒一个脉冲。过流时，通过第一电容C1为第二电容C2、第三电容C3充电，在第七电阻R7把第二电容C2、第三电容C3中的电荷释放完之前，若再次发生给第二电容C2、第三电容C3充电事件，将会使第三运算放大器OPA3负向输入端电压超过正向输入端，因此第三运算放大器OPA3输出端电平翻转，判定发生了故障。若在放电时间段内，未再次发生充电事件——即未再次采集到过流信号，则判定为干扰。

其中，限流保护电路用于实现快速关断以限制输出的瞬态能量，因关断时间极短，不影响对负载的供电。发生故障时，若限流保护电路不停的瞬断，会导致限流保护电路中的第二晶体管Q2迅速发热，甚至烧毁，因此，本公开实施例通过以上电路进行故障判别，并在确定是故障而非干扰后，锁定第二晶体管Q2，使其在第一预设时间内处于关断状态。其中，第一预设时间主要由可以第四电容C4决定，即，本公开实施例可以根据需要设置第四电容C4以设定第一预设时间。

请参阅图5，图5示出了根据本公开一实施方式的信号锁定单元的示意图。

在一种可能的实施方式中，如图5所示，所述信号锁定单元可以包括第十三电阻R13、第三晶体管Q3、第十四电阻R14、第五电容C5、第五二极管D5、第六二极管D6，其中：

所述第十三电阻R13的第一端电连接于所述第一运算放大器OPA1的输出端、所述第三电阻R3的第二端及所述第四电阻R4的第一端，所述第十三电阻R13的第二端电连接于所述第三晶体管Q3的基极，

所述第三晶体管Q3的射极用于接收电源电压VCC，所述第三晶体管Q3的集电极电连接于所述第十四电阻R14的第一端、所述第五电容C5的第一端，所述第十四电阻R14的第二端接地，

所述第五电容C5的第二端电连接于所述第五二极管D5的阳极及所述第六二极管D6的阴极，所述第六二极管D6的阳极接地，

所述第五二极管D5的阴极电连接于所述第一运算放大器OPA1的负极输入段及所述第一电阻R1的第二端，用于输出所述锁定信号(到SOC节点)。

在一个示例中，第三晶体管Q3可以为PNP三极管，第十三电阻、第十四电阻可以为10K，第五电容可以为0.1μF、50V。

当然，信号锁定单元中各个元器件也可以为其他规格，本领域技术人员可以根据需要设置，对此，本公开实施例不做限定。

请一并参考图3b，过流保护过程中第一运算放大器负向输入端(SOC)端口电压变化过程可以包括：

过流时，第一运算放大器负向输入端端口电压高于参考电压Vref，致使obj端电压信号(第一运算放大器输出端)变低；

obj端输出低电平，使第二晶体管Q2断开；

第二晶体管Q2断电后，流经采样单元的电流降至0，第一运算放大器负向输入端端口电压随之为0。

由于火花能量等于过流期间内功率的积分值，可知，过流时间越短，火花能量越小，图3b所示电路从过流发生到第二晶体管Q2关断的时间极短，其它电路没有足够的稳定时间，因此，需要利用信号锁定单元对图3b所示电路进行信号锁定。

在一个示例中，当obj端输出变低，信号锁定单元中的第三晶体管Q3导通，电流流经第五电容C5及第五二极管D5，使soc端在第二预设时间内保持高电位，其中，第二预设时间由第五电容及第一电阻的值决定，本领域技术人员可以根据需要设置第五电容及第一电阻的大小，以设定第二预设时间的时长。

本公开实施例包括EMC抗干扰模块，然而EMC抗干扰模块，仅能保证元器件不会损坏，仍可能有远高于安全栅限定的电压、电流串入安全栅电路，如不做干扰判定，安全栅电路必将关断输出，安全栅电路的EMC评价等级仅能达到B级。然而，干扰判定的难点在于干扰脉冲的时间宽度。比如，对于脉冲群，其脉冲宽度小于10ns，对其滤波所造成的时间延迟，并不会对瞬时能量造成致命影响，因此，以50MHz作为截止频率进行滤波，可设计出脉冲群评价等级可达A级的安全栅。对于浪涌，其脉冲宽度极大，持续时间远超安全栅对响应时间的要求，无法滤波。

本公开实施例通过设置信号锁定单元解决了这一问题，不采用滤波的方式，而是利用采样定理，消除了指定频率以上的高频干扰。

具体而言，EMC实验中，常采用10s一次的1.5/50us(8/20us)浪涌波形，因此，浪涌干扰可按频率0.1Hz，脉宽50us的信号考虑。根据采样定理，采样频率至少为信号频率的2倍，即在0.2Hz～40KHz(脉宽50us)频率范围内采样均可。采样频率由图3b的第一电阻R1与图5的第五电容C5的乘积决定，为提高响应速度，频率越高越好，但是，考虑电路及连接线路中存在的电感、电容等影响，浪涌脉冲宽度会延展，经多次实验，采样频率在1KHz左右为宜。

采集到脉冲后，通过图4中的第一电容C1为第二电容C2和第三电容C3充电。若在(C2+C3)xR7时间内(其中，C2表示第二电容C2的电容，C3表示第三电容的电容，R7表示第七电阻的电阻)，再次采集到脉冲，第一电容C1再次为第二电容C2和第三电容C3充电，电平发生翻转，关断输出。

请参阅图6，图6示出了根据本公开一实施方式的限流启动单元的示意图。

在一种可能的实施方式中，如图6所示，所述限流启动单元可以包括第五运算放大器OPA5、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第七二极管D、第六电容C6、第六运算放大器OPA6、第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20、第四晶体管Q4、第二十一电阻R21、第二十二电阻R22、第五晶体管Q5、第二十三电阻R23、第二十四电阻R24、第七电容C7、第二十五电阻R25、第二十六电阻R26、第六晶体管Q6，其中：

所述第五运算放大器OPA5的负极输入端电连接于所述第一运算放大器OPA1的输出端、所述第三电阻R3的第二端及所述第四电阻R4的第一端，所述第五运算放大器OPA5的正极输入端电连接于所述第十五电阻R15的第一端及所述第十六电阻R16的第一端，所述第十五电阻R15的第二端用于接收参考电压Vref，所述第五运算放大器OPA5的输出端电连接于所述第十六电阻R16的第二端、所述第七二极管D的阳极、所述第十七电阻R17的第一端，所述第五运算放大器OPA5的电压输入端用于接收电源电压VCC，所述第五运算放大器OPA5的接地端接地，

所述第十七电阻R17的第二端电连接于所述第七二极管D的阴极、所述第六电容C6的第一端及所述第六运算放大器OPA6的负极输入端，所述第六电容C6的第二端接地，

所述第六运算放大器OPA6的正极端电连接于所述第十八电阻R18的第一端及所述第十九电阻R19的第一端，所述第十八电阻R18的第二端用于接收参考电压Vref，所述第六运算放大器OPA6的输出端电连接于所述第十九电阻R19的第二端及所述第二十电阻R20的第一端，

所述第二十电阻R20的第二端电连接于所述第四晶体管Q4的基极，

所述第四晶体管Q4的射极用于接收电源电压VCC，所述第四晶体管Q4的集电极电连接于所述第二十一电阻R21的第一端、所述第二十二电阻R22的第一端及所述第五晶体管Q5的栅极，所述第二十一电阻R21的第二端用于接收电源电压VCC，所述第二十二电阻R22的第二端接地，

所述第五晶体管Q5的源极电连接于所述第二十三电阻R23的第一端、所述第七电容C7的第一端、所述第二十五电阻R25的第一端、所述第二十六电阻R26的第一端及所述第二晶体管Q2的漏极，用于接收所述中间电压信号V1，

所述第二十三电阻R23的第二端电连接于所述第二十四电阻R24的第一端、所述第七电容C7的第二端及所述第六晶体管Q6的栅极，所述第二十四电阻R24的第二端接地，

所述第六晶体管Q6的源极电连接于所述第二十五电阻R25的第二端及所述第二十六电阻R26的第二端，

所述第五晶体管Q5的漏极电连接于所述第六晶体管Q6的漏极，用于输出所述第二直流电压。

在一个示例中，第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十一电阻R21、第二十二电阻R22、第二十四电阻R24可以设置为100K，第十七电阻R17可以设置为1M，第二十电阻R20可以设置为10K，第二十三电阻R23可以设置为30K，第六电容C6可以设置为0.1μF、50V，第七电容C7可以设置为10nF、50V，所述第四晶体管Q4可以为PNP三极管，所述第五晶体管Q5、第六晶体管Q6可以为MOSFET。

安全栅电路对电流极为敏感，负载设备在启动时，无论是冷启动还是故障恢复，在容性负载的情况下，启动电流会很大(没有设计缓启电路的负载尤为突出)，严重时会导致安全栅无法正常启动。因此，在启动时，需要限流，防止引发安全栅电路误动作。基于此，本公开实施例设置了限流启动单元，以实现限流启动。因限流电路功耗较大，安全栅正常启动后，限流启动单元可以自行断开。

在一个示例中，第五晶体管Q5和第六晶体管Q7的关断时间远大于电流保护单元中第二晶体管Q2关断时间，由于容性负载的存在，启动瞬间过流导致obj端电压变低，第五运算放大器OPA5输出高电平，通过第七二极管D7为第六电容C6迅速充电，并保持在高电位，此时，第五晶体管Q5截止，obj端电压信号变高后，电流保护单元中的第二晶体管Q2因漏级存在下拉电阻的缘故，迅速导通。但是，限流启动单元中第六电容C6需通过第十七电阻R17放电至Vref以下才能使第五晶体管Q5导通，而这需要时间，因此，在一段时间内，通过电流保护单元中的第二晶体管Q2的电流不得不流经第六晶体管Q6。

在一个示例中，启动限流大小由第二十五电阻和第二十六电阻的阻值确定，因此，本公开实施例可以根据限流需要设置第二十五电阻、第二十六电阻的阻值大小。

举例而言，如图6所示，第二十五电阻R25、第二十六电阻R26并联后串接在第六晶体管Q6的源极，当选择的第六晶体管Q6栅源电压低于-2V导通，限流值为2A，只要保证在2A电流时，第二十五电阻R25、第二十六电阻R26分压使第六晶体管Q6栅源电压等于-2V即可。

在一种可能的实施方式中，EMC抗干扰模块30可以包括电感、电容等储能元件，本公开实施例对EMC抗干扰模块30的具体实施方式不做限定，本领域技术人员可以根据需要设计电路。

本公开实施例提出的安全栅电路具有以下优点：

可以应用于多种场景、环境，例如煤矿，井下因本质安全性对能量的要求，供电距离对供电电压的要求，负载设备对功率的要求，导致矿用电源电压种类繁多，本公开实施例中的安全栅电路可根据电压、功率的需要，灵活更换DCDC隔离电源等少量部件即可实现多种环境的适应，无需做太大的改动，提高了环境适应性和灵活性；

本公开实施例提出的安全栅电路成本较低，可以实现进口芯片的国产替代，控制电路成本低于进口专用芯片的十分之一；

抗干扰能力强，EMC评价等级均为A级。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims

1.一种安全栅电路，其特征在于，所述电路包括：

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电能转换模块包括：

输入单元，用于接收所述输入电压；

输出单元，电连接于所述转换单元，用于对所述第一直流电压进行稳压和滤波，并输出所述第一直流电压及电流；

电流泄放梯度控制单元，电连接于所述输出单元，用于对所述电流的增长速度进行控制，并输出第一直流电流，

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述电流泄放梯度控制单元包括控制电感和控制二极管，其中，所述控制电感的第一端电连接于所述控制二极管的阳极，所述控制电感的第二端电连接于所述控制二极管的阴极及所述输出单元的输出端，所述控制电感的第一端用于输出所述第一直流电流。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述过流保护单元包括：

5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述比较及控制子单元包括第一电阻、第一运算放大器、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一晶体管、第二晶体管，其中：

所述第四电阻的第二端电连接于所述第一晶体管的基极，

6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述延时控制单元包括第二运算放大器、第五电阻、第六电阻、第一电容、第一二极管、第二二极管、第二电容、第三电容、第七电阻、第三运算放大器、第八电阻、第九电阻、第三二极管、第四电容、第十电阻、第四运算放大器、第十一电阻、第十二电阻、第四二极管，其中：

7.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述信号锁定单元包括第十三电阻、第三晶体管、第十四电阻、第五电容、第五二极管、第六二极管，其中：

8.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述限流启动单元包括第五运算放大器、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第七二极管、第六电容、第六运算放大器、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第四晶体管、第二十一电阻、第二十二电阻、第五晶体管、第二十三电阻、第二十四电阻、第七电容、第二十五电阻、第二十六电阻、第六晶体管，其中：

所述第二十电阻的第二端电连接于所述第四晶体管的基极，

9.一种电源，其特征在于，所述电源包括如权利要求1～8任一项所述的安全栅电路。

10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求9所述的电源。