CN112653097A - 本安保护电路及具备该本安保护电路的矿用设备 - Google Patents

Abstract

本申请揭示了一种本安保护电路及具备该本安保护电路的矿用设备，该本安保护电路包括至少两个串联的保护模块，每个保护模块包括锂电采集管理芯片、mos管、匹配电容和三极管，所述锂电采集管理芯片的采集输入引脚连接于电池正极与负载之间，用于采集非安端输出电流，所述锂电采集管理芯片的控制输出引脚与所述mos管的栅极连接；所述匹配电容串联于所述mos管漏极与所述三极管的基极之间，所述三极管的集电极与所述mos管的栅极连接。本申请利用了三极管导通偏置电压低、效应时间快的特点，进而限制短路瞬间释放在负载两端的有害能量，满足了瞬态释放能量小于260μJ的要求。

Description

本安保护电路及具备该本安保护电路的矿用设备

技术领域

本发明属于矿用电池安全性设计领域，涉及一种本安保护电路及具备该本安保护电路的 矿用设备。

背景技术

煤矿井下的便携式矿用设备都需要采用锂电池供电，诸如手机、巡检仪、移动瓦斯检测 仪等。这类设备普遍采用锰酸锂锂离子或者磷酸铁锂锂离子电池供电，不仅需要满足煤矿井 下本安设备火花试验要求，同时又要能实现正常的充电，因此保护电路输出端串联合适的限 流电阻，实现线性输出保护，会影响正常的充电使用，无法满足实际使用要求。

目前，通过采用一系列半导体限流开关检测电路实现的本安保护电路，通过合理的最大 电流限定，很容易满足火花试验装置检测要求，并能顺利的通过火花试验检测。其工作原理 是：当检测到电路电流大于设定的最大电流时，会切断输出，实现输出保护功能，但是瞬态 能量在保护电路动作前，还是会施加在负载上，形成安全隐患。

发明内容

为了解决相关技术中瞬态能量对负载造成的安全隐患的问题，本申请提供了一种本安保 护电路及具备该本安保护电路的矿用设备。

第一方面，本申请提供了一种本安保护电路，包括至少两个串联的保护模块，每个保护 模块包括锂电采集管理芯片、mos管、第一匹配电容和三极管，其中：

所述锂电采集管理芯片的采集输入引脚连接于电池正极与负载之间，用于采集非安端输 出电流，所述锂电采集管理芯片的控制输出引脚与所述mos管的栅极连接；

所述第一匹配电容串联于所述mos管漏极与所述三极管的基极之间，所述三极管的集电 极与所述mos管的栅极连接；

在非短路状态，所述电池正极输出的电流经过负载、各个保护模块的mos管和采样电阻 流入至所述电池的负极。

可选的，所述保护模块还包括采样电阻，所述采样电阻与所述mos管串联，所述采样电 阻包括并联的第一阻和第二电阻；

所述采样电阻用于串联相邻两个保护模块中的mos管，或者，所述采样电阻用于串联保 护模块中的mos管以及所述电池的负极。

可选的，所述保护模块还包括第三电阻、第四电阻和第五电阻，所述第三电阻串联于所 述第一匹配电容和所述三极管的基极之间，所述第四电阻的一端与所述三极管的基极连接， 所述第四电阻的另一端与所述三极管的发射极连接；所述第五电阻的第一端与所述mos管的 源极连接，所述第五电阻的第二端与所述三极管的发射极连接。

可选的，所述保护模块还包括第六电阻、第二匹配电容和第七电阻，所述第六电阻的两 端分别所述电池正极以及所述锂电采集管理芯片的采集输入引脚连接，所述第二匹配电容的 一端与所述锂电采集管理芯片的采集输入引脚连接，所述第二匹配电容的另一端接地，所述 第七电阻的两端分别与所述锂电采集管理芯片一输出引脚以及所述mos管的源极连接。

可选的，所述锂电采集管理芯片在采集所述非安端输出电流后，对采集到的所述非安端 输出电流与预存的保护电流值进行比较，根据比较结果控制所述mos管栅极的导通或关断。

可选的，当所述锂电采集管理芯片采集到的非安端输出电流低于预存的保护电流值时， 所述电池的正极输出端输出电流，经过所述负载，再依序经过串联的保护模块中的mos管和 采样电阻流入所述电池的负极形成环路，所述第一匹配电容两端电压维持低压差状态，所述 三极管处于截至状态。

可选的，当所述锂电采集管理芯片采集到的非安端输出电流达到所述预存的保护电流值 时，所述电池的正极输出端输出电流，经过所述负载，再依序经过串联的保护模块中的mos 管和采样电阻流入所述电池的负极形成环路，所述锂电采集管理芯片控制所述mos管的栅极 电压以切断所述mos管，进行过流保护，所述三极管仍旧处于截至状态。

可选的，当非安端输出短路瞬间，所述第一匹配电容向所述三级管的基极充电，所述三 极管导通后，所述三极管的集电极控制所述mos管关断。

第二方面，本申请还提供一种具备本安保护电路的矿用设备，所述矿用设备包括电池、 负载以及如第一方面、第一方面各种可选方式中提供的本安保护电路，所述本安保护电路安 装于所述电池和所述负载之间。

本申请至少可以实现如下有益效果：

通过锂电采集管理芯片和mos管的配合实现非安端输出电流过大时对负载的过流保护， 通过第一匹配电容、三极管以及mos管的连接配合，实现在非安端输出短路瞬间，在过流保 护未来得及响应时，由三极管关断mos管，即利用了三极管导通偏置电压低、效应时间快的 特点，进而限制短路瞬间释放在负载两端的有害能量，满足了瞬态释放能量小于260μJ的要 求。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并 与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明一个实施例中提供的本安保护电路的电路示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时， 除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述 的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书 中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1是本发明一个实施例中提供的本安保护电路的电路示意图，该本安保护电路可以包 括至少两个串联的保护模块，各个保护模块的结构相同，以其中一个保护模块为例，该保护 模块可以包括锂电采集管理芯片U11、mos管V11、第一匹配电容C11和三极管V12。

所述锂电采集管理芯片U11的采集输入引脚VDD连接于电池正极与负载之间，即非安 输入端与本安输出端之间，用于采集非安端输出电流，所述锂电采集管理芯片的控制输出引 脚OD与所述mos管V11的栅极连接。

所述第一匹配电容C11串联于所述mos管V11漏极D12与所述三极管V12的基极之间， 所述三极管V12的集电极与所述mos管V11的栅极G1连接。

在非短路状态，所述电池正极输出的电流经过负载、各个保护模块的mos管V11和采样 电阻流入至所述电池的负极。

可选的，本申请中的mos管是两个mos管串联后形成的。

可选的，本申请中提供的锂电采集管理芯片U1包含有电流比较器，该电流比较器的第 一输入端为采集的电流，另一个输入端为预存的保护电流。

在一种可能的实现方式中，所述保护模块还可以包括采样电阻，所述采样电阻与所述mos 管串联，所述采样电阻包括并联的第一电阻R11和第二电阻R12。

可选的，所述采样电阻可以用于串联相邻两个保护模块中的mos管V11，或者，所述采 样电阻还可以用于串联保护模块中的mos管V11以及所述电池的负极。具体的连接电器件可 以根据采样电阻在电路中的位置确定。

在一种可能的实现方式中，所述保护模块还可以包括第三电阻R13、第四电阻R14和第 五电阻R15，所述第三电阻R13串联于所述第一匹配电容C11和所述三极管V12的基极之间， 所述第四电阻R14的一端与所述三极管V12的基极连接，所述第四电阻R14的另一端与所述 三极管V12的发射极连接；所述第五电阻R15的第一端与所述mos管的源极连接，所述第五 电阻R15的第二端与所述三极管V12的发射极连接。

可选的，所述保护模块还包括第六电阻R16、第二匹配电容C12和第七电阻R17，所述 第六电阻R16的两端分别所述电池正极以及所述锂电采集管理芯片的采集输入引脚连接，所 述第二匹配电容C12的一端与所述锂电采集管理芯片的采集输入引脚连接，所述第二匹配电 容C12的另一端接地，所述第七电阻R17的两端分别与所述锂电采集管理芯片U11一输出引 脚CS以及所述mos管V11的源极S2连接。

所述锂电采集管理芯片在采集所述非安端输出电流后，对采集到的所述非安端输出电流 与预存的保护电流值进行比较，根据比较结果控制所述mos管V11的栅极G1的导通或关断。

基于上述电路，所述mos管V11导通时，所述第一匹配电容C11充电；所述mos管V11关断时，所述第一匹配电容C11向所述三极管V12放电；所述三极管V12导通后通过所述 mos管V11的栅极G1关断所述mos管V11。

在实际应用中，当所述锂电采集管理芯片采集到的非安端输出电流低于预存的保护电流 值时，所述电池的正极输出端输出电流，经过所述负载，再依序经过串联的保护模块中的mos 管和采样电阻流入所述电池的负极形成环路，所述第一匹配电容11两端电压维持低压差状 态，所述三极管V12处于截至状态，不影响保护电路正常输出。

当所述锂电采集管理芯片U11采集到的非安端输出电流达到所述预存的保护电流值时， 所述电池的正极输出端输出电流，经过所述负载，再依序经过串联的保护模块中的mos管V11 和采样电阻流入所述电池的负极形成环路，所述锂电采集管理芯片U11控制所述mos管V11 的栅极电压以切断所述mos管V11，进行过流保护。通常，此时的第一匹配电容C11到达三 极管V12的电压不足以开启三极管V12输出，所述三极管V12仍旧处于截至状态，不影响 保护电路正常过流保护。

当非安端输出短路瞬间，在保护板的过流保护未来得及响应时，由于负极输出线上串联 采样电阻和mos管V11内阻的作用，输出短路的瞬间，由于第一匹配电容C11两端的电压不 能突变，所述第一匹配电容11向所述三级管V12的基极充电，所述三极管V12导通后，所 述三极管V12的集电极迅速控制所述mos管V11关断，进而关断输出。短路瞬间利用三级管 的导通偏置电压低、效应时间快的特点，进而限制短路瞬间释放在负载两端的有害能量，以 满足瞬态释放能量小于260μJ要求。

以上仅基于其中一个保护模块进行的举例说明，图1中的另一个保护模块的结构以及工 作原理均与上述的保护模块相同，比如，锂电采集管理芯片U21、mos管V21、电容C21和 三极管V22、电阻R21、电阻22、电阻R23、电阻24、电阻25、电阻R26、电容C22和电阻 R27分别与上述的锂电采集管理芯片U11、mos管V11、第一匹配电容C11、三极管V12、第 一电阻R11、第二电阻12、第三电阻R13、第四电阻14、第五电阻15、第六电阻R16、第二 匹配电容C12和第七电阻R17对应，这些电器元件的连接和工作原理，这里就不再赘述。

另外，需要补充的是，为了满足煤矿GB3836要求，本申请提供的本安保护电路包括至 少两重保护模块，在实际应用中，可以根据情况设置串联的保护模块的数量。

综上所述，本申请提供的本安保护电路，通过锂电采集管理芯片和mos管的配合实现非 安端输出电流过大时对负载的过流保护，通过第一匹配电容、三极管以及mos管的连接配合， 实现在非安端输出短路瞬间，在过流保护未来得及响应时，由三极管关断mos管，即利用了 三极管导通偏置电压低、效应时间快的特点，进而限制短路瞬间释放在负载两端的有害能量， 满足了瞬态释放能量小于260μJ的要求。

另外，本申请还提供一种具备本安保护电路的矿用设备，所述矿用设备包括电池、负载 以及本安保护电路，本安保护电路安装于所述电池和所述负载之间。本安保护电路的结构可 以参见图1所示，这里就不再赘述。

综上所述，本申请提供的具备本安保护电路的矿用设备，通过锂电采集管理芯片和mos 管的配合实现非安端输出电流过大时对负载的过流保护，通过第一匹配电容、三极管以及mos 管的连接配合，实现在非安端输出短路瞬间，在过流保护未来得及响应时，由三极管关断mos 管，即利用了三极管导通偏置电压低、效应时间快的特点，进而限制短路瞬间释放在负载两 端的有害能量，满足了瞬态释放能量小于260μJ的要求。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其它实施 方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应 性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术 手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以 在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种本安保护电路，其特征在于，所述本安保护电路包括至少两个串联的保护模块，每个保护模块包括锂电采集管理芯片、mos管、第一匹配电容和三极管，其中：

所述锂电采集管理芯片的采集输入引脚连接于电池正极与负载之间，用于采集非安端输出电流，所述锂电采集管理芯片的控制输出引脚与所述mos管的栅极连接；

所述第一匹配电容串联于所述mos管漏极与所述三极管的基极之间，所述三极管的集电极与所述mos管的栅极连接；

在非短路状态，所述电池正极输出的电流经过负载、各个保护模块的mos管和采样电阻流入至所述电池的负极。

2.根据权利要求1所述的本安保护电路，其特征在于，所述保护模块还包括采样电阻，所述采样电阻与所述mos管串联，所述采样电阻包括并联的第一电阻和第二电阻；

所述采样电阻用于串联相邻两个保护模块中的mos管，或者，所述采样电阻用于串联保护模块中的mos管以及所述电池的负极。

3.根据权利要求1所述的本安保护电路，其特征在于，所述保护模块还包括第三电阻、第四电阻和第五电阻，所述第三电阻串联于所述第一匹配电容和所述三极管的基极之间，所述第四电阻的一端与所述三极管的基极连接，所述第四电阻的另一端与所述三极管的发射极连接；所述第五电阻的第一端与所述mos管的源极连接，所述第五电阻的第二端与所述三极管的发射极连接。

4.根据权利要求1所述的本安保护电路，其特征在于，所述保护模块还包括第六电阻、第二匹配电容和第七电阻，所述第六电阻的两端分别所述电池正极以及所述锂电采集管理芯片的采集输入引脚连接，所述第二匹配电容的一端与所述锂电采集管理芯片的采集输入引脚连接，所述第二匹配电容的另一端接地，所述第七电阻的两端分别与所述锂电采集管理芯片一输出引脚以及所述mos管的源极连接。

5.根据权利要求1-4中任一所述的本安保护电路，其特征在于，所述锂电采集管理芯片在采集所述非安端输出电流后，对采集到的所述非安端输出电流与预存的保护电流值进行比较，根据比较结果控制所述mos管栅极的导通或关断。

6.根据权利要求6所述的本安保护电路，其特征在于，当所述锂电采集管理芯片采集到的非安端输出电流低于预存的保护电流值时，所述电池的正极输出端输出电流，经过所述负载，再依序经过串联的保护模块中的mos管和采样电阻流入所述电池的负极形成环路，所述第一匹配电容两端电压维持低压差状态，所述三极管处于截至状态。

7.根据权利要求6所述的本安保护电路，其特征在于，当所述锂电采集管理芯片采集到的非安端输出电流达到所述预存的保护电流值时，所述电池的正极输出端输出电流，经过所述负载，再依序经过串联的保护模块中的mos管和采样电阻流入所述电池的负极形成环路，所述锂电采集管理芯片控制所述mos管的栅极电压以切断所述mos管，进行过流保护，所述三极管仍旧处于截至状态。

8.根据权利要求6所述的本安保护电路，其特征在于，当非安端输出短路瞬间，所述第一匹配电容向所述三级管的基极充电，所述三极管导通后，所述三极管的集电极控制所述mos管关断。

9.一种具备本安保护电路的矿用设备，其特征在于，所述矿用设备包括电池、负载以及如权利要求1-8中任一所述的本安保护电路，所述本安保护电路安装于所述电池和所述负载之间。

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