CN116131220A - 一种本安电源保护电路及提高本安电源负载能力的方法 - Google Patents
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Abstract
本说明书实施例公开了一种本安电源保护电路及提高本安电源负载能力的方法。所述保护电路包括：滤波模块，比较控制模块，电流取样电路，快速延时电路，快速保护开关单元，慢速延时电路，慢速保护开关单元；其中，所述滤波模块用于消除负载接入后形成的低频谐波和高频谐波；所述比较控制模块用于提供快速保护动作比较电压及慢速保护动作比较电压；所述电流取样电路用于将本安电路的输出电流产生差分放大的压差；所述快速延时电路提供限流延时和限流保持时间，用于延时短路保护控制信号；所述慢速延时电路提供过流延时和过流保持时间，用于延时过流保护控制信号。
Description
技术领域
本说明书涉及本安电源领域，尤其涉及一种本安电源保护电路及提高本安电源负载能力的方法。
背景技术
本质安全型电源简称为“本安电源”，主要应用在石油、化工、煤炭等含有爆炸性气体的环境中，作为通讯、监控、检测以及控制系统的供电设备。为了防止输出过流或负载短路时产生的火花点燃易燃易爆气体，本安电源必须采用保护电路，来限制火花的能量。
目前，本安电源实现本安性能的限能保护电路的工作方式包括：直接开关关断方式、线性稳压加开关关断方式及分级保护方式。现有的本安电源的限能保护电路，因限制火花能量导致本安电源的输出功率不高，抗干扰能力差。
因此，需要一种方法，能够有效解决因限制火花能量导致本安电源的输出功率不高，抗干扰能力差的问题，提高本安电源的输出功率，从而使得本安电源能够广泛应用。
发明内容
本说明书实施例提供一种本安电源保护电路及提高本安电源负载能力的方法，用于解决以下技术问题：现有的本安电源的限能保护电路均不能有效的解决本安电源的输出问题，本安电源输出功率不高。
为解决上述技术问题，本说明书实施例是这样实现的：
本说明书实施例提供的一种本安电源保护电路，该保护电路包括：
滤波模块，比较控制模块，电流取样电路，快速延时电路，快速保护开关单元，慢速延时电路，慢速保护开关单元；
其中，
所述滤波模块用于消除负载接入后形成的低频谐波和高频谐波；
所述比较控制模块用于提供快速保护动作比较电压及慢速保护动作比较电压；
所述电流取样电路用于将本安电路的输出电流产生差分放大的压差；
所述快速延时电路用于限流延时及限流保持时间；
所述慢速延时电路用于过流延时及过流保持时间。
本说明书实施例提供的一种提高本安电源负载能力的方法，包括：
确定本安电源与上述任一项所述的保护电路组成的回路电流；
当所述回路电流大于预设的短路保护设定值时，则基于所述保护电路产生保护动作；
检测所述保护动作的输出电流；
若所述保护动作的输出电流大于预设的过流动作值时，切断所述本安电源与所述保护电路组成的回路；
若所述保护动作的输出电流不大于所述预设的过流动作值，则所述本安电源与所述保护电路组成的回路正常向负载供电。
本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：本说明书实施例提供的保护电路，无需散热器，体积小，且保护电路价格低廉，可靠性高。采用本说明书实施例提供的提高本安电源负载能力的方法，能够显著提高本安电源的输出功率，提高本安电源在接近额率输出时的抗干扰能力，避免载电流在接近额定输出电流时，电流小的波动引起保护动作造成负载断电引起的重启现象，本安电源功耗低，效率高。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本说明书实施例提供的一种本安电源保护电路的示意图；
图2为本说明书实施例提供的一种本安电源保护电路的结构意图；
图3为本说明书实施例提供的延时保护原理图；
图4为本说明书实施例提供的放电示意图；
图5为本说明书实施例提供的过流保护时各点电压波形及输出电流波形；
图6为本说明书实施例提供的一种提高本安电源负载能力的方法的示意图；
图7为本说明书实施例提供的电流冲击电流持续时间较短时短保护动作波形图；
图8为本说明书实施例提供的短路故障持续时的短路保护动作波形图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
为了防止输出过流或负载短路时产生的火花点燃易燃易爆气体，本安电源必须采用保护电路，来限制火花的能量。在本安电源中，短路电流值越高，火花的能量越大；短路电流值与短路保护时间和输出电压的乘积成正比，即输出电压越高短路保护时间越长、短路电流值越大。在安全火花的能量一定时，电压越高，短路保护时间就要越短，电压越低，容许短路保护的时间就越长。所以，低压小功率的本安电源容易通过火花试验，而电压高、功率大的本安电源就不容易通过火花试验。本安电源必须采用保护电路，来限制火花的能量。
现有技术中，本安电源的直接开关关断方式，该方式在有输出过流或负载短路故障发生后，首先电流检测电路检测到过流或短路信号，然后再控制开关电路动作，使开关电路中的开关管(通常是选用MOS管)从导通态变换到关断态，以进行短路保护。这种方式有以下不足：一是为了减小短路时火花的能量，短路保护动作时间需尽可能短，这就需要提高电流检测电路的灵敏度，降低短路保护阈值，阈值降低会造成输出功率下降；二是保护动作快，易受干扰，产生误动作，造成后级负载错误断电，影响设备正常工作；三是这种保护电路使得本安电源功率输出较小，对应用造成限制。
本安电源的线性稳压加开关关断方式，该方式是在非安输出后端串接LDO线性三端稳压器，在LDO稳压器后即接控制开关，在电流检测电路的控制下完成保护功能。这种方式由于三端稳压器的晶体管工作于线性区，短路发生时能快速限制短路电流，使得短路电流显著下降，为限制火花能量，后级开关保护电路保护时间有充足的余量。但这种方式存在诸多不足：一是由于串接了LDO稳压器，LDO输入和输出压降较大，显著增加了电路的功耗；二是由于散热需要增大了电源体积；三是受限于LDO电路的额定电流的影响，本安电源输出功率较小，限制了应用。
本安电源的分级保护方式，该方式采用两级串联保护，一级为快速保护即当检测电路检测到回路电流大于本安电源额定输出电流数倍时快速控制开关电路切断输出回路；另一级为过流保护，即当检测电路检测到回路电流大于本安电源额定输出电流时延时一定时间控制开关电路切断输出回路；该方式虽然解决了抗干扰问题，但对本安电源输出功率提高不大。
基于此，本说明书实施例提供本说明书实施例提供的一种本安电源保护电路，如图1所示，该保护电路包括：
滤波模块1，比较控制模块2，电流取样电路3，快速延时电路4’，快速保护开关单元4，慢速延时电路5’，慢速保护开关单元5；
其中，
所述滤波模块用于消除负载接入后形成的低频谐波和高频谐波；
所述比较控制模块用于提供快速保护动作比较电压及慢速保护动作比较电压；
所述电流取样电路用于将本安电路的输出电流产生差分放大的压差；
所述快速延时电路提供限流延时和限流保持时间，用于延时短路保护控制信号；
所述慢速延时电路提供过流延时和过流保持时间，用于延时过流保护控制信号。
在本说明书实施例中，所述滤波模块包括：用于消除低频谐波的电解电容及消除高频谐波的聚丙烯电容，所述电解电容与所述聚丙烯电容并联连接于直流电源的输入和电线接地端的两端。
在本说明书实施例中，所述比较控制模块为所述电流取样电路提供电流快、慢保护两级控制信号，所述电流快、慢保护两级控制信号包括：所述过流保护控制信号和所述短路保护控制信号，所述短路保护控制信号为快保护控制信号，所述过流保护控制信号为慢保护控制信号。
在本说明书实施例中，所述电流取样电路用于将本安电路的输出电流产生差分放大的压差，具体包括：
所述电流取样电路将所述本安电路的输出电流在取样电阻两端形成压降，将所述压降进行差分放大，经所述比较控制模块产生所述电流快、慢保护两级控制信号。
在本说明书实施例中，所述慢速保护开关单元的过流延时时间为：
Tq＝T2+T3
其中：
Tq为所述慢速保护开关单元的过流延时时间；
T2为所述快速保护开关单元的限流延时时间；
T3为限流保持时间。
在本说明书实施例中，所述保护电路的快速保护开关单元含有限流元件，所述限流元件为功率电阻；
所述功率电阻的电阻阻值为：
R＝Uo/K*Iq(1.1<K<1.3)；
其中，
Uo为本安输出电压；
Iq为限流动作值；
K为相关系数；
R为功率电阻的电阻阻值。
在本说明书实施例中，所述限流动作值为过流动作值的预设倍数，所述限流动作值及所述过流动作值均可以通过所述比较控制器进行调整。
在本说明书实施例中，所述快速延时电路与所述慢速延时电路具有相同的延时电路结构。
需要特别说明的是，功率电阻的作用是进行限流，所以功率电阻也称为限流电阻，功率电阻的电阻阻值R也称为限流电阻阻值
为了进一步理解本说明书实施例提供的保护电路，下面将结合本安电源保护电路的结构示意图予以说明。
图2为本说明书实施例提供的一种本安电源保护电路的结构意图，如图2所示，滤波模块1有电解电容C1和CBB(聚丙烯)电容C2组成，C1和C2并联连接于直流电源Uin(输入)和GND(电线接地端，代表地线或0线)两端；主要用作滤波，消除负载接入后形成的低频和高频谐波，C1消除低频谐波，C2消除高频谐波。
比较控制模块2由若干电阻、一个电容一个稳压二极管及一个电压检测芯片组成。在本说明书的一个实施例中，比较控制模块2由电阻R1、R2、R3、R4、R5、电容C4、稳压二极管Z1和电压检测芯片CN303组成；电阻R1、R2、电容C4、稳压二极管Z1组成分压电路连接于直流电源Uin和GND两端，在R2两端输出6V电压为电压检测芯片CN303提供工作电压；电阻R3、R4、R5串联组成分压电路连接于直流电源GND和电流取样电路3的输出端，经过电阻R3、R4、R5给比较控制模块2通过2个比较电压，即：R4和R5之间的电压为快速保护动作比较电压，R3和R4之间的电压为慢速保护动作比较电压；其中集成电路CN303是双通道电压检测芯片，包含2个比较器A2、A3、1.211V高精度基准电压源及迟滞控制电路；集成电路CN303由电阻R1、R2、电容C4、稳压二极管Z1组成分压分压电路供电，由电流取样电路3的输出端经电阻R3、R4、R5给分压提供比较电压完成电流快、慢保护两级控制信号。
所述电流取样电路3由取样电阻、C3和电流采样芯片INA199A2DCKT组成。取样电阻可以为Rshunt(分流电阻)
取样电阻一端接于直流电源正输出端Uin，另一端接本安电路正输出端Uo(输出电压值)；取样电阻的Uin一端连接INA199差分信号正输入端，取样电阻的Uo一端连接INA199DCKT差分信号负输入端；INA199A2DCKT的电源输入端V+连接直流电源Uin，INA199A2DCKT的电源负级GND和参考电压REF端相连并连接到直流电源GND，INA199A2CKTD差分放大输出端Vout连接比较控制模块2的电阻R5一端(非R4公共端R5)；
为了进一步理解电流取样电路，下面将简单介绍一下电流取样电路的工作原理：输出电流经取样电阻，在取样电阻两端形成压降，经INA199A2DCKT的差分放大后，经比较控制模块2比较产生保护控制信号。
所述快速保护开关单元4由电阻R8、R9、R10、R11、功率电阻R12、稳压二极管Z2和NMOS管G1、G2、G3组成；其中MOS管G1和快速时延电路4'构成快速开关MOS管G2、G3的驱动电路；MOS管G2、G3是根据本安要求保护开关单元采用的双元件设计方案；R9、R10、R11、稳压二极管Z2、MOS管G2、G3构成开关电路、稳压二极管Z2用来限制施加在R10、R11和MOS管G2、G3栅极和源极间的电压，防止驱动电压超过MOS管G2、G3栅极和源极间的极限电压烧坏MOS管；功率电阻R12为限流电阻用来限制快速开关断开时被保护回路的电流。
所述快速时延电路4'由电阻R6、R7、开关二极管D1、电容C5组成用来延时Kq短路保护控制信号，同时也是MOS管G1的驱动电路；
所述慢速保护开关单元5由电阻R15、R16、R17、R18、稳压二极管Z3和NMOS管G4、G5、G6组成；其中MOS管G4和慢速时延电路5'构成快速开关MOS管G5、G6的驱动电路；电阻R13、R14、开关二极管D2、电容C6组成MOS管G4的驱动电路；MOS管G5、G6是根据本安要求保护开关单元采用的双元件设计方案；R16、R17、R18、稳压二极管Z3、MOS管G5、G6构成开关电路、稳压二极管Z3用来限制施加在R16、R17和MOS管G5、G6栅极和源极间的电压，防止驱动电压超过MOS管G5、G6栅极和源极间的极限电压烧坏MOS管；
所述慢速时延电路5'由电阻R13、R14、开关二极管D2、电容C6组成用来延时Ks短路保护控制信号，同时也是MOS管G4的驱动电路。
为了进一步理解本说明书实施例提供的保护电路，下面将详细阐述该保护电路的工作原理。
(1)电流取样及信号调理
当输出端Uo和Un短路时，产生短路电流从Uin经取样电阻Rshunt流向Uo，在取样电阻Rshunt(10mΩ2W)两端产生压降，该压降经电流放大器INA199A2DCKT放大(放大倍率100V/V)后信号Vout送后级进行比较；
(2)故障保护动作信号的产生
当回路电流大于电流动作值Ie(图中设定值为约1.5A)时，A点电压高于1.211V，比较器A2输出高电平，即Ks为高电平；此动作值Ie为过流保护动作值(简称过流动作值)。
当回路电流大于电流动作值Iq(图中动作值为约6A)时，B点电压高于1.211V，比较器A3输出高电平；此动作值Iq为快速限流保护动作值(简称限流动作值)。
通过调整R3、R4、R5的阻值可以调整限流动作值和过流动作值，因此，限流动作值和过流动作值可以根据具体应用场景进行调整。
(3)过流延时和过流保持时间(慢速延时电路5')
过流保护延时原理图如图3(b)所示，一般R14取10K-30K左右，R13取100K-1M欧姆，C6取几纳法到几微法之间；当Ks为高电平时，通过R14、D2对C6和MOS管G4源漏极电容Cgs充电，由于R14远小于R13,充电速度基本取决于R14、C6和Cgs的取值，当C6两端电压高于MOS管G4的开通电压时，MOS管G4导通；MOS管G5、G6动作断开回路，过流现象故障消失；这样从过流故障出现到MOS管G5、G6动作断开回路，需要延时一段时间，这段时间就是过流保护延时时间(简称过流延时)，过流保护延时时间的长短由R14、C6设定。
当过流故障解除后，Ks为低电平时，二极管D2截止，此时C6和Cgs通过R13放电如图4(b)，由于R13远大于R14，因此MOS管G4导通时间会持续较长一段时间，当此时C6和Cgs两端电压低于MOS管G4的开通电压时，MOS管G4断开，MOS管G5、G6漏极加高电平，MOS管G5、G6导通，回路正常工作，如此时过流故障真正解除，则电路正常工作；如过流故障没有解除则重复上述过程，形成打嗝保护；从过流动作控制信号解除到过流动作结束，过流动作的持续时间(MOS管G5、G6断开的时长)就是过流动作保持时间(以下过流保持时间)；过流动作保持时间可由R13、C6设定。
(4)限流延时和限流保持时间(快速延时电路4')
限流保护延时原理图如图3(a)所示，一般R6取10K-30K左右，R7取100K-1M欧姆，C5取几纳法到几微法之间；当Ks为高电平时，通过R6、D1对C5和MOS管G1源漏极电容Cgs充电，由于R6远小于R7,充电速度基本取决于R6、C5和Cgs的取值，当C5两端电压高于MOS管G1的开通电压时，MOS管G1导通；MOS管G2、G3动作断开回路，输出回路被R12限流；这样从输出回路短路故障出现到MOS管G2、G3动作断开，就延时一段时间，这段时间就是限流保护延时时间(简称限流延时)，限流延时延时时间长短由R6、C5设定；
当输出回路被R12限流后，Kp为低电平时，二极管D1截止，此时C5和Cgs通过R7放电如图4(a)，由于R7远大于R6，因此MOS管G1导通时间会持续较长一段时间，当此时C5和Cgs两端电压低于MOS管G1的开通电压时，MOS管G1断开，MOS管G2、G3漏极加高电平，MOS管G2、G3导通，回路正常工作，如此时短路故障真正解除，则电路正常工作；如短路故障没有解除则重复上述过程，形成打嗝保护；从限流保护动作控制信号解除到限流保护动作结束，限流保护动作持续的时间(MOS管G2、G3断开的时长)就是过流保护动作持续时间(限流保持时间)；限流保持时间可由R13、C6设定。
(5)过流保护原理
当负载电流超过过流动作值Ie(图2中动作值为1.5A)时，取样电阻Rshunt两端电压经INA199A2DCKT放大后在A点电压超过1.211V，比较器A2输出高电平，Ks为高电平，Ks经慢速延时电路5'延时后，驱动慢速保护开关单元5中的MOS管G5、G6断开回路，保护动作。
过流故障电流较小，保护动作延时时间长，由于电流小，冲击能量也小，不会对电源造成损坏，但对负载电流接近设定电流条件下的尖脉冲和高频干扰由滤波作用，有利于抗干扰；
过流保护时，B点电压远低于1.211V，不会触发快速保护开关单元保护中MOS管动作；
图5为过流保护是各点电压波形及输出电流波形。图中过流动作值为Ie,快速延时电路4'和快速保护开关单元4没有动作；图中T2时段In为回路中负载电流，其中大于Ie，产生过流保护；T1时段回路正常工作，负载电流小于Ie。
(6)限流保护原理
当短路故障发生时，取样电阻Rshunt两端电压经INA199A2DCKT放大后在A、B两点电压都超过1.211V，比较器A2和A3都输出高电平，Kq、Ks为高电平，Kq经快速延时电路4'延时后，驱动快速保护开关单元4中的MOS管G2、G3断开回路；Ks经慢速延时电路5'延时后，驱动慢速保护开关单元5中的MOS管G5、G6断开回路；
短路故障时电流较大，限流延时尽可能短，避免对电源造成损坏；因此快速延时电路4'延时很短，快速保护开关单元4在较短时间内断开；同时，比较器A2也输出高电平，慢速延时电路5'也在延时，但延时时间大于快速延时电路4'的延时时间，因此慢速保护开关单元5处于导通状态；由于在快速保护开关单元4中开关上并接R12功率电阻，因此此时回路电流经由电阻R12限流后流回电源GND端，回路电流小于Uo/R12，限制了短路侧Uo和Un短路释放出的能量；
如果短路故障很快消失，慢速延时电路5'和慢速保护开关单元5来不及动作，待快速延时电路4'和快速保护开关单元4限流保持时间结束前，整个回路由于R12的存在，处于闭合状态；由于R12的限流作用，减小了Uo和Un之间短路电压和短路电流，也即减小了活花能量；同时在限流保持时间段，且短路故障消失时段内，R12也具有续流作用保持给负载侧持续提供能量，保证了负载不会因长时间掉电停止故障或受到干扰重启；
如果短路故障持续存在，则慢速延时电路5'和慢速保护开关单元5过流保护动作，彻底切断回路，待慢速延时电路5'过流保持时间结束后，闭合慢速保护开关单元5，回路正常工作；如短路故障没有解除则重复上述过程，形成打嗝保护。
综上所述，如果回路出现过流故障时，在过流信号Ks启动下，慢速延时电路5'和慢速保护开关单元5配合动作，形成打嗝时过流保护，直到过流故障消失；如果回路出现持续短路故障时，快速延时电路4'和快速保护开关单元4以及慢速延时电路5'和慢速保护开关单元5都产生保护动作，快速延时电路4'和快速保护开关单元4完成限流保护动作，慢速延时电路5'和慢速保护开关单元5完成切断回路动作，形成打嗝时短路保护，直到短路故障消失；如果回路出现干扰或持续时间极短的短路故障时，仅有快速延时电路4'和快速保护开关单元4产生限流保护动作，不会对负载侧造成大的影响，提高了供电可靠性。
本说明书实施例提供的保护电路，无需散热器，体积小，且保护电路价格低廉，可靠性高。
在实际应用中，本说明书实施例提供的保护电路，可用于提高负载能力的场景中，该保护电路可以与电源、直流电源等组成回路，以实现提高负载能力的目的。
本说明书实施例提供一种将保护电路应用于本安电源的方法，具体地，提供一种提高本安电源负载能力的方法，如图6所示，该方法包括：
步骤S601：确定本安电源与保护电路组成的回路电流；
步骤S603：当所述回路电流大于预设的短路保护设定值时，则基于所述保护电路产生保护动作；
步骤S605：检测所述保护动作的输出电流；
步骤S607：若所述保护动作的输出电流大于预设的过流动作值时，切断所述本安电源与所述保护电路组成的回路；
若所述保护动作的输出电流不大于所述预设的过流动作值，则所述本安电源与所述保护电路组成的回路正常向负载供电。
在本说明书实施例中，所述保护电路包括：
滤波模块，比较控制模块，电流取样电路，快速延时电路，快速保护开关单元，慢速延时电路，慢速保护开关单元；
其中，
所述滤波模块用于消除负载接入后形成的低频谐波和高频谐波；
所述比较控制模块用于提供快速保护动作比较电压及慢速保护动作比较电压；
所述电流取样电路用于将本安电路的输出电流产生差分放大的压差；
所述快速延时电路提供限流延时和限流保持时间，用于延时短路保护控制信号；
所述慢速延时电路提供过流延时和过流保持时间，用于延时过流保护控制信号。
在本说明书实施例中，所述滤波模块包括：用于消除低频谐波的电解电容及消除高频谐波的聚丙烯电容，所述电解电容与所述聚丙烯电容并联连接于直流电源的输入和电线接地端的两端。
在本说明书实施例中，所述比较控制模块为所述电流取样电路提供电流快、慢保护两级控制信号，所述电流快、慢保护两级控制信号包括：所述过流保护控制信号和所述短路保护控制信号，所述短路保护控制信号为快保护控制信号，所述过流保护控制信号为慢保护控制信号。
在本说明书实施例中，所述电流取样电路用于将本安电路的输出电流产生差分放大的压差，具体包括：
所述电流取样电路将所述本安电路的输出电流在取样电阻两端形成压降，将所述压降进行差分放大，经所述比较控制模块产生所述电流快、慢保护两级控制信号。
在本说明书实施例中，所述慢速保护开关单元的过流延时时间为：
Tq＝T2+T3
其中：
Tq为所述慢速保护开关单元的过流延时时间；
T2为所述快速保护开关单元的限流延时时间；
T3为限流保持时间。
在本说明书实施例中，所述保护电路的快速保护开关单元含有限流元件，所述限流元件为功率电阻；
所述功率电阻的电阻阻值为：
R＝Uo/K*Iq(1.1<K<1.3)；
其中，
Uo为本安输出电压；
Iq为限流动作值；
K为相关系数；
R为所述功率电阻的电阻阻值。
在本说明书实施例中，所述限流动作值为过流动作值的预设倍数，所述限流动作值及所述过流动作值均可以通过所述比较控制器进行调整。
在本说明书实施例中，所述快速延时电路与所述慢速延时电路具有相同的延时电路结构。
结合到具体的实施例中，本安电源的回路出现过流故障时，所述电流取样电路与所述比较控制模块产生过流保护信号，所述过流保护信号驱动所述慢速延时电路与所述慢速开关单元形成打嗝过流保护，直至所述过流故障消失；
所述本安电源的回路出现持续短路故障时，所述电流取样电路与所述比较控制模块产生过流保护信号和短路保护信号，所述短路保护信号驱动所述快速延时电路和所述快速保护开关单元以及所述慢速延时电路和所述慢速保护开关单元均产生保护动作，所述快速延时电路与所述快速保护开关单元完成限流保护动作，所述过流保护信号驱动所述慢速延时电路与所述慢速保护开关单元完成切断回路动作，形成打嗝时短路保护，直至所述短路故障消失；
所述本安电源的回路出现干扰或短时短路故障时，所述电流取样电路和所述比较控制电路产生短路保护信号，所述短路保护信号驱动所述快速延时电路和所述快速保护开关单元产生限流保护动作。
为了进一步理解本说明书实施例提供的提高本安电源负载能力的方法，下面将结合波形图予以详细说明。
图7为本说明书实施例提供的电流冲击电流持续时间较短时短保护动作波形图。如图7所示，Im为短路冲击电流，Ip为限流动作值，Is为限流电流值，Ie为过流动作值，In正常输出电流(<Ie)。
图中自上而下依次为本安电源输出电流波形图、快速保护控制信号Kq波形图、快速开关单元C点电压波形图、慢速保护控制信号Ks波形图、慢速开关单元D点电压波形图；
T1阶段为本安电源正常工作状态。此时，本安电源输出电流为In，In小于本安电源额定电流Ie，Kq、Ks为低电平，C点、D点为高电平，本安电源正常向负载供电；
T2短路限流保护延时时间。当本安电源输出出现短路故障或大电流冲击(假定电流为Im>Ip)时，Kq、为高电平，快速延时电路4'开始延时T2段时间，慢速延时电路5'开始延时Tq段时间(Tq＝T2+T3)，此间C点、D点仍为高电平；
T3阶段为限流持续时间。快速延时电路4'延时结束，C点输出低电平，断开回路，C点低电平持续时间即限流保护(限制电流为Is<Ip)持续时间；慢速(过流)保护控制信号Ks在T2和T3时段内持续保持高电平，直到T3段结束；D点在T2和T3时段内输出高电平，直到T3段结束；
T4阶段为恢复阶段，由于短路故障或大电流冲击时长小于Tq，则T3结束后，回路电流重回In，Kq仍为低电平，C点输出高电平，解除限流保护；同时，由于快速延时电路4'的延时时间等于Tq，D点仍为高电平，回路处于正常闭合状态，但由于短路故障或大电流冲击已解除，所以回路恢复正常供电状态。
图8为本说明书实施例提供的短路故障持续时的短路保护动作波形图。如图8所示，T1、T2、T3阶段工作原理与图7相同，在此不在赘述，但在T4阶段由于短路故障或大电流冲击持续存在，则D点变为低电平，本电路处于短路保护状态，输出电流为零，保护持续时长为T4；T5时段和T2时段一样为过流保护动作延时阶段，短路保护持续T4时间后，D点由于保护动作延时结束重新变为高电平，输出回路接通；由于C点也为高电平，所以回路没有限流措施，回路电流重回冲击电流值Im，后续过程如图8中T2、T3、T4，形成打嗝保护，直到短路故障解除。
采用本说明书实施例提供的提高本安电源负载能力的方法，能够显著提高本安电源的输出功率，提高本安电源在接近额率输出时的抗干扰能力，避免载电流在接近额定输出电流时，电流小的波动引起保护动作造成负载断电引起的重启现象，本安电源功耗低，效率高。
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置、电子设备、非易失性计算机存储介质实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本说明书实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种本安电源保护电路，其特征在于，所述保护电路包括：
滤波模块，比较控制模块，电流取样电路，快速延时电路，快速保护开关单元，慢速延时电路，慢速保护开关单元；
其中，
所述滤波模块用于消除负载接入后形成的低频谐波和高频谐波；
所述比较控制模块用于提供快速保护动作比较电压及慢速保护动作比较电压；
所述电流取样电路用于将本安电路的输出电流产生差分放大的压差；
所述快速延时电路提供限流延时和限流保持时间，用于延时短路保护控制信号；
所述慢速延时电路提供过流延时和过流保持时间，用于延时过流保护控制信号。
2.如权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述滤波模块包括：用于消除低频谐波的电解电容及消除高频谐波的聚丙烯电容，所述电解电容与所述聚丙烯电容并联连接于直流电源的输入和电线接地端的两端。
3.如权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述比较控制模块为所述电流取样电路提供电流快、慢保护两级控制信号，所述电流快、慢保护两级控制信号包括：所述过流保护控制信号和所述短路保护控制信号，所述短路保护控制信号为快保护控制信号，所述过流保护控制信号为慢保护控制信号。
4.如权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述电流取样电路用于将本安电路的输出电流产生差分放大的压差，具体包括：
所述电流取样电路将所述本安电路的输出电流在取样电阻两端形成压降，将所述压降进行差分放大，经所述比较控制模块产生所述电流快、慢保护两级控制信号。
5.如权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述慢速保护开关单元的过流延时时间为：
Tq＝T2+T3
其中：
Tq为所述慢速保护开关单元的过流延时时间；
T2为所述快速保护开关单元的限流延时时间；
T3为限流保持时间。
6.如权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述保护电路的快速保护开关单元含有限流元件，所述限流元件为功率电阻；
所述功率电阻的电阻阻值为：
R＝Uo/K*Iq(1.1<K<1.3)；
其中，
Uo为本安输出电压；
Iq为限流动作值；
K为相关系数；
R为所述功率电阻的电阻阻值。
7.如权利要求6所述的保护电路，其特征在于，所述限流动作值为过流动作值的预设倍数，所述限流动作值及所述过流动作值均可以通过所述比较控制器进行调整。
8.如权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述快速延时电路与所述慢速延时电路具有相同的延时电路结构。
9.一种提高本安电源负载能力的方法，其特征在于，所述方法包括：
确定本安电源与上述任一项所述的保护电路组成的回路电流；
当所述回路电流大于预设的短路保护设定值时，则基于所述保护电路产生保护动作；
检测所述保护动作的输出电流；
若所述保护动作的输出电流大于预设的过流动作值时，切断所述本安电源与所述保护电路组成的回路；
若所述保护动作的输出电流不大于所述预设的过流动作值，则所述本安电源与所述保护电路组成的回路正常向负载供电。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述当所述回路电流大于预设的短路保护设定值时，则基于所述保护电路产生保护动作，具体包括：
当所述回路电流大于预设的短路保护设定值，且所述回路电流大于过流动作值时，则经所述保护电路的慢速延时电路后，驱动所述保护电路的慢速保护开关单元断开回路，产生过流保护动作；
当所述回路电流大于预设的短路保护设定值，且所述回路电流大于限流动作值时，则经所述保护电路的快速延时电路后，驱动所述保护电路的快速保护开关单元断开回路；且经所述保护电路的慢速延时电路后，驱动所述保护电路的慢速保护开关单元断开回路，产生限流保护动作。
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|---|---|---|---|
| CN202310126417.1A CN116131220A (zh) | 2023-02-16 | 2023-02-16 | 一种本安电源保护电路及提高本安电源负载能力的方法 |
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| US20220247164A1 (en) * | 2019-06-10 | 2022-08-04 | HKC Corporation Limited | Over-current protection circuit, driving method for over-current protection circuit and display device |
| WO2022166901A1 (zh) * | 2021-02-05 | 2022-08-11 | 广州视源电子科技股份有限公司 | 过流保护电路及其控制方法 |
| US20230026059A1 (en) * | 2019-12-20 | 2023-01-26 | Rohm Co., Ltd. | Overcurrent protection circuit |
-
2023
- 2023-02-16 CN CN202310126417.1A patent/CN116131220A/zh active Pending
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