CN205051580U - 本质安全型电源 - Google Patents

Abstract

一种本质安全型电源,电源输入端口支持12V到32V直流电压输入，电源输出端口提供带过压/过流保护的3.3V或5V直流输出；电源输入端口、开关电源控制器、滤波电路、电流采样电路和电源输出端口依次串连接，电压采样电路一端与所述滤波电路输出端相连，另一端与所述开关电源控制器相连；启动控制电路从电源输入端口得到电源，与所述开关电源控制器使能端口EN相连；比较放大电路从所述电流采样电路获得电流信号，经与电流基准比较放大后，反馈至所述开关电源控制器。本实用新型不但满足本质安全要求，还有效降低了系统的启动电流，增加过流保护功能，确保电路出现短路、过载等能迅速切断电源，使电火花能量不足以点燃爆炸性气体和粉尘。

Description

本质安全型电源

技术领域

本实用新型涉及一种本质安全型电源，适用于煤炭、石油和化工等爆炸性环境，属于防爆电气领域。

背景技术

在防爆电气领域中，出于安全考虑，对本质安全型电路的电储能元件—电容和电感都有严格要求，确保在输出过流、过压或短路情况下，较低的电火花能量不足以点燃爆炸性气体和粉尘。

而目前电源电路中主要采用DC/DC和LDO降压方式，传统的DC/DC电源需大感值的电感和高容值的电容进行滤波，LDO降压方式存在大容值的滤波电容和高发热量的缺陷。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种本质安全型电源，以克服现有技术缺陷。

本实用新型通过下述方案解决所述的技术问题：一种本质安全型电源,包括：电源输入/输出端口、用于控制输出电压的开关电源控制器、用于对输出电压滤波的滤波电路，所述的电源输入端口支持12V到32V直流电压输入，电源输出端口提供带过压/过流保护的3.3V或者5V直流输出；由电压采样电路给所述开关电源控制器提供反馈电压，还包括：

启动控制电路，用于控制所述开关电源控制器的启动和关闭；

电流采样电路，用于对所述电源输出端的电流进行采样；

比较放大电路，对所述电流采样电路的信号进行放大和比较处理，反馈给所述开关电源控制器，控制电流输出；

电流基准，为所述比较放大电路提供电流对比的基准；

所述电源输入端口、开关电源控制器、滤波电路、电流采样电路和电源输出端口依次串连接，所述电压采样电路一端与所述滤波电路输出端相连，另一端与所述开关电源控制器相连；所述启动控制电路从所述电源输入端口得到电源，与所述开关电源控制器使能端口EN相连；所述比较放大电路从所述电流采样电路获得电流信号，经与所述电流基准比较放大后，反馈至所述开关电源控制器。

本实用新型由电流采样电路、电流基准和比较放大电路组成了过流保护部分，实现过流保护。

在上述方案基础上，所述开关电源控制器为MP4459型高频开关电源控制器，其使能端口连接启动控制电路。可以选用更小的储能电感和符合安全规定的滤波电容，以获得更小的输出纹波，满足本质安全要求。

在上述方案基础上，所述启动控制电路由电阻R1和R4、电容C11组成；电阻R4与电容C11并联后，一端接地，另一端与所述开关电源控制器的使能EN端、电阻R1一端共点；电阻R1的另一端与电源输入端相连。

在上述方案基础上，所述滤波电路由电感L2和2个电容C5、C7组成，电容C5和C7并联后，一端接地，另一端为滤波电路的输出端连接电流采样电路和电流采样电路，通过电感L2与所述开关电源控制器的SW端相连。

所述电压采样电路由2个电阻R2、R3组成，电阻R2和R3的一端与所述开关电源控制器的反馈FB端共点，电阻R3的另一端接地，电阻R2的另一端与所述滤波电路输出端相连。

所述电流采样电路只有一个电阻R7，电阻R7的一端与电源输出端口相连，另一端连接所述滤波电路输出端，且电阻R7采集的电流信号由比较放大电路进行放大，与电流基准进行比较处理，反馈给所述开关电源控制器。

所述电流基准由稳压二极管D3和电阻R17组成，稳压二极管D3的正极接地，其负极经电阻R17连接电源输入端；

所述比较放大电路由差分放大电路和滞回比较电路组成，其中，

所述差分放大电路由第一运算放大器U1和4个电阻R8、R9、R10、R11组成，第一运算放大器U1的同相输入端与电阻R8、R11的一端相连，其反相输入端与电阻R9、R10的一端相连，其输出端与电阻R10的另一端相连；电阻R8的另一端与电流采样电路电阻R7的输入端相连，电阻R9的另一端连接电阻R7输出端，电阻R11的另一端接地；

所述滞回比较电路由第二运算放大器U2、二极管D2和3个电阻R12、R13、R14组成，第二运算放大器U2的同相输入端与电阻R13、R14的一端相连，其反相输入端通过电阻R12与第一运算放大器U1的输出端相连，其输出端与电阻R14的另一端、二极管D2的负极共点；二极管D2的正极与所述开关电源控制器的使能EN端相连；电阻R13的另一端与稳压二极管D3的负极相连。

本实用新型具有以下优点：

1.使用高频开关电源控制器MP4459，可以选用更小的储能电感和符合安全规定的滤波电容，以获得更小的输出纹波，满足本质安全要求；

2.系统上电的时候，由启动控制电路控制关闭开关电源控制器，等待输入级滤波电容充满电后再启动开关电源，然后由输入电源输入级滤波电容一起给后续系统电容充电，有效的降低了系统的启动电流。

3.增加过流保护功能，确保电路出现短路、瞬间短路或者过载时迅速切断电源输出，保证在输出过流、过压或短路情况下，电火花能量不足以点燃爆炸性气体和粉尘。

附图说明

图1是本实用新型本质安全型电源的原理框图；

图2实施例电气原理图；

图中标号说明：

1——开关电源控制器；2——滤波电路；

3——电压采样电路；4——启动控制电路；

5——电流采样电路；

6——比较放大电路；7——电流基准。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型本质安全型电源作进一步说明。

本实用新型本质安全型电源的原理框图如图1所示，电源输入端口、开关电源控制器1、滤波电路2、电流采样电路5和电源输出端口依次串连接；所述电压采样电路3一端与所述滤波电路2输出端相连，另一端与所述开关电源控制器1相连；所述启动控制电路4从所述电源输入端口得到电源，与所述开关电源控制器1使能端口EN相连；所述比较放大电路6从所述电流采样电路5获得电流信号，经与所述电流基准7比较放大后，反馈至所述开关电源控制器1。

如图2实施例电气原理图所示，电源输入端口为24V直流电压输入，电源输出端口提供带过压/过流保护的5V直流输出；由电压采样电路3给所述开关电源控制器1提供反馈电压，其中，

开关电源控制器1采用MP4459型高频开关电源控制器，它是MPS公司产品，开关频率可达4MHz，内部集成有功率开关管，具有4.5V～36V宽电压输入，能够输出1.5A电流，高达95%的转换效率。支持外部使能控制信号（EN），当使能信号小于1.2V时MP4459输出关闭，当使能信号大于1.5V时MP4459输出有效。

滤波电路2由2.2uH电感L2和2个电容C5、C7组成，10uF电容C5和100nFC7并联后，一端接地，另一端为滤波电路的输出端连接电压采样电路3和电流采样电路5，通过电感L2与所述开关电源控制器1的SW端相连，对开关电源控制器MP4459的开关电源SW端输出的脉宽调制PWM电信号进行滤波，输出一个稳定的直流电压。

电压采样电路3由电阻R2、R3组成，将输出的直流电压进行分压采样，然后反馈给开关电源控制器MP4459的反馈FB端，用来保持开关电源输出电压的稳定。通过改变电阻R2和R3的阻值可以改变输出电压值U_o：

其中，U_o为输出电压值，单位为伏特，R2和R3为分压电阻阻值，单位为欧姆。

启动控制电路4，用于控制所述开关电源控制器1的启动和关闭，由电阻499KΩ的R1、100KΩ的R4和1uF的电容C11组成，系统上电瞬间，开关电源控制器MP4459使能EN端信号为0V，此时开关电源输出关闭；输入电源通过电阻R1为电容C11充电，EN端信号电压逐渐上升，由电阻R4控制充电速度和充电电压；当MP4459使能端EN信号电压上升到1.5V时，开关电源开始输出电压。

电流采样电路5由采样电阻R7组成，用于对所述电源输出端的电流进行采样。

比较放大电路6由差分放大电路和滞回比较电路组成，对采样电阻R7的信号进行放大和比较处理，反馈给所述开关电源控制器MP4459的FB，控制电流输出，其中，差分放大电路由第一运算放大器U1和4个电阻R8、R9、R10、R11组成，第一运算放大器U1的同相输入端与电阻R8、R11的一端相连，其反相输入端与电阻R9、R10的一端相连，其输出端与电阻R10的另一端相连；电阻R8的另一端与电流采样电路电阻R7的输入端相连，电阻R9的另一端连接电阻R7输出端，电阻R11的另一端接地；

滞回比较电路由第二运算放大器U2、二极管D2和3个电阻R12、R13、R14组成，第二运算放大器U2的同相输入端与电阻R13、R14的一端相连，其反相输入端通过电阻R12与第一运算放大器U1的输出端相连，其输出端与电阻R14的另一端、二极管D2的负极共点；二极管D2的正极与所述开关电源控制器的使能EN端相连；电阻R13的另一端与稳压二极管D3的负极相连。

电流基准7由稳压二极管D3和10KΩ的电阻R17组成，稳压二极管D3的正极接地，其负极经电阻R17连接电源输入端，为所述比较放大电路6提供电流对比的基准；电流基准7的电压值取决于稳压管D3的稳定电压值，本实施例的稳压管选择1N4729A型。

所述电源输入端口、开关电源控制器1、滤波电路2、电流采样电路5和电源输出端口依次串连接，所述电压采样电路3一端与所述滤波电路2输出端相连，另一端与所述开关电源控制器1相连；所述启动控制电路4从所述电源输入端口得到电源，与所述开关电源控制器1使能端口EN相连；所述比较放大电路6从所述电流采样电路5获得电流信号，经与所述电流基准7比较放大后，反馈至所述开关电源控制器。

过流保护部分由电流采样电路5、电流基准7和比较放大电路6组成，由电流基准7的稳压二极管D3和电阻R17组成一个3.6V的电流基准源；本实施例的电流采样电路5只选择采样电阻R7对开关电源输出电流进行采样；然后由运算放大器U1和电阻R8、R9、R10、R11组成的差分放大电路进行调整放大；运算放大器U2、二极管D2和电阻R12、R13、R14组成的滞回比较电路将采样电阻R7采集的电流信号和基准电流信号进行比较，并将输出信号经二极管D2传至MP4459使能EN端。当采样的电流信号大于基准电流信号时，滞回比较电路输出0V，通过D2二极管开关迅速关断电源控制器开关电源输出，从而达到过流保护的目的。电流阈值大小可以通过R7来设定：

其中，I_th为电流阈值，单位为安培，R7为电流采样电阻阻值，单位为欧姆。

综上所述，本实用新型实施例提供的本质安全型电源，可以选用更小的储能电感和符合安全规定的滤波电容，符合GB3836.4-2010《爆炸性环境第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》的最小点燃电流、电压曲线配置外围电路的阻抗元件，满足本安电路发生短路、断路等故障时允许通过的电火花能量小于20μJ的要求。本实用新型本质安全型电源只须安装在IP54防护等级的本安型柜体内即可安全工作，无须外加隔爆处理。

以上仅为本实用新型本质安全型电源的一个实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的范围之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型本质安全型电源的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种本质安全型电源,包括：电源输入/输出端口、开关电源控制器、用于对输出电压滤波的滤波电路，其中，电源输入端口支持12V到32V直流电压输入，电源输出端口提供带过压/过流保护的3.3V或者5V直流输出；由电压采样电路给所述开关电源控制器提供反馈电压，其特征在于：它还包括：

启动控制电路，用于控制所述开关电源控制器的启动和关闭；

电流采样电路，用于对所述电源输出端的电流进行采样；

比较放大电路，对所述电流采样电路的信号进行放大和比较处理，反馈给所述开关电源控制器，控制电流输出；

电流基准，为所述比较放大电路提供电流对比的基准；

所述电源输入端口、开关电源控制器、滤波电路、电流采样电路和电源输出端口依次串连接，所述电压采样电路一端与所述滤波电路输出端相连，另一端与所述开关电源控制器相连；所述启动控制电路从所述电源输入端口得到电源，与所述开关电源控制器使能端口EN相连；所述比较放大电路从所述电流采样电路获得电流信号，经与所述电流基准比较放大后，反馈至所述开关电源控制器。

2.根据权利要求1所述的本质安全型电源，其特征在于：所述开关电源控制器为MP4459型高频开关电源控制器，其使能端口连接启动控制电路。

3.根据权利要求1或2所述的本质安全型电源，其特征在于：所述启动控制电路由电阻R1和R4、电容C11组成；电阻R4与电容C11并联后，一端接地，另一端与所述开关电源控制器的使能EN端、电阻R1一端共点；电阻R1的另一端与电源输入端相连。

4.根据权利要求1或2所述的本质安全型电源，其特征在于：所述滤波电路由电感L2和2个电容C5、C7组成，电容C5和C7并联后，一端接地，另一端为滤波电路的输出端连接电流采样电路和电流采样电路，通过电感L2与所述开关电源控制器的SW端相连。

5.根据权利要求4所述的本质安全型电源，其特征在于：所述电压采样电路由2个电阻R2、R3组成，电阻R2和R3的一端与所述开关电源控制器的反馈FB端共点，电阻R3的另一端接地，电阻R2的另一端与所述滤波电路输出端相连。

6.根据权利要求4所述的本质安全型电源，其特征在于：所述电流采样电路为一个电阻R7，电阻R7的一端与电源输出端口相连，另一端连接所述滤波电路输出端，且电阻R7采集的电流信号由比较放大电路进行放大，与电流基准进行比较处理，反馈给所述开关电源控制器。

7.根据权利要求6所述的本质安全型电源，其特征在于：

所述电流基准由稳压二极管D3和电阻R17组成，稳压二极管D3的正极接地，其负极经电阻R17连接电源输入端口；

所述比较放大电路由差分放大电路和滞回比较电路组成，其中，

所述差分放大电路由第一运算放大器U1和4个电阻R8、R9、R10、R11组成，第一运算放大器U1的同相输入端与电阻R8、R11的一端相连，其反相输入端与电阻R9、R10的一端相连，其输出端与电阻R10的另一端相连；电阻R8的另一端与电流采样电路电阻R7的输入端相连，电阻R9的另一端连接电阻R7输出端，电阻R11的另一端接地；

所述滞回比较电路由第二运算放大器U2、二极管D2和3个电阻R12、R13、R14组成，第二运算放大器U2的同相输入端与电阻R13、R14的一端相连，其反相输入端通过电阻R12与第一运算放大器U1的输出端相连，其输出端与电阻R14的另一端、二极管D2的负极共点；二极管D2的正极与所述开关电源控制器的使能EN端相连；电阻R13的另一端与稳压二极管D3的负极相连。