CN220022620U - 一种具有储能性能的本安防爆电源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具有储能性能的本安防爆电源系统。其特征在于包括电源输入模块电路、储能模块、电压转换电路、限压限温保护电路和输出电压保护电路，市电输入后经电源输入模块电路后，一路直接连接电压转换电路，另一路经储能模块后连接电压转换电路，电压转换电路连接限压限温保护电路，限压限温保护电路经输出电压保护电路后输出电压。本实用新型涉及一种本安防爆电源系统有效的限制了能量，可靠地将电路中的电压和电流限制在一个允许的范围内，以保证仪表在正常工作或发生短接和元器件损坏等故障情况下产生的电火花和热效应不致于引起其周围可能存在的危险气体的爆炸。

Description

一种具有储能性能的本安防爆电源系统

技术领域

本实用新型涉及一种具有储能性能的本安防爆电源系统。

背景技术

本安设备与现场简单设备配合使用，才使现场设备具有本安防爆特性，可以保证设备在正常工作或发生短接和元器件损坏等故障情况下产生的电火花和热效应不致于引起其周围可能存在的危险气体的爆炸。本安设备是由本安防爆和安全栅构成的本安系统。针对于智能燃气表来说，其本身属于小型用气设备，为了保证用气安全，需要本安型防爆保护，但是如果使用本安防爆和安全栅构成的本安系统，会增加智能燃气表的体积和重量，同时会让用气设备结构复杂化，增加了制造成本和售后维修困难。因此针对于智能燃气表这种小型用气设备，如果其电源系统利用实现本身就能够拥有本安型电气设备的特性，电路本身就是安全的，所产生的火花、电弧和热能都不会引燃周围环境爆炸性混合物，则利用该电源系统的用气设备就不需要专门的防爆外壳，这样就可以缩小设备的体积和重量，简化设备的结构。同时可以用胶质线和裸线，可以节省大量电缆。此类电气设备就具备了本安防爆特性且具有安全可靠、结构简单、体积小、重量轻、造价低、制造维修方便等特点，是一种比较理想的防爆电气设备。该电源系统移植高，可以在通讯、监控、信号和控制系统，以及仪器、仪表等小型用气上使用。

当使用市电的产品出现断电情况时，为了保证设备还能正常工作，需要用电设备具有储能放电功能，可在市电断电时，对设备进行短暂临时供电，保证用电设备在市电断电或供电异常时，能有电能存储重要数据，保证系统的稳定性和可靠性。储能放电功能，针对于用电设备来说也是电源模块的一部分，因此也需要考虑电源的稳定性和可靠性，保证系统仍具有本安防爆特性。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种具有储能性能的本安防爆电源系统的技术方案。

所述的一种具有储能性能的本安防爆电源系统，其特征在于包括电源输入模块电路、储能模块、电压转换电路、限压限温保护电路和输出电压保护电路，市电输入后经电源输入模块电路后，一路直接连接电压转换电路，另一路经储能模块后连接电压转换电路，电压转换电路连接限压限温保护电路，限压限温保护电路经输出电压保护电路后输出电压。

所述的一种具有储能性能的本安防爆电源系统，其特征在于所述储能模块包括储能模块充电电路和储能模块电量监控电路，市电经过拥有过压保护和电压检测的电源输入模块电路输入到本安防爆电源系统中，一路为储能模块充电电路充电，另一路直接供电；当市电断电时，储能模块电量监控电路能够监控储能模块充电电路电量情况，释放储能模块充电电路的电量，使用储能模块电量为电路供电。

所述的一种具有储能性能的本安防爆电源系统，其特征在于所述输出电压保护电路包括过流保护电路和电源滤波处理电路，经过限压限温保护电路的电压再由过流保护电路对大电流进行截止处理，电源滤波处理电路对输出电压进行有效的串模干扰和共模干扰的处理，保证同一电磁环境下用电设备的正常工作。所述的一种具有储能性能的本安防爆电源系统，其特征在于所述电源输入模块电路：220V电压经过保险丝F1后与电阻R1一端连接，电阻R1另一端分别与压敏电阻HTC1一端、压敏电阻HTC2一端、开关S1输入端火线连接，开关S1输入端零线接地，压敏电阻HTC2另一端与零线共同接地、且与压敏电阻HTC3一端连接，压敏电阻HTC1另一端与压敏电阻HTC3另一端、气体放电管CDT1一端连接，气体放电管CDT1另一端与地线连接；开关S1输出端火线经保险丝F3连接开关电源U2的2脚，开关电源U2的1脚接零线，开关电源U2的3脚连接开关S1输出端零线，开关电源U2的8脚为电压VIN_1，开关电源U2的8脚连接TVS管D3负极、滤波电容C44一端、滤波电容C45一端和二极管D12正极，二极管D12负极为电压VIN并与二极管D13负极相连，二极管D13正极为电压VBAT-1端，TVS管D3正极、滤波电容C44另一端、滤波电容C45另一端接地。所述的一种具有储能性能的本安防爆电源系统，其特征在于：市电经过各种电压钳制和滤波处理后的输出电压VIN_1能够对储能模块进行充电，储能模块的储能模块充电电路包括充电管理集成模块U1，电压VIN_1连接电阻R23一端、电阻R30一端、电阻R29一端、电容C3一端、充电管理集成模块U1的15脚、电容C5一端、P沟道MOS场效应晶体管Q3的源极S，电阻R23另一端连接电阻R12一端、充电管理集成模块U1的7脚，电阻R30另一端连接绿色发光二极管D10正极，绿色发光二极管D10负极连接充电管理集成模块U1的5脚，电阻R29另一端连接红色发光二极管D9正极，红色发光二极管D9负极连接充电管理集成模块U1的4脚，电容C3另一端接地，电容C5另一端接充电管理集成模块U1的1脚，P沟道MOS场效应晶体管Q3的栅极G接充电管理集成模块U1的16脚，电阻R12另一端接地，充电管理集成模块U1的6脚经电阻R28后接地，充电管理集成模块U1的2脚和3脚接地，充电管理集成模块U1的11脚经电容C8接地，充电管理集成模块U1的8脚经电容C19接地，充电管理集成模块U1的9脚经电阻R32和电容C10接地，充电管理集成模块U1的10脚连接电阻R25一端、电阻R34一端、电容C7一端，电阻R25另一端和电容C7另一端接电压VBAT，电阻R34另一端接地，充电管理集成模块U1的14脚为电压VBAT，充电管理集成模块U1的13脚连接在电感L1和电阻RS1之间，P沟道MOS场效应晶体管Q3的漏极D经二极管AK、电感L1、电阻RS1与电压VBAT相连，二极管AK与电感L1之间连接二极管D8负极，二极管D8正极接地，与电压VBAT连接的超级电容BT1、瞬态抑制二极管TVS2正极、电容C47、电容C6接地。

所述的一种具有储能性能的本安防爆电源系统，其特征在于所述储能模块电量监控电路包括低功耗电压检测芯片U4，电压VBAT经过由电阻R35、电阻R36和电阻R37组成的分压网络电路后接地，低功耗电压检测芯片U4的6脚连接在电阻R36和R37之间，低功耗电压检测芯片U4的1脚连接在电阻R36和R35之间，电容C24一端接地，电容C24另一端连接在电阻R36和R35之间；低功耗电压检测芯片U4的2脚接地，低功耗电压检测芯片U4的4脚经并联的电阻R42和电容C25接地，电压VBAT与低功耗电压检测芯片U4的4脚之间设置电阻R40，低功耗电压检测芯片U4的5脚连接电阻R39和电阻R41一端，电阻R41另一端接地，电阻R39另一端接N沟道MOS管Q5栅极G，N沟道MOS管Q5的源极S接地，N沟道MOS管Q5的漏极D连接P沟道MOS管Q4的栅极G，P沟道MOS管Q4的源极S接电压VBAT，P沟道MOS管Q4的漏极D接输出电压VBAT_1，P沟道MOS管Q4的栅极G与P沟道MOS管Q4的源极S之间连电阻R38，电压VBAT_1经滤波电容EC4后接地。

所述的一种具有储能性能的本安防爆电源系统，其特征在于所述电压转换电路包括同步降压稳压集成芯片U3，同步降压稳压集成芯片U3的8脚连接电压VIN，电压VIN经电容C2接地，电压VIN经电阻R43、电容C23接地，电阻R43和电容C23之间连接同步降压稳压集成芯片U3的7脚，同步降压稳压集成芯片U3的6脚经电容C20后接地，同步降压稳压集成芯片U3的9脚接地，同步降压稳压集成芯片U3的4脚经电容C15后接地，同步降压稳压集成芯片U3的3脚经电阻R45接地，同步降压稳压集成芯片U3的3脚经电阻R44接VIN，同步降压稳压集成芯片U3的1脚连接电容C21一端，电容C21另一端连接同步降压稳压集成芯片U3的2脚、电感L3一端，电感L3另一端为电压Vout_1,电压Vout_1经电容E3接地，电压Vout_1经电阻R46和电阻R47接地，电阻R46和电阻R47之间连接同步降压稳压集成芯片U3的5脚，电压Vout_1经电阻R48、开关J3、电阻R49、开关J4接地，开关J3与电阻R49之间连接同步降压稳压集成芯片U3的5脚。

所述的一种具有储能性能的本安防爆电源系统，其特征在于所述限压限温保护电路：电压Vout_1经过温度保险丝F5、过压保险丝F4后成为电压Vout_2，电压Vout_2经过两路由瞬态抑制二极管TVS组成的稳压电路，一路是由电压Vout_2经瞬态抑制二极管D20、瞬态抑制二极管D21、瞬态抑制二极管D22、瞬态抑制二极管D23再到地组成；另一路是由Vout_2到瞬态抑制二极管D16、瞬态抑制二极管D17、瞬态抑制二极管D18、瞬态抑制二极管D19再到地组成；电压Vout_2经过分压电阻R8、发光二极管LED1接地。

所述的一种具有储能性能的本安防爆电源系统，其特征在于所述过流保护电路：电压Vout_2输入到过流保护电路中后，三极管T1的集电极c通过上拉电阻R9后与电压Vout_2连接，三极管T1的基极b与由采样电阻R15、采样电阻R16和采样电阻R17并联电路的中心连接；三极管T1的发射极e与限流电阻R11一端连接，限流电阻R11的另一端与去耦电容C11连接后接地；P沟道MOS管Q1的栅极G连接旁路电容C13和下拉电阻R13后接地，P沟道MOS管Q1源极S与三极管T1的基极b连接，P沟道MOS管Q1漏极D为过流保护电路的输出电压端口，P沟道MOS管Q1栅极G与三极管T1的发射极e相连。

所述的一种具有储能性能的本安防爆电源系统，其特征在于所述电源滤波处理电路：P沟道MOS管Q1漏极D的输出电压经过并联的电容C9和电容C46后，输入到共模电感L2，经过共模电感L2后产生输出电压VOUT，输出电压VOUT的输出端串联了两个输出端口能供外部两路电路使用。

本实用新型的优点：

安全性高：电源输入模块电路中的过压保险丝，当瞬间浪涌或者电压过高时，保险丝会烧断，阻止市电进入电源输入模块电路中，保护后续电路的安全；压敏电阻具有过压时进行电压钳位，吸收多余的电流以保护电路器件的特性；气体放电管具有绝缘电阻很大，寄生电容很小，浪涌防护能力强，起泄放雷电暂态过电流和限制过电压作用；开关电源具有全球输入电压范围、交直流两用、低功耗、高效率、高可靠性、安全隔离等优点。电压转换电路中的同步降压稳压集成芯片SY8204可以提供循环电流限制和热停机保护等保护功能。限压限温保护电路可在高温时及时断开保险丝并利用由瞬态抑制二极管TVS组成的稳压电路进行电压钳制。过流保护电路可以有效的起到截止大电流的作用。本实用新型有效的限制了能量，可靠地将系统中的电压和电流限制在一个允许的范围内，以保证仪表在正常工作或发生短接和元器件损坏等故障情况下产生的电火花和热效应不致于引起其周围可能存在的危险气体的爆炸。

适配性高：电压转换电路中设计了可通过接不同阻值的电阻或者通过接口连接来决定是否启用不同的分压电阻，决定了输出电压的大小。因此可适配不同阻值的电阻来产生不同的输出电压。根据输出电压的大小适配系统中不同工作电压和性能的器件。因此本实用新型所述的一种本安防爆电源系统可根据需求配置成不同的输出电压，满足不同用气设备的需求，该本安防爆电源系统使用在不同的小型用气设备上，可实现用气设备本身具有本安防爆特性，无需外配本安防爆设备，简化结构，节约成本。

稳定性好：本实用新型所述的一种本安防爆电源系统中的电源输入模块电路、电压转换电路、限压限温保护电路以及过流保护电路可靠地将系统中的电压和电流限制在一个允许的范围内，同时对设备环境中的温度进行监控，高温时立即切断电源，以保证仪表在正常工作或发生短接和元器件损坏等故障情况下产生的电火花和热效应不致于引起其周围可能存在的危险气体的爆炸，保证了系统能够稳定、可靠地工作。

可靠储能放电：市电经过压检测的电源输入模块后可对储能模块充电，储能模块充电电路具有可靠的电压、电流反馈功能，可判断充电电路的情况，避免过充，同时储能模块充电电路还具有温度检测功能，当环境温度过高时，储能模块充电电路立即停止工作，等环境温度正常时再继续工作，保证充电电路的安全可靠。储能模块电量监控电路对储能模块充电电路的电量进行监控，当市电断电时，通过设置不同的电压上下行阈值，允许电压在电压上下行阈值范围内进行放电行为，保证储能模块充电电路的充电稳定性，以及本安防爆电源系统的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为电源输入模块电路；

图2为储能模块充电电路；

图3为储能模块电量监控电路；

图4为电压转换电路；

图5为限压限温保护电路；

图6为输出电压保护电路；

图7为过流保护电路；

图8为电源滤波处理电路；

图9为具备储能性能的本安防爆电源系统框图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型作进一步说明：

本实用新型包括电源输入模块电路、储能模块、电压转换电路、限压限温保护电路和输出电压保护电路，市电输入后经电源输入模块电路后，一路直接连接电压转换电路，另一路经储能模块后连接电压转换电路，电压转换电路连接限压限温保护电路，限压限温保护电路经输出电压保护电路后输出电压；储能模块包括储能模块充电电路和储能模块电量监控电路，市电经过拥有过压保护和电压检测的电源输入模块电路输入到本安防爆电源系统中，一路为储能模块充电电路充电，另一路直接供电；当市电断电时，储能模块电量监控电路能够监控储能模块充电电路电量情况，释放储能模块充电电路的电量，使用储能模块电量为电路供电；输出电压保护电路包括过流保护电路和电源滤波处理电路(其中过流保护电路为二级，即过流保护电路1和过流保护电路2)，经过限压限温保护电路的电压再由过流保护电路对大电流进行截止处理，电源滤波处理电路对输出电压进行有效的串模干扰和共模干扰的处理，保证同一电磁环境下用电设备的正常工作。

具体的，市电经过拥有过压保护和电压检测的电源输入模块，输入到本安防爆电源系统中来，经过过压保护和电压检测的电源输入模块的电压可为储能模块充电电路充电，当市电断电时，储能模块电量监控电路可监控储能模块充电电路电量情况，释放储能模块充电电路的电量，使用备电电量。当市电处于正常工作状态时，由市电为本安防爆电源系统供电，拥有过压保护和电压检测的电源输入模块的市电再经过电压转换电路，根据不同要求配置不同性能的转换芯片和电阻值，可转换成不同的工作电压。为了保证电源的稳定工作，输出电压先经过具有限制高温和限制高压的限压限温保护电路，保证系统工作环境中的温度过高或者瞬时电压异常时，及时切断电源。为了保证输出电源的稳定可靠性，需要对输出电压在进行保护处理，本实用新型的输出电压保护电路包括过流保护电路和电源滤波处理电路，因此经过限压限温保护电路的电压再由过流保护电路对大电流进行截止处理，电源滤波处理电路对输出电压进行有效的串模干扰和共模干扰的处理，保证同一电磁环境下其他用电设备的正常工作(如图9所示)。

如图1电源输入模块电路所示：J1为外围220V市电的三相电源接口，火线的220V电压经过保险丝F1后与电阻R1进行连接，当瞬间浪涌或者电压过高时，保险丝F1会烧断，阻止市电进入电源输入模块电路中，保护后续电路的安全。电阻R1的另一端分别与压敏电阻HTC1、压敏电阻HTC2连接；压敏电阻HTC2另一端与零线共同接地，同时与压敏电阻HTC3连接。由于压敏电阻具有过压时进行电压钳位，吸收多余的电流以保护电路器件的特性，因此压敏电阻HTC1、HTC2以及压敏电阻HTC3在此起电压钳位保护作用，压敏电阻HTC3的另一端以及压敏电阻HTC1的另一端都与气体放电管CDT1连接，气体放电管CDT1的另一端与地线连接。气体放电管具有绝缘电阻很大，寄生电容很小，浪涌防护能力强，起泄放雷电暂态过电流和限制过电压作用。经过压敏电阻保护作用后的火线与零线之间有个开关S1，开关S1处于断开状态时，可以断开市电接入；开关S1处于连接状态时，可以为电源模块输入电压。人为可操控开关S1的状态来控制是否允许市电接入到用气设备系统中来。

U2是一个小体积模块式开关电源，本实用新型采用的是LH10-13B24系列的AC/DC模块电源，该系列电源具有全球输入电压范围、交直流两用、低功耗、高效率、高可靠性、安全隔离等优点。U2的输入开关，可将85～305VAC/100～430VDC宽输入电压转换成24V电压。当开关S1处于闭合状态时，输入到开关电源模块的电压经过保险丝F3，当瞬时电压高于24V时，保险丝F3会烧断，阻止高电压进入到开关电源模块中来，输入到开关电源模块的电压经过保险丝F3的保护后输入到开关电源模块进行电压转换，转换后的电压经过TVS管D3处理和滤波电容C44和滤波电容C55的处理后为输出电压VIN_1。TVS管D3是瞬态抑制二极管(TVS)又叫钳位型二极管，是目前国际上普遍使用的一种高效能电路保护器件，它的外型与普通二极管相同，但却能吸收高达数千瓦的浪涌功率，它的主要特点是在反向应用条件下，当承受一个高能量的大脉冲时，其工作阻抗立即降至极低的导通值，从而允许大电流通过，同时把电压钳制在预定水平，保证输出电压的稳定性。开关电源模块输出端的去耦电容C44和滤波电容C55对开关电源模块的输出电压进行滤波处理。经过滤波和电压钳制保护的输出电压VIN_1经过具有单向导通特性的二极管D12后成为VIN，同时电压VBAT_1经过具有单向导通特性的二极管D13后也可为电压VIN供电。VIN可由双路电源供电模块供电，具有单向导通特性的二极管D12和二极管D13可避免输出电压VIN_1反向输入到供电模块中，造成供电模块出现反向供电击穿电路的危害。

市电经过各种电压钳制和滤波处理后的输出电压VIN_1可对系统中点储能模块进行充电，如图2储能模块充电电路：U1是一款可使用太阳能电池充电的PWM降压模式充电管理集成模块CN377，CN377具有恒流和恒压充电模式，且会自动进入低功耗的睡眠模式，其还具有输入低电压锁存、电池温度监控，输入端过压保护和充电状态指示特征。

充电管理集成模块U1的引脚定义如下：

1、VG：内部电压调试器输出，为内部驱动电路供电；

2、PGND：功率地；

3、GND：模拟地；

4、/CHRG：漏极开路输出端。在恒流充电状态和恒压充电状态，内部晶体管将此管脚拉到低电平；否则，此管脚为高阻状态；

5、/DONE：漏极开路输出端。在充电结束状态，内部晶体管将此管脚拉到低电平：否则此管脚为高阻状态；

6、TEMP：温度检测输入端。在此管脚到地之间连接一个负温度系数的热敏电阻；

7、MPPT：功率跟踪端，此管脚需要接电阻分压网络以检测电压；

8、COM1：回路补偿输入端1；

9、COM2：回路补偿输入端2；

10、FB：电压反馈端；

11、COM3：回路补偿输入端3；

12、NC：没有连接；

13、CSP：充电电流检测正输入端；

14、BAT：充电电流检测负输入端；

15、VCC：外部电源输入端；

16、DRV：驱动片外P沟道MOS场效应晶体管的栅极；

电压VIN_1经过滤波电容C5后接充电管理集成模块U1内部电压调试器输出VG；同时电压VIN_1经过滤波电容C3后接充电管理集成模块U1外部电源输入端VCC；电压VIN_1经过限压电阻R29后连接到红色发光二极管D9，然后再连接到充电管理集成模块U1的漏极开路输出端/CHRG；在恒流充电状态和恒压充电状态，充电管理集成模块U1内部晶体管将漏极开路输出端/CHRG此管脚拉到低电平，则红色发光二极管D9导通，表明储能模块充电电路正在充电；否则，充电管理集成模块U1内部晶体管将漏极开路输出端/CHRG为高阻状态，红色发光二极管D9不导通；因此可通过红色发光二极管D9的状态，判定储能模块充电电路是否正在充电中。电压VIN_1经过限压电阻R30后连接到绿色发光二极管D10，然后再连接到充电管理集成模块U1的漏极开路输出端/DONE；在充电结束状态，充电管理集成模块U1内部晶体管将漏极开路输出端/DONE此管脚拉到低电平，则绿色发光二极管D10导通，表明储能模块充电电路处于充电结束状态；否则，充电管理集成模块U1内部晶体管将漏极开路输出端/DONE为高阻状态，绿色发光二极管D10不导通；因此可通过绿色发光二极管D10的状态，判定储能模块充电电路是否充电结束。电压VIN_1经过电阻R23和电阻R12后接地，分压电阻R23和电阻R12的中心与充电管理集成模块U1的功率跟踪端MPPT连接，MPPT可通过分压电阻检测到储能模块充电电路最大功率点，将储能模块充电电路调试在一定的电压范围，保证对应的温度系数是适合的。充电管理集成模块U1的温度检测输入端TEMP脚连接了一个负温度系数的热敏电阻R28后接地，温度检测输入端TEMP脚可通过热敏电阻R28实时监控储能模块充电电路环境温度，当温度超出正常范围，充电过程会被暂停，直到环境温度恢复到正常范围内，保证系统安全。功率地PGND和模拟地GND均接地，电压VIN_1连接到P沟道MOS场效应晶体管Q3的源极S；P沟道MOS场效应晶体管Q3的栅极G与充电管理集成模块U1驱动脚DRV连接，因此，P沟道MOS场效应晶体管Q3是否导通取决于驱动脚的工作状态。当充电管理集成模块U1驱动脚DRV输出高电平时，P沟道MOS场效应晶体管Q3的栅极G与源极S电压差使P沟道MOS场效应晶体管Q3导通，P沟道MOS场效应晶体管Q3的漏极D处于高电平，当充电管理集成模块U1驱动脚DRV输出低电平时，P沟道MOS场效应晶体管Q3的栅极G为低电平状态，P沟道MOS场效应晶体管Q3处于截止状态；当P沟道MOS场效应晶体管Q3处于导通状态时，P沟道MOS场效应晶体管Q3的漏极D处于高电平，经过单向导通的二极管AK和二极管D8后，输入到电感L1上。具有单向导通的二极管D8可避免电压输入到模拟地GND上。在P沟道MOS场效应晶体管Q3导通期间，输入电压对电感L1进行充电，在P沟道MOS场效应晶体管Q3处于截止期间，电感L1可反向放电。电感L1后接电阻RS1，充电管理集成模块U1的充电电流检测正输入端CSP和充电电流检测负输入端BAT接在电阻RS1两端，实时检测充电电流的大小，电阻RS1的另一端连接滤波电容C7和分压电阻R25、R34后接地。充电管理集成模块U1的电压反馈端FB接在分压电阻R25、电阻R34之间，可实时监控充电电压的大小。充电管理集成模块U1通过实时检测反馈电压和电流的大小，决定驱动充电管理集成模块U1的驱动脚DRV工作状态，控制充电管理集成模块U1是否继续充电。充电电流经过RS1后连接滤波电容C6和电容C47后接地，同时经过瞬态抑制二极管TVS2后对超级电容BT1进行充电。电容C6和电容C47和瞬态抑制二极管TVS2可有效减低输出端的波纹电压和改善瞬态特性。

为了保证储能模块充电电路正常工作，对充电后的电压VBAT的使用需要先进行检测，保证充电电压的稳定性，因此需要对充电电压VBAT进行检测，因此如图3储能模块电量监控电路：U4是一款可调整迟滞的低功耗电压检测芯片CN302，CN302的上行阈值和下行阈值可独立设置，便于设置迟滞，下行阈值和上行阈值的电压差即是迟滞，迟滞可以消除由于被检测电源噪声或者由于负载突变导致的电压不稳定而引起的检测输出紊乱。

低功耗电压检测芯片U4(CN302)的引脚定义如下：

1、FTH：下行阈值输入端。通常为了检测电池电压，FTH管脚应接到外部分压电阻网络；

2、GND：电源地；

3、LBO：高有效电压检测输出端。CMOS输出。当RTH管脚电压大于内部基准电压时，LBO管脚输出低电平；当FTH管脚电压低于内部基准电压时，LBO管脚输出高电平；

4、VCC：电源正输入端；

5、/LBO:低有效电压检测输出端。当RTH管脚电压大于内部基准电压时，管脚输出高电平；当FTH管脚电压低于内部基准电压时，管脚输出低电平；

6、RTH:上行阈值输入端。通常为了检测电池电压，RTH管脚应接到外部分压电阻网络；

电压VBAT经过由电阻R35、电阻R36和电阻R37组成的分压网络电路后接到地，低功耗电压检测芯片U4的RTH和FTH管脚通过电阻R35、电阻R36和电阻R37构成的外部电阻分压网络检测电压。电容C24可以增强电路的抗干扰能力；电压VBAT通过电阻R40和电阻R4后接地，低功耗电压检测芯片U4的电源VCC引脚连接在电阻R40和电阻R4中间，通过分压电阻获得低功耗电压检测芯片U4工作的驱动电压，电容C25对其进行滤波处理；低功耗电压检测芯片U4的GND接模拟地；高有效电压检测输出端LBO未连接；低功耗电压检测芯片U4的低有效电压检测输出端/LBO通过下拉电阻R41后接地，同时/LBO连接分压电阻R39后连接到N沟道MOS管Q5的栅极G，控制N沟道MOS管Q5的工作状态，N沟道MOS管Q5的源极S接地，N沟道MOS管Q5的漏极D通过上拉电阻R38后接电压VBAT保持高电平；N沟道MOS管Q5的漏极D接到P沟道MOS管Q4的栅极G，P沟道MOS管Q4的源极S接电源VBAT，P沟道MOS管Q4的漏极D接输出电压VBAT_1，输出电压VBAT_1接滤波电容EC4后接地，保证电压的稳定可靠性。

当低功耗电压检测芯片U4的RTH管脚通过外围由电阻R35、电阻R36和电阻R37组成的分压网络电路检测到电压高于低功耗电压检测芯片U4的上行阈值，则在短暂延时后输出高电平，因此N沟道MOS管Q5的栅极G为高电平，由于N沟道MOS管Q5的源极S接地，所N沟道MOS管Q5导通，N沟道MOS管Q5的漏极D接地，则P沟道MOS管Q4的栅极G为低电平，P沟道MOS管Q4的源极S接电压VBAT，P沟道MOS管Q4的源极S端电压大于P沟道MOS管Q4的栅极G端电压，P沟道MOS管Q4导通，VBAT_1端输出高电压。

当低功耗电压检测芯片U4的FTH管脚通过外围由电阻R35、电阻R36和电阻R37组成的分压网络电路检测到电压低于低功耗电压检测芯片U4的下行阈值，则在短暂延时后输出低电平，因此N沟道MOS管Q5的栅极G为低电平，由于N沟道MOS管Q5的源极S接地，所N沟道MOS管Q5处于截止转态，N沟道MOS管Q5的漏极D接地通过上拉电阻R38后处于高电平状态，则P沟道MOS管Q4的栅极G为高电平，P沟道MOS管Q4的源极S接电压VBAT，P沟道MOS管Q4出于截止状态，未导通，VBAT_1端输出低电压。

通过低功耗电压检测芯片U4的检测，可以检测储能模块充电电路电压的大小，并通过上下行阈值限制，决定是否使用储能模块充电电路的电量，将储能模块充电电路的电量保持在一个正常范围内，避免电压释放过低导致器件损坏，保证电元器件的性能稳定性和可靠性。

当外围市电出现故障或者断电时，储能模块电量监控电路检测能模块充电电路的充电情况，当电量符合要求时，可通过储能模块充电电路跟储能模块电量监控电路配合使用，为后续电路供电，即通过电压VBAT_1放电，输入到电压VIN上。

电压VIN是市电经过电源输入模块电路的处理和保护后输入到用气设备的直流电压或者是由储能模块充电电路跟储能模块电量监控电路配合使用，通过储能模块充电电路放电提供。用气设备工作时，其内部所需的工作电压点是不一样的，因此需要对电压再次进行转换。

如图4电压转换电路：包括同步降压稳压集成芯片U3，U3是一种能够提供4A输出电流的高效率同步降压DC-DC变换器SY8204，其工作在从4.5V到30V的宽输入电压范围内，采用专有的即时PWM结构，实现了高阶下行应用的快速瞬态响应和轻负载时的高效率。SY8204是一种同步降压稳压集成芯片，它集成了PWM控制、上下开关于同一模具，以最小化开关过渡损耗和导通损耗。利用超低Rds(on)电源开关和专有的PWM控制，这种调节器IC可以同时实现最高的效率和最高的开关频率，从而最大限度地减少外部电感和电容器的尺寸，从而实现最小的解决方案占用。

同步降压稳压集成芯片SY8204的各个引脚定义如下：

1脚BS引脚：支持上升沿驱动，经过滤波电容C21后与电感L3连接；

2脚Lx引脚：与电感L3连接；

3脚EN引脚：使能外，输入电压VIN经过电阻后R44后，与EN引脚连接，当VIN为0时，该引脚经过下拉电阻R45与地连接，保持低电平；

4脚SS引脚：软件启动时间控制脚，通过电容器C15容值的不同，来确定软件启动时间；

5脚FB脚：输出反馈引脚。将该引脚连接到输出电阻R46和R47的中心点，可以决定变换器SY8204的输出电压；

6脚VCC脚：内部3.3V LDO输出。内部模拟电路和驱动电路的电源。在这个引脚和GND之间添加了一个旁路电容C20。

7脚和8脚：都是电压供应引脚。引脚和GND之间添加了一个旁路电容C2和C3对输入电压VIN进行滤波处理。7脚和8脚之间的电阻R43起到分压作用。

为了保证系统的兼容性，在输出反馈引脚处又并联了电阻R48和底座R49以及开关J3和开关J4；当开关J3和开关J4处于断开状态时，电阻R48和电阻R49并未与输出反馈引脚连接，则输出电压由电阻R46和电阻R47分压决定；当开关J3和开关J4处于闭合状态时，电阻R48、电阻R49与输出反馈引脚连接，则输出电压由电阻R46、电阻R47、电阻R48、电阻R49共同分压决定；开关J3和开关J4是独立的，可以只开启其中一个，参与到输出反馈电压的分压计算值，决定SY8204的输出电压，因此可调整R48和电阻R49的电压阻值并通过开关J3和开关J4是否启用，来决定SY8204的输出电压。去耦电容E3起到滤波处理。由此可知，在电压转换电路中，当适配的电阻R46、电阻R47、电阻R48、电阻R49阻值不同，且开关J3和开关J4是否启用可以决定输出电压Vout_1的电压大小。

虽然同步降压稳压集成芯片SY8204可以提供循环电流限制和热停机保护等保护功能，同步降压稳压集成芯片SY8204将感知输出电压条件进行故障保护。实际应用过程中，由于用气设备使用场所环境不同，受环境温度影响大，如果同步降压稳压集成芯片SY8204器件突发故障，为了避免高压进入到用气设备中，引起异常和安全隐患，需要对输出电压Vout_1进行电压钳制和过热保护。

如图5限压限温保护电路：对电压转换电路的输出电压Vout_1进行过热过压保护，输出电压Vout_1经过温度保险丝F5，当系统出现故障或者工作环境发烧其他故障，导致系统工作环境温度过高时，温度保险丝F5烧断，断开电源输入到后面电路。输出电压Vout_1经过温度保险丝F5后，经过过压保险丝F4后为电压Vout_1，电压Vout_1经过2路由瞬态抑制二极管TVS组成的稳压电路，1路是由Vout_2到瞬态抑制二极管D20、瞬态抑制二极管D21、瞬态抑制二极管D22、瞬态抑制二极管D23再到地组成；另一路是由Vout_2到瞬态抑制二极管D16、瞬态抑制二极管D17、瞬态抑制二极管D18、瞬态抑制二极管D19再到地组成。将2路稳压电路并联于输出电压Vout_2中，当系统正常工作时，稳压电路处于截止状态(高阻态)，不影响线路正常工作，当系统出现异常过压并达到其击穿电压时，稳压电路迅速由高阻态变为低阻态，给瞬间电流提供低阻抗导通路径，同时把异常高压箝制在一个安全水平之内，从而保护后续电路的正常工作；当异常过压消失，其恢复至高阻态，电路正常工作。2路并联的稳压电路可以保证有一路出现异常时，第2路还能坚持监控系统的工作状态，保证系统的稳定性。经过稳压电路的稳压处理后的输出电压Vout_2经过分压电阻R8后，与发光二极管LED1的一段连接，发光二极管LED1的另一端与地连接，驱动发光二极管LED1点亮，可通过发光二极管LED1的状态，判定本安电压系统在限压限温保护电路前段是否正常，方便售后维修排查问题。

经过电压检测、电压转换以及限压限温保护后的电压还需要经过过流保护，避免瞬时大流量输入到用气设备上，引起设备故障。如图6输出电压保护电路，本安防爆系统的输出电压Vout_2再经过2路过流保护电路和电源滤波处理电路的处理后生出最终的输出电压VOUT，输出电压VOUT并联在四芯柱子J2上，可供外部两路电路同时使用。

2路过流保护电路的原理是一致，采用双路过流保护可避免其中一路故障时，另一路仍有效监控和保护，保证本安防爆电源系统的安全。由于三极管的特性，当基极电流越大时，集电极电流越大，即基极输入一个小的电流，集电极就能得到一个大的电流，三极管此刻处于放大状态，当基极电流达到一定程度，集电极电流不再升高，这时三极管失去电流放大作用，集电极和发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关导通转态，此时三极管处于饱和状态。MOS管放大电路输入阻抗高、噪声低、三极管放大电路放大能力强。因此两者组合使用可以有效的起到过流保护。

如图7过流保护电路所示：输入电压Vout_2输入到过流保护电路中后，三极管T1的集电极c通过上拉电阻R9后与输入电压Vout_2连接，三极管T1的基极b与由采样电阻R15、采样电阻R16和采样电阻R17并联电路的中心连接；三极管T1的发射极e与限流电阻R11连接，电阻R11的另一端与去耦电容C11连接后接地。Q1是P沟道MOS管，P沟道MOS管Q1的栅极G连接旁路电容C13和下拉电阻R13后接地，源极S连接到由采样电阻R15、采样电阻R16和采样电阻R17并联电路的另一端，P沟道MOS管Q1漏极D为过流保护电路的输出电压端口。

当输入电压Vout_2输入到过流保护电路中时，三极管T1的集电极c通过上拉电阻R9后为高电平，输入电压经过采样电阻R15、采样电阻R16和采样电阻R17的并联电路后连接到三极管的基极b后，由于电阻阻值不同，经过分压后,三极管T1的集电极c与基极b的电压差符合三极管T1导通条件，导致三极管T1处于导通状态，则三极管T1导通，发射极e为高电平。当三极管T1基极b电流越大时，三极管T1集电极c电流越大，三极管T1此刻处于放大状态，当三极管T1基极b端电流达到一定程度，三极管T1集电极c端电流不再升高，这时三极管失去电流放大作用，三极管T1集电极c和发射极e之间的电压很小，三极管T1集电极c和发射极e之间相当于开关导通转态，此时三极管处于饱和状态。因此当三极管可有效强制过流。当三极管T1处于导通状态时，则P沟道MOS管Q1栅极G为高电平。输入电压Vout_2经过采样电阻R15、采样电阻R16和采样电阻R17的并联电路后连接到P沟道MOS管Q1源极S，输入电压Vout_2经过分压电阻R9后及接到P沟道MOS管Q1源极S，由于电阻R9和电阻R15、电阻R16以及电阻R17不一致，因此P沟道MOS管Q1栅极G的电压与源极S的电压差符合P沟道MOS管Q1导通条件，导致P沟道MOS管Q1导通，P沟道MOS管Q1漏极D为高电平状态。由于P沟道MOS管Q1放大电路输入阻抗高，除了可以限制过流之外，减轻了电压源的负载。

当输入电压Vout_2未输入到过流保护电路中，三极管T1的集电极c与基极b未产生电压差，三极管处于截止状态，P沟道MOS管Q1的栅极G经过下拉电阻R13后接地，处于低电平，电压小于P沟道MOS管Q1的启动电压VTH，P沟道MOS管Q1处于截止状态。

本安防爆电源系统为了保证电源输出的可靠性和稳定性，需要排除电源噪声干扰问题，电源噪声干扰时属于电磁干扰的一种，电源噪声干扰可分为2大类，一类是从电源线引入的外接干扰，另一类是由用电设备产生并经电源线传导出去的干扰，由此可知噪声属于双向干扰信号，用电设备即是噪声干扰对象，又是一个噪声源。从形成特点上来看，噪声干扰分为串模干扰与共模干扰两种，串模干扰是两条电源线之间(简称线对线)的噪声，共模干扰则是两条电源线对大地(简称线对地)的噪声，因此，电源滤波处理电路应一方面要滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰，另一方面还要避免本安防爆电源系统向外部发出噪声干扰，以免影响同一电磁环境下其他用电设备的正常工作。

如图8电源滤波处理电路所示：当输入电压经过并联的电容C9和电容C46后，输入到共模电感L2，经过共模电感L2后产生输出电压VOUT，输出端串联了两个输出端口，可共外部2路电路连接。

输入端并联的电容C9和电容C46可采用超膜电容器，主要用来滤除串模干扰；共模电感L2是以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件，它由两个尺寸相同，匝数相同的线圈对称地绕制在同一个铁氧体形磁芯上形成一个四端器件，流过共模电路的电流流过磁环中时，磁环中的磁通相互叠加，从而具有相当大的电感量，对共模电流起到抑制作用，起到有效抑制共模干扰信号。因此经过电源滤波处理电路后的电源信号可有效滤除掉干扰波形。

以上为本实用新型一种本安防爆电源系统的工作原理，适配不同的工作电压点范围的器件已经不同阻止的电阻器件，可输出不同的电压值，再适配不同有效保护器件的型号和性能，将该本安防爆电源系统使用在不同的小型用气设备上，可实现用气设备本身具有本安防爆特性，无需外配本安防爆设备，简化结构，节约成本。有效的限制了能量，可靠地将电路中的电压和电流限制在一个允许的范围内，以保证仪表在正常工作或发生短接和元器件损坏等故障情况下产生的电火花和热效应不致于引起其周围可能存在的危险气体的爆炸。

Claims (10)

1.一种具有储能性能的本安防爆电源系统，其特征在于包括电源输入模块电路、储能模块、电压转换电路、限压限温保护电路和输出电压保护电路，市电输入后经电源输入模块电路后，一路直接连接电压转换电路，另一路经储能模块后连接电压转换电路，电压转换电路连接限压限温保护电路，限压限温保护电路经输出电压保护电路后输出电压。

2.根据权利要求1所述的一种具有储能性能的本安防爆电源系统，其特征在于所述储能模块包括储能模块充电电路和储能模块电量监控电路，市电经过拥有过压保护和电压检测的电源输入模块电路输入到本安防爆电源系统中，一路为储能模块充电电路充电，另一路直接供电；当市电断电时，储能模块电量监控电路能够监控储能模块充电电路电量情况，释放储能模块充电电路的电量，使用储能模块电量为电路供电。

3.根据权利要求1所述的一种具有储能性能的本安防爆电源系统，其特征在于所述输出电压保护电路包括过流保护电路和电源滤波处理电路，经过限压限温保护电路的电压再由过流保护电路对大电流进行截止处理，电源滤波处理电路对输出电压进行有效的串模干扰和共模干扰的处理，保证同一电磁环境下用电设备的正常工作。

4.根据权利要求1所述的一种具有储能性能的本安防爆电源系统，其特征在于所述电源输入模块电路：220V电压经过保险丝F1后与电阻R1一端连接，电阻R1另一端分别与压敏电阻HTC1一端、压敏电阻HTC2一端、开关S1输入端火线连接，开关S1输入端零线接地，压敏电阻HTC2另一端与零线共同接地、且与压敏电阻HTC3一端连接，压敏电阻HTC1另一端与压敏电阻HTC3另一端、气体放电管CDT1一端连接，气体放电管CDT1另一端与地线连接；开关S1输出端火线经保险丝F3连接开关电源U2的2脚，开关电源U2的1脚接零线，开关电源U2的3脚连接开关S1输出端零线，开关电源U2的8脚为电压VIN_1，开关电源U2的8脚连接TVS管D3负极、滤波电容C44一端、滤波电容C45一端和二极管D12正极，二极管D12负极为电压VIN并与二极管D13负极相连，二极管D13正极为电压VBAT-1端，TVS管D3正极、滤波电容C44另一端、滤波电容C45另一端接地。

5.根据权利要求2所述的一种具有储能性能的本安防爆电源系统，其特征在于：市电经过各种电压钳制和滤波处理后的输出电压VIN_1能够对储能模块进行充电，储能模块的储能模块充电电路包括充电管理集成模块U1，电压VIN_1连接电阻R23一端、电阻R30一端、电阻R29一端、电容C3一端、充电管理集成模块U1的15脚、电容C5一端、P沟道MOS场效应晶体管Q3的源极S，电阻R23另一端连接电阻R12一端、充电管理集成模块U1的7脚，电阻R30另一端连接绿色发光二极管D10正极，绿色发光二极管D10负极连接充电管理集成模块U1的5脚，电阻R29另一端连接红色发光二极管D9正极，红色发光二极管D9负极连接充电管理集成模块U1的4脚，电容C3另一端接地，电容C5另一端接充电管理集成模块U1的1脚，P沟道MOS场效应晶体管Q3的栅极G接充电管理集成模块U1的16脚，电阻R12另一端接地，充电管理集成模块U1的6脚经电阻R28后接地，充电管理集成模块U1的2脚和3脚接地，充电管理集成模块U1的11脚经电容C8接地，充电管理集成模块U1的8脚经电容C19接地，充电管理集成模块U1的9脚经电阻R32和电容C10接地，充电管理集成模块U1的10脚连接电阻R25一端、电阻R34一端、电容C7一端，电阻R25另一端和电容C7另一端接电压VBAT，电阻R34另一端接地，充电管理集成模块U1的14脚为电压VBAT，充电管理集成模块U1的13脚连接在电感L1和电阻RS1之间，P沟道MOS场效应晶体管Q3的漏极D经二极管AK、电感L1、电阻RS1与电压VBAT相连，二极管AK与电感L1之间连接二极管D8负极，二极管D8正极接地，与电压VBAT连接的超级电容BT1、瞬态抑制二极管TVS2正极、电容C47、电容C6接地。

6.根据权利要求2所述的一种具有储能性能的本安防爆电源系统，其特征在于所述储能模块电量监控电路包括低功耗电压检测芯片U4，电压VBAT经过由电阻R35、电阻R36和电阻R37组成的分压网络电路后接地，低功耗电压检测芯片U4的6脚连接在电阻R36和R37之间，低功耗电压检测芯片U4的1脚连接在电阻R36和R35之间，电容C24一端接地，电容C24另一端连接在电阻R36和R35之间；低功耗电压检测芯片U4的2脚接地，低功耗电压检测芯片U4的4脚经并联的电阻R42和电容C25接地，电压VBAT与低功耗电压检测芯片U4的4脚之间设置电阻R40，低功耗电压检测芯片U4的5脚连接电阻R39和电阻R41一端，电阻R41另一端接地，电阻R39另一端接N沟道MOS管Q5栅极G，N沟道MOS管Q5的源极S接地，N沟道MOS管Q5的漏极D连接P沟道MOS管Q4的栅极G，P沟道MOS管Q4的源极S接电压VBAT，P沟道MOS管Q4的漏极D接输出电压VBAT_1，P沟道MOS管Q4的栅极G与P沟道MOS管Q4的源极S之间连电阻R38，电压VBAT_1经滤波电容EC4后接地。

7.根据权利要求1所述的一种具有储能性能的本安防爆电源系统，其特征在于所述电压转换电路包括同步降压稳压集成芯片U3，同步降压稳压集成芯片U3的8脚连接电压VIN，电压VIN经电容C2接地，电压VIN经电阻R43、电容C23接地，电阻R43和电容C23之间连接同步降压稳压集成芯片U3的7脚，同步降压稳压集成芯片U3的6脚经电容C20后接地，同步降压稳压集成芯片U3的9脚接地，同步降压稳压集成芯片U3的4脚经电容C15后接地，同步降压稳压集成芯片U3的3脚经电阻R45接地，同步降压稳压集成芯片U3的3脚经电阻R44接VIN，同步降压稳压集成芯片U3的1脚连接电容C21一端，电容C21另一端连接同步降压稳压集成芯片U3的2脚、电感L3一端，电感L3另一端为电压Vout_1,电压Vout_1经电容E3接地，电压Vout_1经电阻R46和电阻R47接地，电阻R46和电阻R47之间连接同步降压稳压集成芯片U3的5脚，电压Vout_1经电阻R48、开关J3、电阻R49、开关J4接地，开关J3与电阻R49之间连接同步降压稳压集成芯片U3的5脚。

8.根据权利要求1所述的一种具有储能性能的本安防爆电源系统，其特征在于所述限压限温保护电路：电压Vout_1经过温度保险丝F5、过压保险丝F4后成为电压Vout_2，电压Vout_2经过两路由瞬态抑制二极管TVS组成的稳压电路，一路是由电压Vout_2经瞬态抑制二极管D20、瞬态抑制二极管D21、瞬态抑制二极管D22、瞬态抑制二极管D23再到地组成；另一路是由Vout_2到瞬态抑制二极管D16、瞬态抑制二极管D17、瞬态抑制二极管D18、瞬态抑制二极管D19再到地组成；电压Vout_2经过分压电阻R8、发光二极管LED1接地。

9.根据权利要求3所述的一种具有储能性能的本安防爆电源系统，其特征在于所述过流保护电路：电压Vout_2输入到过流保护电路中后，三极管T1的集电极c通过上拉电阻R9后与电压Vout_2连接，三极管T1的基极b与由采样电阻R15、采样电阻R16和采样电阻R17并联电路的中心连接；三极管T1的发射极e与限流电阻R11一端连接，限流电阻R11的另一端与去耦电容C11连接后接地；P沟道MOS管Q1的栅极G连接旁路电容C13和下拉电阻R13后接地，P沟道MOS管Q1源极S与三极管T1的基极b连接，P沟道MOS管Q1漏极D为过流保护电路的输出电压端口，P沟道MOS管Q1栅极G与三极管T1的发射极e相连。

10.根据权利要求9所述的一种具有储能性能的本安防爆电源系统，其特征在于所述电源滤波处理电路：P沟道MOS管Q1漏极D的输出电压经过并联的电容C9和电容C46后，输入到共模电感L2，经过共模电感L2后产生输出电压VOUT，输出电压VOUT的输出端串联了两个输出端口能供外部两路电路使用。