申请/专利权人：河南理工大学

申请日：2017-08-14

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN109390916B

主分类号：H02H7/12

分类号：H02H7/12

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2019.03.22#实质审查的生效;2019.02.26#公开

摘要：本发明涉及一种脉冲跟踪式电源宽带短路保护电路，包括脉冲跟踪式故障信号检测电路、电压比较驱动开关电路、自恢复启动电路，脉冲跟踪式故障信号检测电路连接负载的正极+V和负极‑V，其第一取样分压点N‑实时追踪检测负载短路故障时产生的脉冲信号和负载故障消除后的启动信号，第二取样分压点N+延时检测负载短路故障时产生的脉冲信号和负载RI故障消除后的启动信号；第一取样分压点N‑和第一取样分压点N+分别连接电压比较驱动开关电路的反相输入端和同相输入端，无触点开关Q和启动电阻并联分别接电源负极和负载负极；当保护电路检测到负载短路故障时产生的脉冲信号，切断故障电源与负载之间的回路，故障消除后自动恢复故障电源与负载之间的回路。

主权项：1.一种脉冲跟踪式电源宽带短路保护电路，其特征在于：由脉冲跟踪式故障信号检测电路、电压比较驱动开关电路、自恢复启动电路组成，当检测到负载RI发生短路故障时产生的脉冲信号，关断负载回路RI的电源，故障消除后自动恢复故障电源与负载之间的回路；包含第一取样分压点N-和第二取样分压点N+的脉冲跟踪式信号检测电路，第一取样分压点N-由二个电位取样分压点组成，其一是由R2、R3与负载RI串联构成的电位取样分压点，即故障脉冲检验电路第一取样分压点，其二是由R2、R5与电源串联构成的电位取样分压点，即启动电路第一取样分压点，这两路共同组成了同一个N-综合分压点；所述第二取样分压点N+由R1、R4与负载RI串联构成的电位取样分压点，同时R4还并联一个延时电容C1，当负载RI发生短路故障时产生的脉冲信号，第一取样分压点N-实时追踪检测负载RI发生短路故障时产生的脉冲信号和负载RI故障消除后的启动信号，第二取样分压点N+延时检测负载RI发生短路故障时产生的脉冲信号和负载RI故障消除后的启动信号；脉冲跟踪式信号检测电路的N+和N-取样点分别连接到电压比较驱动开关电路的电压比较器C的同相输入端+与反相输入端-，电压比较器C的输出端产生信号至无触点开关Q的控制极，当检测电路检测到负载RI发生短路故障时产生的脉冲信号时关断负载回路RI的电源，或检测到恢复信号时恢复负载回路RI的电源；采用脉冲跟踪式负载RI发生短路故障时产生的脉冲信号，使得短路保护电路在电源电压较宽和工作电流范围较宽的范围工作，其宽带范围取决于无触点开关Q和电压比较放大器C工作电压和工作电流范围；自恢复启动电路由电阻R7与无触点开关Q并联组成，即电阻R7接入无触点开关Q的输入端与输出端，当无触电开关Q导通时，自恢复启动电路电阻R7两端的电压可忽略不计，当负载RI发生短路故障，无触电开关Q关闭，自恢复启动电路电阻R7两端的电压近似于电源电压，负载RI短路故障消除后，自恢复启动电路电阻R7两端的电压降低，产生一个恢复信号；第一和第二电压信号检测电路N+和N-中的R1、R2另一端接至电源正极输出端V+，即负载的正极输入端+V，第一和第二电压信号检测电路N+和N-中的R4、R3另一端是连接在电源负载输入端-V，第一和第二电压信号检测电路N+和N-中的C1、R5另一端连接在电源负极输出端V-，无触点开关Q串接在电源线回路中，自恢复启动电路R7与无触点开关Q并联，无电流取样电阻，无触点开关Q的导通电阻非常小，从而减少正常工作回路的发热源，提高电源使用效率。

全文数据：脉冲跟踪式电源宽带短路保护电路技术领域本发明涉及一种电压适应变化范围宽的脉冲跟踪式电源短路保护电路，具体涉及一种本安电源短路保护电路。背景技术根据国家标准的要求，在石油、化工、纺织和煤炭等含有爆炸性混合物的环境中，作为通讯、监控、检测、报警以及控制系统的供电设备，为了防止电源输出过流或短路时产生的火花点燃易燃易爆气体，必须采用保护电路，限制火花所释放的能量。本安电源是指本质安全型电源，在设计中充分地考虑电源电路输出电压和电流以及功率情况，做好保护工作，防止过压或过流产生的火花点燃可燃气体，造成设备和人员的损坏和伤亡。本安电源是满足防爆的最佳形式，目前常用的电源保护电路形式包括限流型保护，减流型保护，截止型保护，保护办法是电源与负载回路中串加一个取样电阻或电感，检测取样电阻或电感的电压，当电源有短路故障发生时，电流增大，取样电压升高，电源保护电路检测到取样电压的变化，进而限制、减小或关断电流输出，从而实现了本质安全型要求。上述常用的电源保护电路存在如下不足：一是检测比较电位的动作电压范围会随着输入电压的改变而变窄，动作电压调好后，若改变输入电压和电流会影响比较电位原来的动作，甚至造成保护电路误动作或不动作。二是回路中必须有检测电阻或电感，电阻值大检测器灵敏容易调整，但电阻会因发热而阻值增大并有电压降，使负载端的电压越低，为此只有提高输入端的电压，若采用电感检测，其体积大成本也高。三是故障时动作范围太窄，因为受检测比较电位的电压比值决定，比值大不容易动作，比值小又容易误动作，使稳定性和抗干扰能力变差。四是故障解除后不容易自动恢复电源，因此大电流负荷时不能自动恢复正常工作，给调试带来很大麻烦。五是为解决四方面的不足，只有增加比较复杂的电路结构，从而使制作成本提高，整机的故障率也大幅度提高。发明内容本发明的目的在于解决上述的不足之处，提供一种电源回路不串联取样电阻、结构简单、动作响应快、安全可靠的自恢复的本安电源短路保护电路。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：由脉冲跟踪式信号检测电路、电压比较驱动开关电路、自恢复启动电路组成，当检测到负载RI发生短路故障时产生的脉冲信号，关断负载回路RI的电源，故障消除后自动开启电源与负载之间的回路。所述的脉冲跟踪式信号检测电路包含第一取样分压点N-和第二取样分压点N+，其中第一取样分压点N-由二个电位取样分压点组成，其一是由R2、R3与负载RI串联构成的电位取样分压点，既故障脉冲检测第一取样分压点，其二是由R2、R5与电源串联构成的电位取样分压点，即自恢复启动电路第一取样分压点，这两路共同组成了同一个N-综合分压点；所述第二取样分压点N+由R1、R4与负载RI串联构成的电位取样分压点，同时R4还并联一个延时电容C1。所述的脉冲跟踪式信号检测电路，其特征在于：第一取样分压点N-实时追踪检测负载RI发生短路故障时产生的脉冲信号和负载RI故障消除后的启动信号，第二取样分压点N+延时检测负载RI发生短路故障时产生的脉冲信号和负载RI故障消除后的启动信号。所述的电压比较驱动开关电路由电压比较放大器C和无触点开关Q组成，电压比较器C的输出端与无触点开关Q的控制极之间串接一个信号匹配电阻R6，使得比较器的输出信号与无触点开关的控制信号相匹配。所述的脉冲跟踪式信号检测电路N+和N-取样点分别连接到电压比较驱动开关电路的电压比较器C的同相输入端+和反相输入端-，当检测电路检测到负载RI发生短路故障时产生的脉冲信号时，电压比较器C的输出端产生信低电平号至无触点开关Q的控制极，关断负载回路RI的电源，或检测到恢复信号，电压比较器C的输出端产生高电平信号至无触点开关Q的控制极，恢复负载回路RI的电源。所述的自恢复启动电路由电阻R7并联接在无触点开关Q的输入端与输出端组成，当无触电开关Q导通时，自恢复启动电路电阻R7两端的电压可忽略不计，当负载RI发生短路故障，无触电开关Q关闭，自恢复启动电路电阻R7两端的电压近似于电源电压，负载RI发生短路故障消除后，自恢复启动电路电阻R7两端的电压降低，即产生一个恢复信号。通过调R5对地V-电压，可让N-点电位降低，使自恢复更加容易，但降低了保护电路的抗干扰能力。所述的脉冲跟踪式电源宽带短路保护电路，其特征在于：第一和第二电压信号检测电路N+和N-中的R1、R2另一端并接到电源正极输出端V+，即负载的正极输入端+V，第一和第二电压信号检测电路N+和N-中的R4、R3另一端是连接在电源负载输入端-V，第一和第二电压信号检测电路N+和N-中的C1、R5另一端连接在电源负极输出端V-，无触点开关Q串接在电源线回路中，自恢复启动电路的R7与无触点开关Q并联，无电流取样电阻，无触点开关Q的导通电阻非常小，从而减少正常工作回路的发热源，提高电源使用效率。所述的脉冲跟踪式电源宽带短路保护电路，其特征在于：采用脉冲跟踪式负载RI发生短路故障时产生的脉冲信号，使得短路保护电路在电源电压较宽和工作电流范围较宽的范围工作，其宽带范围取决于无触点开关Q和电压比较放大器C工作电压和工作电流范围。所述的脉冲跟踪式电源宽带短路保护，其特征在于，电路采用了N+和N-与-V脉冲电压变化比较法,实现了双稳定状态，由于采用脉冲电压跟踪式信号电路取样法，它能让电压在大幅度波动变化后可灵活可靠地开关故障负载，从而实现了电压范围宽带范围比较宽的电源短路保护，也使得电源的短路故障电流不受供电电源电压高低以及负载大小变化参数的影响。本发明的有益效果是：与现有技术相比，一是使用元件少，采用简单的电路结构实现了电源负荷在发生输出短路故障情况下能快速的自动关断供电电源，解决了现有保护电路的复杂设计；二是电源回路无需检测电阻或电感，减少了电路种的发热源，回路压降小，同时也提高了供电效率；三是脉冲式检测方法使调整范围得到大幅度提高，设计一旦定型就不需要另外调试，能满足各种工作状态，且大大减少了整机故障率和生产成本；四是在故障解除后能立即自动恢复正常工作，特别适应于宽范围可调电压的大电流负荷；五是可应用在危险性较大和电压变化的工作场所，实现了快速灵敏，动作稳定，保护安全可靠电源保护。附图说明图1是发明专利提出的一个实施例电路原理图。图2是发明专利的电路原理方框图。图1中的虚线框内电路分别是：负荷电路RI1-1，脉冲信号跟踪检测电路1-2，电压比较器C1-3，自恢复启动电阻R71-4，无触点开关Q1-5。具体实施方式下面结合附图对具体实施方式作详细说明。如图2所示给出了本发明的一个实施例电路原理框图，本发明由脉冲信号跟踪检测电路1-2，电压比较器C1-3，自恢复启动电阻R71-4，无触点开关Q1-5等四部分连接组成，其左边的V+端和V-端用于连接锂电池等直流电源的正极和负极；其右端为本保护电路的正极输出端+V和负极输出端-V，也是设置保护电路后的本安电源的正、负极输出端。正极输出端+V和负极输出端-V用于连接负载，本发明中等效电阻位RI。图1给出了本发明脉冲跟踪式电源宽带短路保护电路的一种具体实现方式，其具体结构及工作方式分析如下。（1）正常工作方式。当无故障正常工作时，脉冲跟踪式信号检测电路检测到第一取样分压点N-和第二取样分压点N+的电压差为正，即电压比较驱动开关电路的电压比较器C的同相输入端+电压高于反相端-，电压比较器C输出高电平，经信号匹配电阻R6使无触点开关Q导通，电源能正常稳定输出，实现了一个稳定工作状态。（2）短路故障工作方式。如果负荷电路有短路故障时，脉冲跟踪式信号检测电路的N-端电位突变，而N+接有延时电容C1，使得N+端电位不能突变，瞬时间使得N-电位高于N+电位，电压比较器C输出由高电平迅速翻转为低电平，无触点开关Q因控制端低电平而迅速关断电源与负载之间得回路，因短路故障导致负载输入端-V由原来的低电位提高至接近+V端的高电位，此时N-端的电位反而高于N+端的电位，只要存在短路故障，电压比较器C反相输入端N-电位始终高于同相输入端N+电位，输出低电平使无触点开关Q保持稳定的关断状态，实现了另一个故障稳定状态。（3）短路故障消除恢复工作方式。负载RI的短路故障解除后，因负载RI内阻的输入-V端电压经自动恢复启动电路的电阻R7接通电源，电压明显下降，脉冲跟踪式信号检测电路的N+端电位因延时电容不能突变，而N-端的电位及时响应突变，电压比较器C输出为由低电平翻转位高电平，使得无触点开关Q导通，供电回路因自启动而迅速保持稳定的正常工作状态，负载恢复供电，恢复稳定工作状态。上述的正常稳定工作状态和故障稳定状态相当于本发明脉冲跟踪式电源宽带短路保护电路的双稳态工作方式，通过调整R1-R5的阻值比例，以及延时电容的大小，可实现调整保护电路的灵敏度和抗干扰能力。需要根据负载RI情况调整R7阻值，提高保护电路的自恢复能力。无触点开关Q在电路中起着开关的作用，由于它直接串接在电池与外部负载之间，因此它的导通阻抗对电池的性能有影响，当选用的MOSFET较好时，其导通阻抗很小，电池包的内阻就小，带载能力也强，在放电时其消耗的电能也少。R1-R5选用上百KΩ的阻值，该部分等效电阻和负载并联，正常负载一般位几十欧姆的等效电阻，即检测电路分流较小。该条件下，由极少的电流通过R6和R7，整体的保护板功耗较小。此外，可将电压比较器、无触点开关、电阻、电容或部分元器件等做到了芯片内部，外围仅个别调整性能的元器件，形成电源保护的标准集成块或芯片。上面结合附图描述了本发明的实施方式，实施例给出的结构并非对本发明宽带短路保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改、等同替换、改进或变形仍在本发明的保护范围以内。

权利要求：1.一种脉冲跟踪式电源宽带短路保护电路，其特征在于：由脉冲跟踪式故障信号检测电路、电压比较驱动开关电路、自恢复启动电路组成，当检测到负载RI发生短路故障时产生的脉冲信号，关断负载回路RI的电源，故障消除后自动恢复故障电源与负载之间的回路。2.根据权利要求1所述的脉冲跟踪式电源宽带短路保护电路，其特征在于：包含第一取样分压点N-和第二取样分压点N+的脉冲跟踪式信号检测电路，第一取样分压点N-由二个电位取样分压点组成，其一是由R2、R3与负载RI串联构成的电位取样分压点，既故障脉冲检验电路第一取样分压点，其二是由R2、R5与电源串联构成的电位取样分压点，即启动电路第一取样分压点，这两路共同组成了同一个N-综合分压点；所述第二取样分压点N+由R1、R4与负载RI串联构成的电位取样分压点，同时R4还并联一个延时电容C1，当负载RI发生短路故障时产生的脉冲信号，第一取样分压点N-实时追踪检测负载RI发生短路故障时产生的脉冲信号和负载RI故障消除后的启动信号，第二取样分压点N+延时检测负载RI发生短路故障时产生的脉冲信号和负载RI故障消除后的启动信号。3.根据权利要求1所述的脉冲跟踪式电源宽带短路保护电路，其特征在于：电压比较驱动开关电路由电压比较放大器和无触点开关组成，电压比较器的输出端与无触点开关的控制极之间串接一个电阻，使得比较器的输出信号与无触点开关的控制信号相匹配。4.根据权利要求1所述的脉冲跟踪式电源宽带短路保护电路，其特征在于：脉冲跟踪式信号检测电路的N+和N-取样点分别连接到电压比较驱动开关电路的电压比较器C的同相输入端+与反相输入端-，电压比较器C的输出端产生信号至无触点开关Q的控制极，当检测电路检测到负载RI发生短路故障时产生的脉冲信号时关断负载回路RI的电源，或检测到恢复信号时恢复负载回路RI的电源。5.根据权利要求1所述的脉冲跟踪式电源宽带短路保护电路，其特征在于：自恢复启动电路由电阻R7与无触点开关Q并联组成，即电阻R7接入无触点开关Q的输入端与输出端，当无触电开关Q导通时，自恢复启动电路电阻R7两端的电压可忽略不计，当负载RI发生短路故障，无触电开关Q关闭，自恢复启动电路电阻R7两端的电压近似于电源电压，负载RI短路故障消除后，自恢复启动电路电阻R7两端的电压降低，产生一个恢复信号。6.根据权利要求2所述的所述的脉冲跟踪式信号检测电路，其特征在于：第一和第二电压信号检测电路N+和N-中的R1、R2另一端接至电源正极输出端V+，即负载的正极输入端+V，第一和第二电压信号检测电路N+和N-中的R4、R3另一端是连接在电源负载输入端-V，第一和第二电压信号检测电路N+和N-中的C1、R5另一端连接在电源负极输出端V-，无触点开关Q串接在电源线回路中，自恢复启动电路R7与无触点开关Q并联，无电流取样电阻，无触点开关Q的导通电阻非常小，从而减少正常工作回路的发热源，提高电源使用效率。7.根据权利要求1所述的脉冲跟踪式电源宽带短路保护电路，其特征在于：采用脉冲跟踪式负载RI发生短路故障时产生的脉冲信号，使得短路保护电路在电源电压较宽和工作电流范围较宽的范围工作，其宽带范围取决于无触点开关Q和电压比较放大器C工作电压和工作电流范围。

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