图1 新型截流型保护电路工作原理
房绪鹏， 于志学， 秦明， 闫鹏, 赵珂
(山东科技大学 电气与自动化工程学院， 山东 青岛 266510)
摘要：针对传统截流型保护电路截流值小、抗负载冲击能力差、过流故障解除后需增加恢复电路或手动电路等问题，设计了一种用于本质安全电源的新型截流型保护电路。该电路采用双重并联控制结构，提高了电路可靠性；在负载过流时能够迅速截流，故障解除后可快速投入，且投入点可调节；具有微功耗电路，降低了轻载或空载时的电源损耗。实验结果表明，该电路能够在过流故障解除后自动恢复，负载效应低，带载能力较强。
关键词：本质安全电源； 过流保护； 截流型保护； 自动恢复
本质安全电源工作在煤矿井下及其他含有爆炸性气体的环境之中，其安全性能取决于保护电路的性能[1]。限流型保护和截流型保护是本质安全电源的基本过流保护电路形式。限流型保护电路在进入保护状态后，调整管的功耗高，其负载电流较大，导致电源功耗高；截流型保护电路因电路功耗低、效率高，受到越来越广泛的应用[2-3]。但传统的截流型保护电路截流值太小，抗负载冲击能力差，过流故障解除后，需增加另外的恢复电路或手动电路[4]。基于该情况，本文设计了一款带有自动恢复功能、带载能力强、截流值大的新型截流型保护电路。
新型截流型保护电路是输出电阻变化的电路。当负载变大或短路后，负载电流大于设定的截止电流A，检测电路通过取样电阻将负载电流转换成电压，通过电压比较器比较，反馈到控制端，使开关管关断，负载被迅速截流，输出电压接近0[2]。当开关管关断后，检测电路检测到负载没有过流(即负载电流小于设定的关断恢复电流B)，迅速启动电路，使电路恢复正常，保证正常输出。图1为新型截流型保护电路工作原理，其中A点为截止点，B点为关断恢复点,C点为空载时负载端电压。
图1 新型截流型保护电路工作原理
根据GB 3836.4—2010有关规定，ib等级的本质安全电源必须有双重化保护[5]。新型截流型保护电路采用双重化模块分别控制2个并联的 MOSFET开关管，由启动部分、截流部分、自动恢复部分及微功耗部分构成。电路参数：输出额定电压约为12 V，额定电流为1.3 A，截止关断电流为1.5 A，关断后当负载电流小于1.2 A时重新投入。
新型截流型保护电路采用的双重化并联控制结构是完全对称的，当其中一个控制回路不能工作时，另一个控制回路仍能保持独立正常工作，大大提高了电路的可靠性。限于篇幅，本文只分析其中1路，如图2所示，其中电压比较器U11，U12采用LM311，三极管T1，T2采用2N5551，开关管VT1采用IRF3710S Power MOSFET(导通电阻为0.02 Ω)；稳压管DW11，DW12的稳定电压分别为10，5.1 V，R111为阻值为0.1 Ω的检测电阻，R112阻值为10 kΩ， R113阻值为600 Ω，RL为负载。
2.1 启动部分
电路启动前VT1不导通，A点电位较高，T2导通，T1不导通，当U11同相输入端电压大于反相输入端电压时，输出高电平，VD1导通，U12输出高电平驱动VT1导通，使负载端输出。VT1导通后，A点电位迅速降低，T2不导通，T1导通，U11输出的高电平被拉低，VD1不导通，使启动电路与后面的电路断开，实现启动功能。
图2 新型截流型保护电路结构(不包含微功耗部分)
2.2 截流部分
当负载电流超过截止电流1.5 A时，调节RT12，使U12反相输入端电压恰好高于同相输入端电压，VT1关断，实现迅速截流。其中RT12可以调节截止点。
设U12同相输入端电压为U12+，则RT12阻值可由式(1)、式(2)得到。
(1)
(2)
式(1)中RL取截流1.5 A时负载阻值。
2.3 自动恢复部分
VT1过流关断后，当负载电流恢复至正常值1.2 A时，U11同相输入端电压大于反相输入端电压，启动部分再次启动，负载正常输出。调节RT11阻值可改变过流故障解除后电路自动恢复正常的门槛电流。为了避免反复投切引起震荡，在U11后面加入1个1 μF电容C11。
设U11同相输入端电压为U11+，则RT11阻值可由式(3)、式(4)得到。
(3)
(4)
式(3)中RL取重新投入电流1.2 A时负载阻值。
2.4 微功耗部分
负载开路时，整个电路仍能形成电流回路，因此新型截流型保护电路会有部分损耗。为了弥补该缺陷，在电路中加入了微功耗部分，如图3所示[6]。电压比较器U3采用LM399，VT3为P沟道开关管IRF7404 MOSFET(导通电阻为0.04 Ω)，R304阻值为1 kΩ。当负载开路时，A点电压降低，使U3同相输入端电压大于反相输入端电压，U3输出高电平，VT3关断，此时整个电路只有U3和IRF7404关断时的漏电流耗能，功耗很低；接上负载后，U3反相输入端电压升高，大于同相输入端电压，U3输出低电平，VT3导通，电源侧向负载侧供电。VT3导通内阻仅为0.04 Ω，不影响后面的过流保护电路。
图3 微功耗部分电路
设U3同相输入端电压为U3+，U3+取值范围为
负载开路时
(5)
负载非开路时
(6)
式中Rds为VT1导通阻抗。
R301，R302分压使U3同相输入端电压U3+在式(5)、式(6)范围内，即可实现微功耗功能。
用Multisim仿真软件仿真，负载开路时电源侧电流在没有微功耗部分时为42 mA，加入微功耗部分之后为6 mA，功耗只有原来的1/7。
实验采用LH25—10B12模块模拟新型截流型保护电路的电源部分，该模块可实现AC85～264 V输入、DC12 V输出[7]；采用大功率直流变阻器模拟负载。实验结果如图4所示。可看出当负载的阻值由大变小，负载电流逐渐变大。当负载阻值为7.9 Ω时，达到截止电流1.50 A。过流关断后，当
负载阻值大于9.9 Ω、负载电流小于1.21 A时重新开启。负载效应仅为1.3%，电源能够输出稳定电压，带载能力较强。
图4 新型截流型保护电路实验结果
新型截流型保护电路具有过流关断、自恢复功能，且电路功耗低、截止电流大、截流速度快(0.1 μs级)、投入点可调节。该电路不含电感元件，只有1个1 μF电容，在正常和故障状态下，火花放电能量小于爆炸性危险气体的最小点燃能量，满足GB 3836.4—2010 ib等级对本质安全电源的要求[8]。
参考文献：
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[8] GB 3836.4—2010爆炸性环境 第四部分 由本质安全型“i”保护的设备[S].
A novel chopping current protection circuit for intrinsically safe power supply
FANG Xupeng, YU Zhixue, QIN Ming, YAN Peng， ZHAO Ke
(College of Electrical Engineering and Automation，Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China)
Abstract：For problems that traditional chopping current protection circuit had small cut-off current value and poor anti load impact ability, and needed additional recovery circuit or manual circuit after over-current fault, a novel chopping current protection circuit for intrinsically safe power supply was designed. The circuit adopts double parallel control structure, so as to improve reliability. The circuit can chop circuit rapidly under condition of load over flowing, and put into operation fast after fault with adjusted input point. Meanwhile, the circuit has low power consumption part, so as to reduce power loss under condition of light load or no-load. The experimental results show that the circuit can recover automatically after over-current fault with low load effect and strong load capacity.
Key words：intrinsically safe power supply; over-current protection; chopping current protection; automatic recovery
收稿日期：2016-05-22；
修回日期：2016-10-14；责任编辑：李明。
基金项目：山东省自然科学基金资助项目(ZR2009FM017)；中国博士后科学基金资助项目(20090461254)；山东科技大学研究生教育创新计划资助项目(2014BK023)。
作者简介：房绪鹏(1971-)，男，山东汶上人，副教授，博士，主要研究方向为电力电子与电气传动，E-mail：xpfang69@163.com。
文章编号：1671-251X(2016)12-0056-03
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2016.12.012
中图分类号：TD60
文献标志码：A
网络出版：时间：2016-12-01 10:38
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161201.1038.012.html
房绪鹏，于志学，秦明，等.用于本质安全电源的新型截流型保护电路[J].工矿自动化，2016,42(12)：56-58.