一种用于供电保护的安全栅电路装置和电源设备的制作方法

1.本发明一般地涉及电源供电领域。更具体地，本发明涉及一种用于供电保护的安全栅电路装置和电源设备。


背景技术：

2.在煤矿和石油等易燃易爆的场景下，为了安全生产，大量的电气设备通常采用本质安全型设计，而对这些电气设备进行供电，则需要有高品质、高效率和稳定可靠的本质安全电源作为保障。目前，对这些电气设备进行供电的电源设备所提供的电压和电流通常都比较大，因此在供电过程中难免会发生元器件过热或者发生电火花和电弧的现象，从而有可能引起爆炸的危险。本质安全型是一种比较理想的防爆形式，但由于受到电路使用功率的限制，其应用范围具有局限性，一度成为先进技术在危险场所应用的瓶颈。
3.为了更好地应用本质安全型电气设备，通常利用安全栅技术，以便限制电源设备送往现场本安回路的能量，从而防止非本安电路的危险能量串入本安电路，避免了爆炸现象的发生。常见的安全栅结构形式分为齐纳式和隔离式，其采用快速熔断器、限流电阻或限压二极管对输入的电能量进行限制，从而将输出到危险区的能量控制在一定的范围内。但是，目前的安全栅保护电路由于其自身设计原理的缺陷，使其在应用中的可靠性受到很大影响，并限制了其应用范围。


技术实现要素：

4.为至少解决上述背景技术中的一个或多个问题，本发明提供了一种用于供电保护的安全栅电路装置和电源设备。该电路装置通过设计过压保护模块、过流保护模块和过热保护模块，并将这三个模块进行巧妙地结合，从而使得本发明的安全栅电路装置同时具有限压、限流和过热保护的功能。利用本发明方案设计的安全栅电路装置具有灵敏度高、电路设计简单精巧和成本较低等优点。
5.具体地，一方面，本发明公开了一种用于供电保护的安全栅电路装置，包括：过压保护模块，其包括依次连接的第一分压基准电路、第一比较电路和第一开关电路，以分别用于将来自电源的电源信号进行分压、比较和控制输出，以便对所述电路装置进行过压保护；过流保护模块，其包括依次连接的电流取样电路、第二比较电路和第二开关电路，以分别用于将来自电源的电源信号进行电流取样、比较和控制输出，以便对所述电路装置进行过流保护；以及过热保护模块，其包括依次连接的温度检测电路、第三比较电路和第三开关电路，以分别用于对所述电路装置的温度进行检测、将所述温度检测的结果进行比较和控制输出，以便对所述电路装置进行过热保护。
6.在一个实施例中，所述第一分压基准电路包括由多个电阻构成的分压电路，其用于将来自所述电源的电压信号进行分压，以便输出第一基准电压；所述第一比较电路包括由集成运算放大器构成的电路，其用于根据所述第一基准电压输出第一控制信号；以及所述第一开关电路包括由三极管构成的电路，其用于根据所述第一控制信号来控制所述电路
装置的输出。
7.在另一个实施例中，所述分压基准电路还包括稳压电路，其包括由稳压二极管构成的电路，并且与所述分压电路连接，以便用于向所述第一比较电路输出所述第一基准电压。
8.在又一个实施例中，所述电流取样电路包括由取样电阻构成的电路，其用于对所述电路装置输出的电流强度进行检测；所述第二比较电路包括由集成运算放大器构成的电路，其用于根据检测的所述电流强度输出第二控制信号；以及所述第二开关电路包括由三极管构成的电路，其用于根据所述第二控制信号来控制所述电路装置的输出。
9.在一个实施例中，所述过流保护模块还包括：第二分压基准电路，其包括由多个电阻构成的分压电路，并且用于将来自所述电源的电压信号进行分压，以便向所述第二比较电路输出第二基准电压。所述第二比较电路根据所述第二基准电压和所述电流强度来输出所述第二控制信号。
10.在另一个实施例中，所述温度检测电路包括由热敏电阻构成的电路，其用于对所述电路装置的温度进行检测；所述第三比较电路包括由集成运算放大器构成的电路，其用于根据检测的所述温度输出第三控制信号；以及所述第三开关电路包括由受控三极管构成的电路，其用于根据所述第三控制信号来控制所述电路装置的输出。
11.在又一个实施例中，所述热敏电阻封装于所述受控开关管内，以便对所述受控开关管进行温度检测。
12.在一个实施例中，所述电路装置还包括负载稳压电路，其用于对所述电路装置的负载进稳压调节。
13.在另一个实施例中，所述负载稳压电路包括由三极管构成的电路。
14.另一方面，本发明还公开了一种电源设备，包括：电源，其用于输出电源信号，以便对外部设备进行供电；以及上述实施例中所述的电路装置，其用于接收并处理所述电源的电源信号，以便对所述外部设备进行供电保护。
15.基于上述实施例可以看出，本发明的安全栅电路装置通过设置多个比较电路、多个开关电路以及分压、稳压等电路，从而使得本发明的电路装置具有损耗小、本安输出功率大、应用范围广和输出稳定等优点。进一步，将利用本发明技术方案设计的安全栅电路装置布置于电源和外部电气设备之间，可以限制电源输送到外部电气设备的能量，从而防止非本安电路的危险能量串入本安电路，避免了失爆现象的发生。
附图说明
16.通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
17.图1是示出根据本发明实施例的电路装置的组成原理框图；
18.图2是示出根据本发明实施例的电路装置的进一步具体化的组成原理框图；
19.图3是示出根据本发明实施例的电路装置的电路原理图；以及
20.图4是示出根据本发明实施例的电源设备的组成原理框图。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.图1是示出根据本发明实施例的电路装置100的组成原理框图。为了便于理解本发明的电路装置的功能和原理，图1中还绘出了电源104和外部设备105，其中所述电源104用于向本发明的电路装置100输出电源信号，进而对外部设备105进行供电。所述外部设备105可以是本安型电气设备，其用于接收经过本发明的电路装置100处理之后的电源信号，从而在保证其防爆安全的情况下进行工作。
23.如图1所示，本发明的电路装置100可以包括过压保护模块101、过流保护模块102和过热保护模块103。进一步，所述过压保护模块用于将来自电源的电源信号进行处理，以便对所述电路装置进行过压保护。所述过流保护模块用于将来自电源的电源信号进行处理，以便对所述电路装置进行过流保护。所述过热保护模块用于将来自电源的电源信号进行处理，以便对所述电路装置进行过热保护。
24.图2是示出根据本发明实施例的电路装置200的进一步具体化的组成原理框图。这里需要指出的是，图2中的电路装置200可以理解为图1中的电路装置100的一种示例性的实现方式。因此，结合图1所描述的电路装置100的细节也同样适用于对图2中的电路装置200的描述。下面将结合图2来描述本发明的电路装置的组成和工作原理。
25.如图2所示，本发明的电路装置200可以包括前述的过压保护模块210、过流保护模块220和过热保护模块230。具体地，所述过压保护模块210进一步可以包括第一分压基准电路211、第一比较电路212和第一开关电路213。其中，所述第一分压基准电路用于将来自电源的电压信号进行分压，以便输出用于第一比较电路进行电压比较的第一基准电压。所述第一比较电路用于根据该第一基准电压输出第一控制信号。进一步，所述第一开关电路用于根据第一控制信号来控制本发明的电路装置的输出。
26.在另一个实施例中，上述第一分压基准电路可以包括分压电路和稳压电路，其中所述分压电路用于将来自电源的电压信号进行分压，以便向稳压电路输出适合的电压信号。进一步，所述稳压电路与第一比较电路连接，并且用于将分压电路提供的电压信号进行稳压操作，以便向第一比较电路输出经过其稳压之后的第一基准电压。
27.在一个实施例中，所述过流保护模块可以包括电流取样电路221、第二比较电路222和第二开关电路223，其中所述电流取样电路用于对本发明的电路装置输出的电流强度进行检测。所述第二比较电路用于根据检测到的电流强度输出第二控制信号。进一步，所述第二开关电路用于根据第二控制信号来控制本发明的电路装置的输出。
28.在另一个实施例中，所述过流保护模块还可以包括第二分压基准电路，其用于将来自电源的电压信号进行分压，以便向第二比较电路输出第二基准电压。进一步，所述第二比较电路根据该第二基准电压和本发明的电路装置输出的电流强度来输出第二控制信号。
29.在一个实施例中，所述过热保护模块可以包括温度检测电路231、第三比较电路232和第三开关电路233，其中温度检测电路用于对电路装置的温度进行检测。所述第三比较电路用于根据检测的温度输出第三控制信号。进一步，第三开关电路用于根据该第三控
制信号来控制本发明的电路装置的输出。
30.本发明的电路装置在工作过程中，可以实现对电源输出的电源信号同时进行限压、限流和过热保护。具体地，当实现限压功能时，首先，第一分压基准电路将接收到的电源的电压信号进行分压处理，以便向第一比较电路输出适合的基准电压。接着，第一比较电路将该基准电压作为基准并按照一定的比较规则进行电压比较，进而输出第一控制信号。具体地，在一个实施例中，当第一比较电路接收到的电源电压大于基准电压时，则输出高电平的第一控制信号；相反地，当第一比较电路接收到的电源电压小于基准电压时，则输出低电平的第一控制信号。最终，通过该第一控制信号对第一开关电路进行控制。具体地，当第一控制信号为高电平时，其控制第一开关电路闭合，进而断开本发明的电路装置对外部设备进行输出，从而起到了限压作用，即当电源提供的电压升高到一定的阈值时，断开对外部设备进行供电。
31.当实现限流功能时，首先，电流取样电路对电源输出的电流信号进行采样。接着，第二比较电路将采样到的电流转换为基准电压并按照一定的比较规则进行电压比较，进而输出第二控制信号。具体地，在一个实施例中，当第二比较电路接收到的电源电压大于基准电压时，则输出高电平的第二控制信号；相反地，当第二比较电路接收到的电源电压小于基准电压时，则输出低电平的第二控制信号。最终，通过该第二控制信号对第二开关电路进行控制。具体地，当第二控制信号为高电平时，其控制第二开关电路断开，以便断开本发明的电路装置对外部设备进行输出，从而起到了限流作用，即当电源提供的电流值升高到一定的阈值时，断开对外部设备进行供电。
32.当实现过热保护功能时，首先，温度检测电路对本发明的电路装置中的一个或多个元器件进行温度检测，并将温度检测的结果转换成电压值输出给第三比较电路。接着，第三比较电路将接收到的电压值与基准电压按照一定的比较规则进行电压比较，进而输出第三控制信号。具体地，在一个实施例中，当第三比较电路接收到的温度检测转换的电压大于基准电压时，则输出为高电平的第三控制信号；相反地，当第三比较电路接收到的温度检测转换的电压小于基准电压时，则输出为低电平的第三控制信号。最终，通过该第三控制信号对第三开关电路进行控制。具体地，当第三控制信号为高电平时，其控制第三开关电路闭合，以便断开本发明的电路装置对外部设备进行输出，从而起到了过热保护作用，即当本发明的电路装置中的元器件过热时，断开对外部设备进行供电。
33.图3是示出根据本发明实施例的电路装置300的电路原理图。可以理解的是，图3中的电路装置300可以理解为图1中的电路装置100和图2中的电路装置200的一种示例性的电路实现。因此，结合图1和图2所描述的电路装置100和200的细节也同样适用于对图3中的电路装置300的描述。另外需要说明的是，图2中的多个功能电路在图3中可以合而为一，从而在完成相应功能的基础上，使得本发明的电路装置简单、体积小并且节约成本。下面将结合图3来详细描述本发明的电路装置的组成和工作原理。
34.如图3所示，本发明的过压保护模块可以包括第一分压基准电路、第一比较电路和第一开关电路。作为一个具体的电路实现，所述第一分压基准电路例如可以是由电阻r1、r2、rt1和稳压二极管z1、z2所组成的电路。该电路用于将来自电源vin的电压信号进行分压和稳压。具体地，z1和z2串联使用，并且与r2、rt1并联。在本发明的电路装置工作过程中，当电源vin提供的电压值升高到一定阈值时，由于稳压二极管z1、z2的钳制作用，使得r2、rt1
上的分压值始终保持稳定，从而可以作为第一比较电路的基准电压。
35.进一步地，第一比较电路可以是由集成运算放大器组成的电路。例如，其可以是由图3中的集成运算放大器u1b和电阻r3～r7组成，并且u1b的同相输入端5连接电源vin，u1b的反相输入端6连接上述的第一分压基准电路。在本发明的电路装置工作过程中，第一分压基准电路向u1b的反向输入端6提供基准电压，并且u1b将其同相输入端5的电压值与反向输入端6的基准电压进行比较。当u1b的同相输入端5的电压值大于其反向输入端6的基准电压时，则u1b输出高电平信号；相反地，当u1b的同相输入端5的电压值小于其反向输入端6的基准电压时，则u1b输出低电平信号。
36.进一步地，所述第一开关电路可以是由三极管组成的电路。例如，其可以是由图3中的npn型三极管n1组成，其中n1的基极连接第一比较电路中的u1b的输出端，n1的集电极可以作为第一开关电路的输出端，或者作为其下一级开关电路的输入端。在本发明的电路装置工作过程中，当第一比较电路的u1b输出高电平时，则触发三极管n1导通，从而输出控制信号控制本发明的电路装置断开向外部设备输出电源；相反地，当第一比较电路的u1b输出低电平时，则导致三极管n1截止，从而使得本发明的电路装置通过q1向外部设备输出电源。
37.在一个实施例中，本发明的过流保护模块可以包括电流取样电路、第二比较电路和第二开关电路。作为一个具体的电路实现，所述电流取样电路例如可以是由电阻r9、r9*、r10、r10*、rx1、r11、二极管d1和稳压二极管z3组成的电路。具体地，电阻r9、r9*、r10和r10*组成分压电路，并且该分压电路与稳压二极管z3并联，从而利用稳压二极管z3对该分压电路进行稳压处理。在本发明的电路装置工作过程中，当电源输出的电流值升高到一定阈值时，稳压二极管z3保证了分压电路输出的电压值保持恒定。进一步，所述第二比较电路可以是由集成运算放大器组成的电路。例如，第二比较电路可以是由图3中的集成运算放大器u1a组成，并且u1a的反相输入端2连接电流采样电阻rx1和r11，u1a的同相输入端3连接上述分压电路的输出端。
38.进一步地，所述第二开关电路可以是由三极管组成的电路。例如，其可以是由图3中的pnp型三极管q1组成，其中q1的基极通过电阻r12连接第二比较电路中的u1a的输出端1，q1的集电极可以作为第二开关电路的输出端vout(即本发明的电路装置的输出端)。
39.在本发明的电路装置工作过程中，当电源输出的电流值较低时，可以通过对电阻r9、r9*、r10、r10*、rx1和r11的阻值进行合理设置，从而使得u1a的反相输入端2的电压高于其同相输入端3的电压，基于此，u1a输出低电平，使得q1导通。最终，本发明的电路装置通过q1的输出端vout向外部电气设备输出电源。
40.相反地，当电源输出的电流值较高并且超过设定的阈值时，电流采样电阻rx1上的电流值随之升高，导致其上的电压值也升高。由于此时分压电路的电压被稳压二极管z3所限制，因此随着rx1上的电压值升高，则u1a的反相输入端3的电压下降。进一步，当u1a的反相输入端3电压低于其同相输入端2的电压时，则u1a输出高电平，导致三极管q1截止，从而使得本发明的电路装置停止向外部电气设备输出电源，最终实现限流保护的功能。
41.在另一个实施例中，本发明的过热保护模块可以包括温度检测电路、第三比较电路和第三开关电路。进一步地，所述温度检测电路可以包括由热敏电阻构成的电路，以便用于对所述电路装置的温度进行检测。所述第三比较电路可以包括由集成运算放大器构成的
电路，以便用于根据检测的所述温度输出第三控制信号。另外，所述第三开关电路可以包括由受控开关管构成的电路，以便用于根据所述第三控制信号来控制所述电路装置的输出。在一个实施例中，上述受控开关管例如可以是三极管，所述热敏电阻可以封装于该三极管内，以便对所述受控开关管进行温度检测。
42.作为一个具体的电路实现，所述温度检测电路例如可以通过将热敏电阻rt1用热缩管封装在三极管q1中来实现，其中热敏电阻rt1可以通过选型使之具有随着三极管q1温度的升高而电阻值变小的特性。为了节省电路资源，所述第三比较电路和第三开关电路可以分别借用第一比较电路和第一开关电路，其中第一比较电路和第一开关电路的详细描述请参见前述，此处不再赘述。
43.在本发明的电路装置工作过程中，随着流过三极管q1的电流逐渐增大或者时间增长，导致q1的温度升高，进而导致热敏电阻rt1的阻值降低。由此使得rt1上的分压降低，进而u1b的反相输入端6的基准电压降低。进一步，当u1b的反相输入端6的电压低于其同相输入端5的电压时，则u1b输出高电平，导致第一开关电路导通，最终实现本发明的电路装置断开向外部电气设备输出电源，从而实现了过热保护。
44.在一个实施例中，本发明的电路装置还可以包括负载稳压电路，其用于对所述电路装置的负载进稳压调节，以免输出到负载上的电源能量产生突变，其中所述负载可以是外部电气设备。作为一个具体的电路实现，所述负载稳压电路例如可以是由图3中的pnp型三极管q3和电容c1组成。
45.图4是示出根据本发明实施例的电源设备400的组成原理框图。如图4所示，本发明的电路设备400可以包括电源401和前述实施例中所描述的电路装置402。具体地，所述电源用于输出电源信号，以便对外部设备进行供电。所述电路装置可以包括过压保护模块、过流保护模块和过热保护模块，并且所述电路装置用于接收并处理所述电源的电源信号，以便对所述外部设备进行供电保护，其中所述电路装置的各模块的功能和工作原理前面已经进行了详细描述，此处不再赘述。
46.应当理解，本发明的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本发明的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
47.还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，而并不意在限定本发明。如在本发明说明书和权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。还应当进一步理解，在本发明说明书和权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
48.如在本说明书和权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
[0049]
虽然本发明的实施方式如上，但所述内容只是为便于理解本发明而采用的实施例，并非用以限定本发明的范围和应用场景。任何本发明所述技术领域内的技术人员，在不
脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。