具有熱保護功能的限流啟動電路設(shè)計

黃 春，吳銀成，李一文

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039）

煤礦井下本安電子設(shè)備供電電源必須采用本安電源，其輸出能量受到嚴格限制，同時也限制了其帶載能力[1-6]。為限制能量輸出和保證電源工作效率，大多數(shù)本安電源采用截流型保護，當本安電源輸出出現(xiàn)過流故障時，截流型保護電路迅速動作。該保護電路動作速度快、效果好、效率高，但是抗干擾和抗負載沖擊的能力差，即本安型負載設(shè)備在啟動或熱插拔安裝過程中對電源帶來沖擊，易造成電源重啟或啟動不成功等誤動作[7-11]。

為抑制本安型負載設(shè)備在啟動或熱插拔安裝過程中對本安電源沖擊，文獻[12-14]提出在本安型負載設(shè)備電源電路中設(shè)計限流電路，保障本安型負載設(shè)備正常啟動運行，增強電源帶載能力。上述限流電路可有效限制啟動電流對本安電源的沖擊，但是限流啟動電路在輸出短路失效時，存在熱量積聚，芯片表面溫度急劇增加，進而導致設(shè)備限流啟動電路失效，同時溫度高于150 ℃會導致安全風險。針對上述問題，提出基于熱敏電阻的熱保護電路設(shè)計，可有效防止限流啟動電路的輸出短路失效問題。配合限流啟動電路，在抑制本安型負載設(shè)備對本安電源沖擊的同時，提高設(shè)備的工作穩(wěn)定性和可靠性。

1 常用限流限流啟動電路及缺陷

常用限流啟動電路原理圖原理如圖1。

圖1 常用限流啟動電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of current limiting starting circuit

為減少礦用本安設(shè)備對供電電源的沖擊，限流啟動電路在設(shè)備電源輸入口得到廣泛應用，該電路可實現(xiàn)限流啟動功能。其中Q1為P 溝道增強型場效應管，Q3為PNP 三極管。當輸入電壓Uin后，R4與R5對Uin分壓。R5與C1構(gòu)成RC 延時電路，隨著C1充電，C1電壓上升，當C1兩端電壓大于Q1的開啟電壓后，Q1導通。由于C1電壓緩慢上升，Q1的漏極電流與電路輸出電流呈一定關(guān)系上升，當C1兩端電壓大于Q3的開啟電壓后，Q3完全導通。當電路連接的負載繼續(xù)增加時，R1、R4、R5、Q1、Q3構(gòu)成經(jīng)典限流電路，從而實現(xiàn)限流功能。

當C2兩端發(fā)生短路時，Q1的漏極與源極上的電壓UDS為（Uin－0.7）V，流過Q1的電流為電路設(shè)計的限流電流（0.7/R1）A。如果設(shè)置Uin為24 V，電阻R1為5.1 Ω，C2兩端發(fā)生短路時，Q1的漏極與源極上的電壓UDS為23.3 V，流過Q1的電流為0.137 A，Q1的功耗為3.192 W。Q1若不做散熱處理極有可能燒毀，同時Q1的表面溫度也可能超過150 ℃，給本質(zhì)安全設(shè)備在井下使用帶來安全風險。

2 溫度保護電路

針對常用限流啟動電路存在輸出短路后存在溫度過高或開關(guān)控制芯片燒毀等問題，設(shè)計了溫度保護電路，利用熱敏電阻NTC1 感知Q1溫度變化，當Q1溫度升高到一定值后自動關(guān)斷Q1，保障限流啟動電路的可靠性。溫度保護電路原理圖如圖2。

U1為基準電源芯片，其基準電壓為VREF。NTC1為負溫度系數(shù)熱敏電阻，Q4為PNP 三極管，R2、U1、NTC1、Q4 組成恒流源電路。

熱敏電阻NTC1兩端電壓UNTC1固定不變，為U1提供的基準電壓VREF，流過熱敏電阻NTC1的電流INTC1為：

圖2 溫度保護電路原理圖Fig. 2 Schematic diagram of temperature protection circuit

三極管Q4工作于放大狀態(tài)集電極電流IEQ4為：

式中：IREF為U1基準電壓引腳輸入電流，通常狀態(tài)2 μA。

將式（1）代入式（2）得：

三極管Q4工作于放大狀態(tài)的電流ICQ4為：

式中：β 為三極管的放大倍數(shù)，通常為80；IBQ4為三極管Q4的基極電流。

將式（4）代入式（5）得：

因（1+β）/β 約等于1，則ICQ4約等于IEQ4。

由式（3）可知：

電阻R3上的電壓UR3為:

式中：rbe為三極管基極和發(fā)射極之間的電阻。

將式（7）代入式（8）得：

由式（9）可知熱敏電阻NTC1的阻值RNTC1越大，電壓UR3越小。

熱敏電阻NTC1為負溫度系數(shù)熱敏電阻，當常溫正常工作時，控制UR3小于0.5 V，三極管Q2工作在截止區(qū)間，MOS 管Q1導通，本質(zhì)安全設(shè)備正常工作；當C2兩端發(fā)生短路時，MOS 管Q1溫度急劇上升，熱敏電阻NTC1阻值隨MOS 管Q1溫度增高逐漸減小，由式（9）可知，UR3會逐漸增大，三極管Q2的工作狀態(tài)將由截止區(qū)逐漸過渡到飽和區(qū)，從而關(guān)斷MOS 管，實現(xiàn)溫度保護目的。

3 非連續(xù)介質(zhì)熱傳導設(shè)計

經(jīng)分析，熱敏電阻NTC1可否正確感應MOS 管Q1的工作溫度將直接影響保護電路的保護性能，熱敏電阻NTC1與MOS 管Q1之間的熱傳導成為整個設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為提高NTC1與Q1之間的熱傳導效率，設(shè)計了2 種方案。

1）方案1。將熱敏電阻設(shè)計在MOS 管Q1的旁邊，利用銅皮實現(xiàn)Q1與熱敏電阻之間的溫度傳遞。

2）方案2。將熱敏電阻設(shè)計在MOS 管Q1的正下方，同時對MOS 管Q1的散熱引腳的正反兩面鋪制銅皮，利用過孔將熱量傳遞至背面銅皮，從而將熱量傳遞到熱敏電阻上，實現(xiàn)熱敏電阻對Q1發(fā)出熱量的實時感應。

4 試驗驗證

為驗證溫度保護電路的可靠性，對溫度保護電路的工作性能及非連續(xù)介質(zhì)的熱傳導性能進行了試驗驗證。圖2 中，設(shè)置R1＝5.1 Ω，R4＝10 kΩ，R5＝10 kΩ，Uin＝24 VDC，C2＝3 300 μF，R2＝47 kΩ，R3＝350 Ω，NTC1選擇阻值為10 kΩ（25 ℃）的熱敏電阻。電路工作過程中R1最大可提供約140 mA 工作電流。

1）溫度保護電路的工作性能測試。將電路板放入溫度試驗箱中，分別調(diào)節(jié)溫箱溫度為0、25、50、60、70、75、80、85 ℃，測試電阻R3兩端電壓UR3，電壓UR3與溫度T 的關(guān)系曲線如圖3。從圖3 可看出，電壓UR3在75 ℃時明顯出現(xiàn)了拐點，穩(wěn)定在0.7 V左右，三極管Q2工作在飽和狀態(tài)，溫度保護電路工作，Q1呈關(guān)斷狀態(tài)。

圖3 電壓UR3 與溫度T 的關(guān)系曲線Fig.5 The relation curve of voltage UR3 and temperature T

2）非連續(xù)介質(zhì)的熱傳導性能測試。將圖2 中電容C2短路，上電，利用萬用表溫度探頭測試電路板各元器件。方案1 中Q1散熱焊盤溫度最高可達132℃，溫度保護電路不動作，熱敏電阻NTC1溫度為68℃，熱傳遞效率低，長時間工作Q1將燒毀，電路在礦區(qū)應用存在安全風險；方案2 中Q1散熱焊盤溫度最高可達95 ℃，溫度保護電路可有效動作，熱敏電阻NTC1溫度為78 ℃, 熱傳遞效率對方案1 已提高不少，但仍需改進；將方案2 中熱敏電阻用導熱硅膠覆蓋，加強銅皮與NTC 之間的熱傳遞，經(jīng)測試Q1散熱焊盤溫度在83 ℃溫度保護電路即可有效動作。

5 結(jié) 語

分析了礦用本安設(shè)備中經(jīng)典限流電路在輸出短路情況下導致電路功能失效和安全風險，針對發(fā)熱元件的設(shè)計了溫度保護電路，對溫度保護電路的工作性能及非連續(xù)介質(zhì)的熱傳導性能進行了試驗驗證。試驗結(jié)果表明，溫度保護電路及非連續(xù)介質(zhì)的熱傳導設(shè)計可實現(xiàn)限流保護電路輸出短路情況下的可靠防護。