具有熱保護功能的限流啟動電路設計

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，大多數本安電源采用截流型保護，當本安電源輸出出現過流故障時，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備電源電路中設計限流電路，保障本安型負載設備正常啟動運行，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備對本安電源沖擊的同時，提高設備的工作穩定性和可靠性。

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

為減少礦用本安設備對供電電源的沖擊，限流啟動電路在設備電源輸入口得到廣泛應用，該電路可實現限流啟動功能。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增加時，R1、R4、R5、Q1、Q3構成經典限流電路，從而實現限流功能。

當C2兩端發生短路時，Q1的漏極與源極上的電壓UDS為（Uin－0.7）V，流過Q1的電流為電路設計的限流電流（0.7/R1）A。如果設置Uin為24 V，電阻R1為5.1 Ω，C2兩端發生短路時，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 ℃，給本質安全設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控制芯片燒毀等問題，設計了溫度保護電路，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2 μA。

將式（1）代入式（2）得：

三極管Q4工作于放大狀態的電流ICQ4為：

式中：β 為三極管的放大倍數，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工作在截止區間，MOS 管Q1導通，本質安全設備正常工作；當C2兩端發生短路時，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的工作狀態將由截止區逐漸過渡到飽和區，從而關斷MOS 管，實現溫度保護目的。

3 非連續介質熱傳導設計

經分析，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計的關鍵環節。為提高NTC1與Q1之間的熱傳導效率，設計了2 種方案。

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

2）方案2。將熱敏電阻設計在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，實現熱敏電阻對Q1發出熱量的實時感應。

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介質的熱傳導性能進行了試驗驗證。圖2 中，設置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，分別調節溫箱溫度為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 的關系曲線如圖3。從圖3 可看出，電壓UR3在75 ℃時明顯出現了拐點，穩定在0.7 V左右，三極管Q2工作在飽和狀態，溫度保護電路工作，Q1呈關斷狀態。

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

2）非連續介質的熱傳導性能測試。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 語

分析了礦用本安設備中經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，針對發熱元件的設計了溫度保護電路，對溫度保護電路的工作性能及非連續介質的熱傳導性能進行了試驗驗證。試驗結果表明，溫度保護電路及非連續介質的熱傳導設計可實現限流保護電路輸出短路情況下的可靠防護。