具有预恒流启动及快恢复功能的电源电路及其工作方法与流程

[0001]
本发明涉及电子设备技术领域，具体涉及一种具有预恒流启动及快恢复功能的电源电路及其工作方法。


背景技术：

[0002]
煤炭工业是我国非常重要的基础产业，建设高产、高效、安全的现代化矿井技术,就离不开高可靠的电源技术。在特殊的煤矿行业，本安防爆技术也就应运而生。
[0003]
本安防爆技术是当今世界上使用最广泛的技术之一，大量应用于矿山、化工、冶金、石油等领域中，为确保人员和设备的安全，防爆技术越来越重要，形成一系列的行业、国家和国际标准，并随着技术的发展而深入。当今采矿设备，最常见的形式是本安防爆型、隔爆型和增安型。由于电子技术的不断提高和进步，本安防爆技术具有更广泛的推广和应用；特别是由于本质安全型（简称本安型）与其它形式的防爆形式相比，不仅具有结构非常简单，应用范围特别广，而且具有操作十分简单，维护十分方便等优点，因此这种通过抑制点火源能量为防爆手段的本安型防爆技术已被制造商和用户广泛关注。
[0004]
本安电源即本质安全电源，这种电源在正常工作和故障状态下，其输出的最高电压、最大电流均具有本安性能。本安性能指本质安全电源电路在标准规定条件(包括正常工作和标准规定的故障条件)下产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境。
[0005]
由于本质安全型电气设备电路本身被认为是安全的，电路产生的放电火花、电弧以及热能均不能点燃电路周围环境中的爆炸性混合物，所以本质安全电路及设备在使用过程中，具有安全程度高、体积小、重量轻、安装简单、维护方便、制造成本低等优点，更重要的是可以应用在易燃、易爆等危险工作环境中，目前本质安全电路及设备已经成为不可缺少的安全设备。
[0006]
目前，煤矿井下的本安设备均由本安电源供电，本安设备本身多采用分级dc降压方式获得供电支持。目前井下本安设备大都存在启动峰值电流大、断电后二次上电恢复时间长、多个负载同步启动致本安电源重启等缺陷。基于本安电源的特性，带非线性负载能力差，导致电源整体带载能力弱，同时为消除启动浪涌电流，本安设备的电源部分基本都带缓启动电路，但目前缓启动电路多依靠mos管自身阈值电压做延时启动，而mos管阈值电压范围较大，同时温度特性不好，导致缓启动有较大差异性，并不能很好的解决实际问题。


技术实现要素：

[0007]
针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何提供一种能够实现负载启动电压线性增长，消除启动浪涌电流影响，带容性负载能力强，断电恢复速度快，带载能力强的具有预恒流启动及快恢复功能的电源电路。
[0008]
另外，本发明还提供一种具有预恒流启动及快恢复功能的电源电路的工作方法，以实现负载启动电压线性增长，消除启动浪涌电流影响，带容性负载能力强，断电恢复速度
快，带载能力强的目的。
[0009]
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：具有预恒流启动及快恢复功能的电源电路，包括主电源开关、恒流电路、断电快速复位电路、使能电路、延时电路和buck-dcdc模块电路，在所述主电源开关的输出端还连接有电容c，所述电容c的另一端接地；所述恒流电路与所述主电源开关并联连接，所述恒流电路在所述主电源开关断开时向所述电容c充电，以使得所述电容c两端的电压线性增大；所述断电快速复位电路的输入端与所述主电源开关的输入端电连接，所述断电快速复位电路的输出端与所述延时电路电连接，所述断电快速复位电路用于在电源电路断电时快速复位所述延时电路；所述使能电路分别与所述主电源开关和所述buck-dcdc模块电路电连接，用于控制所述主电源开关和所述buck-dcdc模块电路的开启与关断；所述延时电路与所述使能电路电连接，所述延时电路向所述使能电路输出延时控制信号，以使得所述使能电路通过该延时控制信号控制所述主电源开关和所述buck-dcdc模块电路的开启时间；所述buck-dcdc模块电路与后级用电电路连接，用于在所述主电源开关闭合时向后级用电电路供电。
[0010]
本发明的工作原理是：本发明的电源电路在工作时，电源电路上电，恒流电路启动并给电容c充电，使得电容c两端的电压线性上升，此时使能电路控制主电源开关和buck-dcdc模块电路关断，电源电路未向后级用电电路供电；当电容c充满后，电容c两端的电压达到设定电压，延时电路工作，经过第一延时时间t1后，使能电路在控制主电源开关开启，主电源开关开启的同时将使得恒流电路断开；经过第二延时时间t2后，使能电路控制buck-dcdc模块电路开启，此时，电源电路向后级用电电路供电；因此，在本方案中主电源开关打开后，旁路恒流电路，使得恒流电路不工作，这样就有效的避免浪涌电流冲击，进而避免前端电路误动作导致的本安电源过流或短路保护，同时电源电路启动过程中，系统启动电压呈线性增长，具备良好的负载特性，间接增强了本安电源带负载的能力。
[0011]
同时，当电源电路断电后，断电快速复位电路工作，使得延时电路快速复位。这样能快速的将延时电路初始化，确保系统在下次上电时能延时启动主电源开关和buck-dcdc模块电路；这样便于下次系统上电时实现缓启动效果，实现系统频繁热插拔功能。
[0012]
因此，本发明以解决设备启动峰值电流大及电源带载能力弱为目标，具备上电延时、预恒流充电、断电快速恢复等多种功能，能够实现负载启动电压线性增长，消除启动浪涌电流影响，带容性负载能力强、断电快速恢复，能增强本安电源带载能力。
[0013]
优选的，所述断电快速复位电路包括三极管q1、电阻r1和二极管d1，所述三极管q1的发射极用于与所述延时电路连接，所述三极管q1的集电极接地，所述三极管q1的基极与所述电阻r1的一端连接，所述电阻r1的另一端与所述二极管d1的阳极连接，所述二极管d1的阴极用于与所述主电源开关的输入端连接。
[0014]
这样，断电快速复位电路能快速的将延时电路初始化，从而确保电源电路在下次上电时能延时启动主电源开关和buck-dcdc模块电路，从而在电源电路上电时实现缓启动效果，实现系统频繁热插拔功能。
[0015]
优选的，所述使能电路包括滞回比较器，所述滞回比较器采用恒压源提供基准电压，所述使能电路具有第一输出端outa和第二输出端outb，所述使能电路的第一输出端outa与所述buck-dcdc模块电路连接，并在所述第一输出端outa为高电平时控制所述buck-dcdc模块电路开启，在所述第一输出端outa为低电平时控制所述buck-dcdc模块电路关断，所述使能电路的第二输出端outb与所述主电源开关连接，并在所述第二输出端outb为高电平时控制所述主电源开关关断，在所述第二输出端outb为低电平时控制所述主电源开关开启。
[0016]
这样，通过对使能电路第一输出端outa和第二输出端outb电平的控制，就可以实现对主电源开关和buck-dcdc模块电路的开启和关断，使能电路与延时电路配合，共同实现电源电路的缓启动。
[0017]
优选的，所述恒流电路包括可调恒流源电路和输出防反电路，所述输出防反电路包括二极管d2，所述二极管d2的阳极与所述可调恒流源电路的输出端连接，所述二极管d2的阴极与所述电容c连接。
[0018]
这样，恒流电路包括可调恒流源电路和输出防反电路，可调恒流源电路可以根据需要以恒定的电流大小对电容c进行充电，使得电容c两端的电压线性上升，输出防反电路能有效防止电流的反向流动。
[0019]
优选的，所述buck-dcdc模块电路包括基于buck变换的降压电路、输出滤波电路和反馈电路；所述延时电路包括可调积分电路。
[0020]
这样，buck-dcdc模块电路用于输出给定电压等级向后级用电电路供电； buck-dcdc模块电路中的降压电路可采用分立器件，也可采用集成电路；延时电路包含的可调积分电路，能够精确控制主电源开关及buck-dcdc模块电路的开启时间。
[0021]
优选的，所述使能电路的第二输出端outb通过稳压二极管d3与所述主电源开关连接，且所述稳压二极管d3的阳极与所述使能电路的第二输出端outb连接，所述稳压二极管d3的阴极与所述主电源开关连接。
[0022]
这样，通过设置稳压二极管d3，保证第二输出端outb的信号单向稳定的输出到主电源开关，保证第二输出端outb的输出信号对主电源开关的控制作用。
[0023]
一种具有预恒流启动及快恢复功能的电源电路的工作方法，采用上述具有预恒流启动及快恢复功能的电源电路，包括以下步骤：步骤1）电源电路上电，所述恒流电路启动并给所述电容c充电，使得所述电容c两端的电压线性上升，所述使能电路控制所述主电源开关和所述buck-dcdc模块电路关断，电源电路未向后级用电电路供电；步骤2）当所述电容c充满后，所述电容c两端的电压达到设定电压，所述延时电路工作，经过第一延时时间t1后，所述使能电路在控制所述主电源开关开启，所述主电源开关开启的同时将使得所述恒流电路断开；经过第二延时时间t2后，所述使能电路控制所述buck-dcdc模块电路开启，此时，电源电路向后级用电电路供电；步骤3）当电源电路断电后，所述断电快速复位电路工作，使得所述延时电路快速复位。
[0024]
这样，本发明在电源电路上电后，先利用恒流电路对电容c进行充电，使得系统启动电压呈线性增长，具有良好的负载特性，增强带负载的能力；同时当主电源开关打开后，旁路恒流电路使得恒流电路不工作，这样就可以有效的避免浪涌电流的冲击；另外，电源电
路断电后，延时电路在断电快速复位电路的作用下能够快速复位，从而确保系统在每次上电时均能达到延时启动主电源开关和buck-dcdc模块电路的目的，实现缓启动效果，保证系统在频繁热插拔操作下也能正常稳定的工作。
[0025]
优选的，所述使能电路包括滞回比较器，所述滞回比较器采用恒压源提供基准电压，所述使能电路具有第一输出端outa和第二输出端outb，所述使能电路的第一输出端outa与所述buck-dcdc模块电路连接，并在所述第一输出端outa为高电平时控制所述buck-dcdc模块开启，在所述第一输出端outa为低电平时控制所述buck-dcdc模块关断，所述使能电路的第二输出端outb与所述主电源开关连接，并在所述第二输出端outb为高电平时控制所述主电源开关关断，在所述第二输出端outb为低电平时控制所述主电源开关开启；步骤1）中，所述恒流电路给所述电容c充电过程中，所述使能电路的第一输出端outa输出低电平以使得所述buck-dcdc模块电路关断，所述使能电路的第二输出端outb输出高电平以使得所述主电源开关关断。
[0026]
优选的，步骤2）中，当所述电容c两端的电压达到设定电压时，所述延时电路工作，在经过第一延时时间t1后，所述使能电路的第二输出端outb输出低电平以使得所述主电源开关开启，同时第一输出端outa由低电平变为高阻状态，在经过第二延时时间t2后，所述buck-dcdc模块电路开启，电源电路向后级用电电路正常供电。
[0027]
这样，在电容c两端电压达到设定值后再延时一定的时间后依次启动主电源开关和buck-dcdc模块电路，同时断开恒流电路，确保buck-dcdc模块电路始终在电容c充满电后再开启，消除了浪涌电流的影响。
[0028]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：1、本发明彻底消除了系统上电的浪涌冲击，系统启动电压呈线性增长，具备良好的负载特性，间接增强了本安电源带多负载的能力。
[0029]
2、本发明支持系统热插拔，即使系统频繁热插拔，仍然能体现优越的抗浪涌电流冲击特性，不会导致同电源设备重启，系统恢复时间小于500ms。
[0030]
3、本发明具备良好的一致性，基本不受器件及高低温差异影响。
附图说明
[0031]
图1为本发明具有预恒流启动及快恢复功能的电源电路的原理框图；图2为本发明具有预恒流启动及快恢复功能的电源电路的电路原理图；图3为采用本发明具有预恒流启动及快恢复功能的电源电路时的波形图；图4为采用本发明具有预恒流启动及快恢复功能的电源电路及采用现有技术的电源电路在本安电源供电时的波形对比图（带1.5a负载）；图5为采用本发明具有预恒流启动及快恢复功能的电源电路及采用现有技术的电源电路在直流稳压电源供电时的波形对比图（带1.5a负载）。
[0032]
附图标记说明：主电源开关1、恒流电路2、延时电路3、断电快速复位电路4、使能电路5、buck-dcdc模块电路6。
具体实施方式
[0033]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
[0034]
如附图1所示，具有预恒流启动及快恢复功能的电源电路，包括主电源开关1、恒流电路2、断电快速复位电路4、使能电路5、延时电路3和buck-dcdc模块电路6，在主电源开关1的输出端还连接有电容c，电容c的另一端接地；恒流电路2与主电源开关1并联连接，恒流电路2在主电源开关1断开时向电容c充电，以使得电容c两端的电压线性增大；断电快速复位电路4的输入端与主电源开关1的输入端电连接，断电快速复位电路4的输出端与延时电路3电连接，断电快速复位电路4用于在电源电路断电时快速复位延时电路3；使能电路5分别与主电源开关1和buck-dcdc模块电路6电连接，用于控制主电源开关1和buck-dcdc模块电路6的开启与关断；延时电路3与使能电路5电连接，延时电路3向使能电路5输出延时控制信号，以使得使能电路5通过该延时控制信号控制主电源开关1和buck-dcdc模块电路6的开启时间；buck-dcdc模块电路6与后级用电电路连接，用于在主电源开关1闭合时向后级用电电路供电。
[0035]
本发明的工作原理是：本发明的电源电路在工作时，电源电路上电，恒流电路2启动并给电容c充电，使得电容c两端的电压线性上升，此时使能电路5控制主电源开关1和buck-dcdc模块电路6关断，电源电路未向后级用电电路供电；当电容c充满后，电容c两端的电压达到设定电压，延时电路3工作，经过第一延时时间t1后，使能电路5在控制主电源开关1开启，主电源开关1开启的同时将使得恒流电路2断开；经过第二延时时间t2后，使能电路5控制buck-dcdc模块电路6开启，此时，电源电路向后级用电电路供电；因此，在本方案中主电源开关1打开后，旁路恒流电路2，使得恒流电路2不工作，这样就有效的避免浪涌电流冲击，进而避免前端电路误动作导致的本安电源过流或短路保护，同时电源电路启动过程中，系统启动电压呈线性增长，具备良好的负载特性，间接增强了本安电源带负载的能力。
[0036]
同时，当电源电路断电后，断电快速复位电路4工作，使得延时电路3快速复位。这样能快速的将延时电路3初始化，确保系统在下次上电时能延时启动主电源开关1和buck-dcdc模块电路6；这样便于下次系统上电时实现缓启动效果，实现系统频繁热插拔功能。
[0037]
因此，本发明以解决设备启动峰值电流大及电源带载能力弱为目标，具备上电延时、预恒流充电、断电快速恢复等多种功能，能够实现负载启动电压线性增长，消除启动浪涌电流影响，带容性负载能力强、断电快速恢复，能增强本安电源带载能力。
[0038]
如附图2所示，在本实施例中，断电快速复位电路4包括三极管q1、电阻r1和二极管d1，三极管q1的发射极用于与延时电路3连接，三极管q1的集电极接地，三极管q1的基极与电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端与二极管d1的阳极连接，二极管d1的阴极用于与主电源开关1的输入端连接。
[0039]
这样，断电快速复位电路4能快速的将延时电路3初始化，从而确保电源电路在下次上电时能延时启动主电源开关1和buck-dcdc模块电路6，从而在电源电路上电时实现缓启动效果，实现系统频繁热插拔功能。
[0040]
在本实施例中，使能电路5包括滞回比较器，滞回比较器采用恒压源提供基准电压，使能电路5具有第一输出端outa和第二输出端outb，使能电路5的第一输出端outa与buck-dcdc模块电路6连接，并在第一输出端outa为高电平时控制buck-dcdc模块电路6开
启，在第一输出端outa为低电平时控制buck-dcdc模块电路6关断，使能电路5的第二输出端outb与主电源开关1连接，并在第二输出端outb为高电平时控制主电源开关1关断，在第二输出端outb为低电平时控制主电源开关1开启。
[0041]
这样，通过对使能电路5第一输出端outa和第二输出端outb电平的控制，就可以实现对主电源开关1和buck-dcdc模块电路6的开启和关断，使能电路5与延时电路3配合，共同实现电源电路的缓启动。
[0042]
在本实施例中，恒流电路2包括可调恒流源电路和输出防反电路，输出防反电路包括二极管d2，二极管d2的阳极与可调恒流源电路的输出端连接，二极管d2的阴极与电容c连接。
[0043]
这样，恒流电路2包括可调恒流源电路和输出防反电路，可调恒流源电路可以根据需要以恒定的电流大小对电容c进行充电，使得电容c两端的电压线性上升，输出防反电路能有效防止电流的反向流动。
[0044]
在本实施例中，buck-dcdc模块电路6包括基于buck变换的降压电路、输出滤波电路和反馈电路；延时电路3包括可调积分电路。
[0045]
这样，buck-dcdc模块电路6用于输出给定电压等级向后级用电电路供电； buck-dcdc模块电路6中的降压电路可采用分立器件，也可采用集成电路；延时电路3包含的可调积分电路，能够精确控制主电源开关1及buck-dcdc模块电路6的开启时间。
[0046]
在本实施例中，使能电路5的第二输出端outb通过稳压二极管d3与主电源开关1连接，且稳压二极管d3的阳极与使能电路5的第二输出端outb连接，稳压二极管d3的阴极与主电源开关1连接。
[0047]
这样，通过设置稳压二极管d3，保证第二输出端outb的信号单向稳定的输出到主电源开关1，保证第二输出端outb的输出信号对主电源开关1的控制作用。
[0048]
一种具有预恒流启动及快恢复功能的电源电路的工作方法，采用上述具有预恒流启动及快恢复功能的电源电路，包括以下步骤：步骤1）电源电路上电，恒流电路2启动并给电容c充电，使得电容c两端的电压线性上升，使能电路5控制主电源开关1和buck-dcdc模块电路6关断，电源电路未向后级用电电路供电；步骤2）当电容c充满后，电容c两端的电压达到设定电压，延时电路3工作，经过第一延时时间t1后，使能电路5在控制主电源开关1开启，主电源开关1开启的同时将使得恒流电路2断开；经过第二延时时间t2后，使能电路5控制buck-dcdc模块电路6开启，此时，电源电路向后级用电电路供电；步骤3）当电源电路断电后，断电快速复位电路4工作，使得延时电路3快速复位。
[0049]
这样，本发明在电源电路上电后，先利用恒流电路2对电容c进行充电，使得系统启动电压呈线性增长，具有良好的负载特性，增强带负载的能力；同时当主电源开关1打开后，旁路恒流电路2使得恒流电路2不工作，这样就可以有效的避免浪涌电流的冲击；另外，电源电路断电后，延时电路3在断电快速复位电路4的作用下能够快速复位，从而确保系统在每次上电时均能达到延时启动主电源开关1和buck-dcdc模块电路6的目的，实现缓启动效果，保证系统在频繁热插拔操作下也能正常稳定的工作。
[0050]
在本实施例中，使能电路5包括滞回比较器，滞回比较器采用恒压源提供基准电
压，使能电路5具有第一输出端outa和第二输出端outb，使能电路5的第一输出端outa与buck-dcdc模块电路6连接，并在第一输出端outa为高电平时控制buck-dcdc模块开启，在第一输出端outa为低电平时控制buck-dcdc模块关断，使能电路5的第二输出端outb与主电源开关1连接，并在第二输出端outb为高电平时控制主电源开关1关断，在第二输出端outb为低电平时控制主电源开关1开启；步骤1）中，恒流电路2给电容c充电过程中，使能电路5的第一输出端outa输出低电平以使得buck-dcdc模块电路6关断，使能电路5的第二输出端outb输出高电平以使得主电源开关1关断。
[0051]
在本实施例中，步骤2）中，当电容c两端的电压达到设定电压时，延时电路3工作，在经过第一延时时间t1后，使能电路5的第二输出端outb输出低电平以使得主电源开关1开启，同时第一输出端outa由低电平变为高阻状态，在经过第二延时时间t2后，buck-dcdc模块电路6开启，电源电路向后级用电电路正常供电。
[0052]
这样，在电容c两端电压达到设定值后再延时一定的时间后依次启动主电源开关1和buck-dcdc模块电路6，同时断开恒流电路2，确保buck-dcdc模块电路6始终在电容c充满电后再开启，消除了浪涌电流的影响。
[0053]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：1、本发明彻底消除了系统上电的浪涌冲击，系统启动电压呈线性增长，具备良好的负载特性，间接增强了本安电源带多负载的能力。
[0054]
2、本发明支持系统热插拔，即使系统频繁热插拔，仍然能体现优越的抗浪涌电流冲击特性，不会导致同电源设备重启，系统恢复时间小于500ms。
[0055]
3、本发明具备良好的一致性，基本不受器件及高低温差异影响。
[0056]
下面结合附图3进一步说明本发明工作时启动时序机理，其中1为输入电压波形，2为电源电路内部启动电压波形，3为buck-dcdc模块电路6输出电压波形。
[0057]
t0时刻电源电路上电，恒流电路2工作，电容c两端电压成线性增长，当电容c两端的电压达到设定电压（设定电压接近于输入电压，在本实施例中，设定电压为输入电压减去二极管的管压降）时缓慢增长至t1时刻主电源开关1打开，此时旁路恒流电路2使得恒流电路2断开；再经过一段时间至t3时刻buck-dcdc模块电路6使能并开始工作，整个系统进入稳定工作状态，整个启动过程无浪涌电流，呈现良好的线性启动特性。
[0058]
如附图4为采用本发明的电源电路（左）和现有技术的电源电路（右）在本安电源供电时启动过程的波形对比，附图5为采用本发明的电源电路（左）和现有技术的电源电路（右）在直流稳压电源供电时启动过程的波形对比。其中1为输入电压波形，2为电源电路内部启动电压波形，3为buck-dcdc模块电路6输出电压波形，通过与两种不同的电源供电做对比分析，现有技术的供电方案电路要么无法正常启动，要么在启动过程中会出现电流的跃变，并且容性负载的电容值越大，电流跃变越明显；而本发明所对应的电源电路均能保持良好的线性启动特性，进而可变相增大电源带载能力。
[0059]
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。