技术领域
[0001] 本
发明属于本质安全型防爆技术领域，具体涉及用于单体电池的安全栅，和安全栅的电路设计。
背景技术
[0002] 安全栅应用于需要本质安全型防爆的系统，其输入端是非本质安全电路，输出端是本质安全电路。安全栅电路的主要功能是限制供给本质安全电路的
电压和
电流。
[0003] 单体电池是通过正、负极能够独立放电工作的最小电池单元。单体电池电源的三个特点是
输出电压低，输出电流大，内阻低。单体电池根据制造材料和放电原理，其输出电压的标称值通常在1.2V至3.7V之间，如猛锌电池是1.5V、铅酸电池是2.2V、
氧化
银电池是1.55V、锂电池是3.7V。单体电池最大输出电流通常在2A以上。单体电池内阻低，一般在100mΩ以内。
[0004] 用单体电池作输入端的安全栅，为了更好的配合单体电池的性能，在符合本质安全的前提下，也应该同时具备三个特点，即输入电压低，输出电流大，导通
电阻低。输入电压低是因为单体电池本身输出电压仅为1.2V至3.7V。输出电流大是为了发挥单体电池的带载能
力，安全栅的一个关键功能是限制输出电流，但是如果把输出电流限制的太小，虽满足了本质安全的要求，却牺牲了电池输出功率的能力，最大输出电流应在1A以上。导通电阻低是一个重要指标，单体电池放电时，一部分电压会降在安全栅上，只有安全栅内阻足够低，才能保证输出端有足够的电压，导通电阻应在100 mΩ以下。
[0005] 通常的安全栅电路不满足上述三个要求，不适用于单体电池，因此需要设计一种用于单体电池的安全栅电路。
发明内容
[0006] 本发明的目的是针对为单体电池提供防爆安全栅的需求，提出一种安全栅电路，具有输入电压低，输出电流大和导通电阻低的特点。
[0007] 本发明
专利解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于单体电池的安全栅电路，包括升压电源模
块、电压基准模块、电流
采样模块和通断控
制模块；所述的升压电源模块分别与安全栅输入端以及电压基准模块和通断
控制模块连接，包括升压电源芯片、升压电源外围电路和升压电源限压限流电路，所述升压电源芯片是专为单体电池电压抬升设计的电源芯片，升压电源芯片输入为安全栅输入端正极和负极，且升压电源芯片输出电压高于单体电池电压，用于驱动安全栅内电压基准模块和通断控制模块工作，所述升压电源外围电路包括电源芯片输入端电容、输出端电容和电感，是升压电源芯片工作必须的辅助器件；所述升压电源限压限流电路包括稳压管和熔断器，用于限制升压电源芯片的电流和输出电压；
所述的电压基准模块同时与升压电源模块和通断控制模块连接，包括电压基准源芯片和分压电阻；所述电压基准源芯片从升压电源模块取电，输出幅值精确、稳定的直流电压
信号；所述分压电阻对电压基准源芯片的输出作进一步分压，得到通断控制模块所需的基准电压信号；
所述的电流采样模块通过一个毫欧级的精密电阻与安全栅输入端和通断控制模块连接；
所述的通断控制模块分别与安全栅输入端、升压电源模块、电压基准模块、电流采样模块以及安全栅输出端连接，包括比较器芯片、比较器外围电路和场效应管；所述比较器芯片由升压电源模块供电，比较器芯片的一对信号输入引脚分别接电压基准模块和电流采样模块；所述比较器外围电路包括比较器输入限流电阻、比较器输出上拉电阻和比较器输出接地电容，是比较器芯片工作必须的辅助器件。
[0008] 所述的一种用于单体电池的安全栅电路，其电流采样模块连接在安全栅输入端负极与通断控制模块之间、或者连接在安全栅输入端正极与通断控制模块之间。
[0009] 进一步，所述的场效应管的漏源通态电阻RDS低至毫欧级，控制负极电路或正极电路的通断：控制负极电路通断时，场效应管是N
沟道型；控制正极电路通断时，场效应管为P沟道型。
[0010] 更进一步，所述的场效应管为N沟道型，源极S接电流采样模块，栅极G接比较器芯片的输出，漏极D接安全栅输出端负极，通断控制模块内正极电路
输入侧与
输出侧直接导通。
[0011] 更进一步，所述的场效应管为P沟道型，源极S接通断控制模块输入侧正极，栅极G接比较器芯片的输出，漏极D接通断控制模块输出侧正极。
[0012] 更进一步，所述的场效应管为P沟道型，源极S接电流采样模块，栅极G接比较器芯片输出，漏极D接安全栅输出端正极，通断控制模块内负极电路输入侧与输出侧直接导通。
[0013] 更进一步，所述的场效应管为N沟道型，源极S接通断控制模块输入侧负极，栅极G接比较器芯片的输出，漏极D接通断控制模块输出侧负极。
[0014] 本发明的有益效果是：本专利安全栅电路输入端连接单体电池时，输出端既符合本质安全要求，又具有较强的带载能力，同时安全栅上压降小，能很好的发挥单体电池的性能，具有输入电压低，导通电阻低，输出电流大的特点，应用于单体电池供电，同时需要本质安全型防爆的场景，能很好的发挥单体电池的放电性能。
附图说明
[0015] 图1是本发明第一实施方案的结构
框图；图2是本发明第一实施方案的电路原理图；
图3是本发明第二实施方案的电路原理图；
图4是本发明第三实施方案的结构框图；
图5是本发明第三实施方案的电路原理图；
图6是本发明第四实施方案的电路原理图。
[0016] 各附图标记为：1—升压电源模块，2—电压基准模块，3—电流采样模块，4—通断控制模块。
具体实施方式
[0017] 下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步说明。
[0018] 本发明在对单体电池特性研究的
基础上，提出一种安全栅电路设计方案，应用于单体电池供电，同时需要本质安全型防爆的场景，能很好的发挥单体电池的放电性能。
[0019] 实施方案一本发明的第一实施方案涉及用于单体电池的安全栅电路，如图1所示，包括升压电源模块1，电压基准模块2，电流采样模块3，通断控制模块4。升压电源模块1分别与安全栅输入端、电压基准模块2、通断控制模块4连接。电压基准模块2与升压电源模块1和通断控制模块
4连接。电流采样模块3与安全栅输入端负极和通断控制模块4连接。通断控制模块4分别与安全栅输入端、升压电源模块1、电压基准模块2、电流采样模块3和安全栅输出端连接。
[0020] 本实施方案中，如图2所示，升压电源模块1包括升压电源芯片U1、升压电源外围电路和升压电源限压限流电路。升压电源芯片U1是专为单体电池电压抬升设计的
开关电源芯片，芯片输入是安全栅输入端正极和负极，芯片输出电压高于单体电池电压，用于驱动安全栅内电压基准模块2和通断控制模块4工作。升压电源外围电路包括电源芯片输入端电容C1，输出端电容C2和电感L1，是升压电源芯片工作必须的辅助器件。升压电源限压限流电路包括稳压管D1和熔断器F1，用于限制升压电源芯片的电流和输出电压。
[0021] 本实施方案中，电压基准模块2包括电压基准源芯片U2和分压电阻R2、R3。电压基准源芯片U2从升压电源模块1取电，输出幅值精确、稳定的直流电压信号。分压电阻R2和R3对电压基准源芯片U2的输出作进一步分压，得到通断控制模块所需的基准电压信号V1。
[0022] 本实施方案中，电流采样模块3包括毫欧级的精密电阻R1，电阻R1一侧接安全栅输入端负极，另一端接通断控制模块4。当有安培级的电流通过电流采样模块3时，电阻R1两端产生一个毫伏级的压降V2，压降V2和安全栅的输出电流Io成正比。
[0023] 本实施方案中，通断控制模块4包括比较器芯片U3、比较器外围电路以及场效应管NMOS1。比较器芯片U3由升压电源模块1驱动，信号输入正脚接电压基准模块2，输入负脚接电流采样模块3。比较器外围电路包括比较器输入负脚限流电阻R4、比较器输出上拉电阻R5以及比较器输出接地电容C3，是比较器芯片U3工作必须的辅助器件。场效应管NMOS1是N沟道型，漏源通态电阻RDS低至毫欧级，源极S接电流采样模块3，栅极G接比较器芯片U3输出，漏极D接安全栅输出端负极。通断控制模块4内正极电路输入侧与输出侧直接导通。
[0024] 下面根据本实施方案对本发明的安全栅电路工作原理作进一步说明。
[0025] 安全栅的功能是把非本质安全的
输入信号，进行限压限流处理，输出本质安全的
电信号，本安全栅电路的输入端连接单体电池。电池的输出电压由电化学反应原理决定，即使电池发生故障，其最大开路输出电压也不会上升，因此本安全栅电路对输入信号无须做限压保护。
[0026] 单体电池
短路时，瞬态电流可能很大，例如储能类电池短路电流通常可达一千安培以上，足以点燃爆炸性气体。因此本安全栅电路必须对单体电池的输出电流进行限制，当安全栅输出端电流Io小于设计的截止电流Ic时，电路导通，输出电压稳定，反之，当安全栅输出端电流Io达到并超过设计的截止电流Ic时，电路自动断开，输出电压被拉垮。
[0027] 本实施方案中，电流限制的功能是电路各个模块协同工作实现的，但是单体电池输出电压VB最低仅1.2V，无法驱动比较器芯片U3、场效应管NMOS1和电压基准源芯片U2运行，升压电源模块1把单体电池电压VB抬升至VC，驱动安全栅内
电子器件工作，是安全栅电路限流功能实现的必要条件。
[0028] 本实施方案中，电流限制的功能实现原理如下：当安全栅输出安培级电流IO时，电流采样模块3内的电阻R1两端产生一个毫伏级的压降V2，并满足V2 = IO× R1。电压基准模块2内，分压电阻R3两端电压是V1，通过合理选择电压基准芯片U1和分压电阻R2、R3，使R3两端电压满足V1 = IC× R1。通断控制模块4内，比较器芯片U3对V1和V2的大小进行比较，分为两种情况：（1）当安全栅输出端电流IO小于设计的截止电流IC时，V1小于V2，比较器芯片U3输出高电平，场效应管NMOS1源极S和漏极D导通。安全栅输出端电压为单体电池电压减去安全栅电路分压，即VO=VB - IO× (R1 + RDS) 。
[0029] （2）当安全栅输出端电流Io达到并超过设计的截止电流IC时，V1大于V2，比较器芯片U3输出低电平，场效应管NMOS1源极S和漏极D截止，安全栅输出电压被拉垮。电路截止以后，输出电流IO必然重新小于截止电流IC ，场效应管NMOS1会再次导通，导通后输出电流IO上升并再一次触发NMOS1截止。安全栅输出端的电压和电流是动态稳定的锯齿
波形，输出电压有效值不超过单体电池电压VB，输出电流有效值不超过截止电流IC。
[0030] 实施方案二本发明的第二实施方案如图3所示，与上述实施方案一不同的是，本实施方案控制的是正极电路通断，而负极电路持续导通。升压电源模块1、电压基准模块2和电流采样模块3的设计与实施方案一相同。
[0031] 本实施方案中，通断控制模块4包括比较器芯片U3，比较器外围电路，场效应管PMOS1。比较器芯片U3信号输入正脚接电流采样模块3，输入负脚接电压基准模块2。比较器外围电路包括比较器输入正脚限流电阻R4，比较器输出上拉电阻R5，比较器输出接地电容C3。场效应管PMOS1是P沟道型，漏源通态电阻RDS低至毫欧级，源极S接安全栅输入端正极，栅极G接比较器芯片U3输出，漏极D接安全栅输出端正极。通断控制模块4内负极电路输入侧与输出侧直接导通。
[0032] 实施方案三本发明的第三实施方案如图4所示，与上述实施方案一不同的是，本实施方案中电流采样模块3接在安全栅输入端正极与通断控制模块4之间。升压电源模块1和电压基准模块2的设计与实施方案一相同。
[0033] 本实施方案中，如图5所示，电流采样模块3包括毫欧级的精密电阻R1，电阻R1一侧接安全栅输入端正极，另一端接通断控制模块4。
[0034] 本实施方案中，通断控制模块4包括比较器芯片U3，比较器外围电路，场效应管PMOS1。比较器芯片U3由升压电源模块驱动，信号输入正脚接电流采样模块3，输入负脚接电压基准模块2。比较器外围电路包括比较器输入正脚限流电阻R4，比较器输出上拉电阻R5，比较器输出接地电容C3。场效应管PMOS1是P沟道型，漏源通态电阻RDS低至毫欧级，源极S接电流采样模块3，栅极G接比较器芯片U3输出，漏极D接安全栅输出端正极。通断控制模块4内负极电路输入侧与输出侧直接导通。
[0035] 实施方案四本发明的第二实施方案如图6所示，与上述实施方案三不同的是，本实施方案控制的是负极电路通断，而正极电路持续导通。升压电源模块1、电压基准模块2和电流采样模块3的设计与实施方案三相同。
[0036] 本实施方案中，通断控制模块4包括比较器芯片U3，比较器外围电路，场效应管NMOS1。比较器芯片U3信号输入正脚接电压基准模块2，负脚接电流采样模块3。比较器外围电路包括比较器输入负脚限流电阻R4，比较器输出上拉电阻R5，比较器输出接地电容C3。场效应管NMOS1是N沟道型，漏源通态电阻RDS低至毫欧级，源极S接安全栅输入端负极，栅极G接比较器芯片U3输出，漏极D接安全栅输出端负极。通断控制模块4内正极电路输入侧与输出侧直接导通。
[0037] 本发明的安全栅电路，在本质安全的前提下，具有输入电压低，导通电阻低，输出电流大的特点，理由如下：（a）本质安全：本发明的安全栅电路对单体电池的输出电流进行了限制，安全栅输出端电流不超过截止电流IC 。对安全栅内升压电源芯片U1的输出，设置了限流电阻R1，稳压管D1和熔断器F1进行限压限流。
[0038] （b）输入电压低：本发明的安全栅电路设计了升压电源模块1，驱动比较器等电子器件工作，输入端电压低至1.2V安全栅也能正常运行，适用于各种材料的单体电池。
[0039] （c）导通电阻低：本发明的安全栅电路，导通电阻是R1 + RDS，其中R1是毫欧级，通过合理选择场效应管型号，能将导通电阻控制在50毫欧以下。
[0040] （d）输出电流大：本发明的安全栅电路导通电阻仅为几十毫欧，安全栅输出1A电流时，安全栅的压降仅为几十毫伏，输出端电压不会被安全栅拉垮，因此能承受较大的输出电流。
[0041] 上述
实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干
变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
