智能型礦用隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計

侯立兵

摘要：文章提出了一種智能型礦用隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源（以下簡稱本安電源）的設(shè)計方案，介紹了該電源的主要電路的設(shè)計。該電源采用LM2576HV開關(guān)穩(wěn)壓集成電路來實現(xiàn)穩(wěn)壓功能，提高了電源的轉(zhuǎn)換效率，減小了輸出紋波噪聲；采用由過流檢測電阻、雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)芯片、大功率三極管等組成的雙重化過流和過壓保護(hù)電路，提高了本安電源的可靠性。

關(guān)鍵詞：智能型礦用本安電源；STM32F103；CAN總線；電路設(shè)計；煤炭開采 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TD611 文章編號：1009-2374（2017）05-0222-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.108

隨著煤礦現(xiàn)代化程度的不斷提高，對煤礦供電的可靠性、安全性提出越來越高的要求。本安電源是煤礦井下的重要電氣設(shè)備，它的安全運行是現(xiàn)代化煤礦中其他礦井下各類電氣設(shè)備高效率、高質(zhì)量運轉(zhuǎn)的保證。但是由于礦井下特殊的工作環(huán)境和其他原因，目前，煤礦井下本安電源的管理還存在若干問題：首先，礦井下本安電源種類繁多、獨立性強，若不在現(xiàn)場很難檢測它們的工作狀態(tài)；其次，這些電源的功能參數(shù)各不相同，電源的維護(hù)管理也不統(tǒng)一。如果礦井下現(xiàn)場設(shè)備的供電情況不能在第一時間獲取，一旦發(fā)生電源故障，不僅影響設(shè)備運行，還可能導(dǎo)致重大事故的發(fā)生。

近年來，數(shù)字礦山的提出使得本安電源已經(jīng)由獨立的外部設(shè)備產(chǎn)品發(fā)展成為整個通信系統(tǒng)不可分割的一部分。這不僅要求本安電源具備傳統(tǒng)的供電、防爆等功能，而且應(yīng)該通過CAN通信接口、以太網(wǎng)通信接口或458總線等具備智能通訊的能力，以實現(xiàn)本安電源可方便快捷的接入數(shù)字通信系統(tǒng)中?；诖?，本文提出了一種智能型礦用隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計，能夠解決當(dāng)前電源獨立、管理不規(guī)范、供電情況不明以及電源故障情況等，實現(xiàn)本安電源的網(wǎng)絡(luò)化、智能化。

1 智能型本安電源結(jié)構(gòu)

本安型電路是指在規(guī)定的試驗條件下正常工作或在規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不能點燃規(guī)定的爆炸性氣體混合物的電路。智能本安型電源的設(shè)計目的是保證操作者的人身安全、防止出現(xiàn)事故后電源故障、電源不正常時能夠自我修復(fù)或及時斷電報警、通過網(wǎng)絡(luò)控制與監(jiān)測電源工作情況等。因此，智能本安電源的設(shè)計采用降壓、整流、穩(wěn)壓、過流過壓保護(hù)、充電及快速切斷模塊、CAN通信接口模塊、微控制器模塊。本文設(shè)計的本安電源原理框圖如圖1所示。

交流電通過隔爆電磁開關(guān)直接控制整個電源的交流輸入，再將交流電輸入變壓器降壓，經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓電路1輸出直流電，給蓄電池充電。用過整流、濾波、穩(wěn)壓電路2輸出的直流電給負(fù)載供電，經(jīng)過切換電路，所選擇的一路輸出電壓經(jīng)過穩(wěn)壓、多重過流和過壓保護(hù)電路輸出可靠的本安電源。微控制器STM32F103模塊主要采集的備用蓄電池電壓值、本安輸出電壓值以及各種報警狀態(tài)等參數(shù)。CAN通信接口模塊將微控制器STM32F103模塊采集的數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡(luò)，通過上位機對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計，給出當(dāng)前電源的運行情況，監(jiān)控室也可以通過網(wǎng)絡(luò)控制電源的輸出狀態(tài)，實現(xiàn)電源的智能化、網(wǎng)絡(luò)化管理。

2 電源硬件原理與實現(xiàn)

該本安電源由交流變壓及整流濾波電路、直流穩(wěn)壓電路、多重保護(hù)電路、充電及切換電路、微控制器系統(tǒng)電路、CAN接口電路等組成。

2.1 交流變壓及整流濾波原理

由于是煤礦井下電網(wǎng)供電的本安型電氣設(shè)備，則降壓所用的變壓器采用R型隔離變壓器，其輸入側(cè)采用變壓器抽頭方式。變壓器輸出24V和25V兩組交流電壓，整流濾波后輸出直流電壓，其中一路給本安輸出，另一路給蓄電池充電。如圖1所示，上面一路從變壓器25V輸出側(cè)引出，經(jīng)整流濾波電路1，通過穩(wěn)壓充電電路，為蓄電池充電；下面一路從變壓器24V輸出側(cè)引出，經(jīng)整流濾波電路2，輸出約32V的直流電壓，與蓄電池的輸出電壓通過切換電路進(jìn)行比較后選擇一路經(jīng)LM2576HV穩(wěn)壓開關(guān)電路，為本安輸出提供電源。

2.2 直流穩(wěn)壓開關(guān)電路

穩(wěn)壓電路核心器件采用可調(diào)的LM2576HV-ADJ開關(guān)穩(wěn)壓集成電路，解決了傳統(tǒng)的固定式穩(wěn)壓器和電位器調(diào)壓時精度不足的問題。LM2576HV內(nèi)置有完善的保護(hù)電路，包括電流限制和熱關(guān)斷電路等，利用該器件只需很少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路，此外，該芯片還提供了工作狀態(tài)的外部控制引腳，該引腳的電平受微控制器STM32F103控制。

2.3 過壓、過流保護(hù)電路

由于井下存在眾多可燃性氣體，當(dāng)出現(xiàn)電路因過壓、過流而導(dǎo)致負(fù)載短路或者火花時，嚴(yán)重影響到煤礦的安全。故本安電源的設(shè)計中必須通過多重的過流、過壓保護(hù)電路，防止事故發(fā)生，該設(shè)計性能的好壞將直接影響整個系統(tǒng)是否具有實用的價值。如圖2所示，本安電源輸出電路整體思想是控制MOS管Q5和Q6的導(dǎo)通或關(guān)斷來實現(xiàn)的，電源過壓過流時，三極管Q4導(dǎo)通，集電極輸出18V，使得P溝道MOS管Q5截止；同時，N溝道MOS管Q6的G極電平為0，使Q6截止從而切斷負(fù)載的輸出。

當(dāng)電路出現(xiàn)過流或短路故障時，如圖2所示，電阻R32的電流增大，導(dǎo)致過流檢測點VIN_I的電壓大于閥值 [ ]，經(jīng)過圖3中比較器LM393（U3）的處理，使得輸出端（U3的第7腳）呈低電平，再經(jīng)過比較電路LM393（U6）的處理，使得U6的第7腳輸出為低電平，這個低電平信號直接控制圖2中的三極管Q4，使Q4導(dǎo)通，Q5截止，切斷本安電源的輸出，起到過電流或短路保護(hù)作用。另一路過流或短路保護(hù)電路控制MOS管Q6，原理與其一致。

當(dāng)電路出現(xiàn)過壓時，如圖3所示，直流穩(wěn)壓開關(guān)電路輸出電壓大于18V，電壓采樣點VIN_V大于閥值

[ ]，經(jīng)過比較器LM393（U3）的處理，使得輸出端（U3的第1腳）呈低電平，再經(jīng)過比較電路LM393（U6）的處理，使得U6的第7腳輸出呈低電平，這個低電平信號直接控制圖2中的三極管Q4，使Q4導(dǎo)通，Q5截止，切斷本安電源的輸出，起到過電壓保護(hù)作用。另一路過電壓保護(hù)電路控制Q6，原理與其一致，這里不再詳述。

圖3中所示的雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)芯片HEF4528，它的功能是在正常情況下HEF4528的第6引腳輸出的低電平，第6引腳連接的三極管Q7處于不導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)HEF4528的第5引腳收到一個低電平（即出現(xiàn)了過壓或過流的情況），第6引腳就會輸出一個高電平使三極管Q7導(dǎo)通，圖2中電阻R17左端的電壓就成了低電平也就達(dá)到了上面所說的關(guān)閉MOS管的目的。但是過了一定時間，HEF4528的第6引腳又會重新回到原來的狀態(tài)，使整個電路繼續(xù)工作。這樣一定時間的延遲起到保護(hù)芯片的作用，防止芯片電平變化過快使芯片易于損壞。

2.4 充電及切換電路

當(dāng)主電源停止供電時，可以通過切換電路使蓄電池開始工作，減少因供電而引起的各種問題。變壓器副邊輸出25V交流電，經(jīng)過整流濾波電路1可得到約為34V的直流電壓，如圖4所示，調(diào)整電位器VR1，使三端集成直流穩(wěn)壓器LM317輸出29V的直流壓。LM317的輸出電壓范圍為1.2～37V，負(fù)載電流最大為1.5A。

圖4中所示的本安電源的充電電路部分，采用一個固定電阻R1和一個電位器VR1，調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。剛上電LM317輸出29V時，P溝道MOS管Q2是不導(dǎo)通的，沒有給鎳氫電池充電。則R4分得電壓為24V，即MOS管Q2的Vgs=（24-29）=-5V，Q2導(dǎo)通，給鎳氫電池充電，Id（充電電流）比較大。在充電過程中Vs慢慢減小，Vgs<0且慢慢增大，則充電電流Id減小。蓄電池充電一般分為快速充電、補足充電、涓流充電三個階段。如果在工作過程中，變壓器原邊失去電源輸入，則LM317的輸出端輸出為0V，LM393（U2）的第3腳為0V，由于U2的第2腳穩(wěn)壓到18V，則U2的第1腳輸出為低電平，則MOS管Q3的Vgs小于0，Q3導(dǎo)通，鎳氫電池給直流穩(wěn)壓開關(guān)電路LM2576HV供電，確保本安電源正常輸出。如果變壓器原邊電壓正常，則LM317為29V正常輸出，R11分得電平為29×R11/（R11+R10），高于18V，LM393（U2）的第1腳輸出高電平，MOS管Q3截止，則鎳氫電池不給直流穩(wěn)壓開關(guān)電路LM2576供電，鎳氫電池處于浮充狀態(tài)。

2.5 微控制器系統(tǒng)及CAN接口電路

文中智能型本安電源的設(shè)計采用微控制器STM32F103C8T6來采集備用蓄電池電壓（BATT_V信號）、本安輸出電壓（VIN_V信號）以及各種報警狀態(tài)等參數(shù)，利用CAN總線傳輸技術(shù)，把采集到的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控室，值班人員根據(jù)這些參數(shù)可了解電源的運行狀況，可遠(yuǎn)程控制本安電源的輸出狀態(tài)，以實現(xiàn)本安電源的智能化、網(wǎng)絡(luò)化。微控制器系統(tǒng)及CAN接口電路如圖5所示：

STM32F103C8T6具有高性能、低成本、低功耗等特點。CAN收發(fā)器選用NXP的高速CAN收發(fā)器TJA1040，具有速率高、低功耗、電磁性能優(yōu)越等特點，自檢錯能力強，還可工作于睡眠模式。采用高速光耦6N137來實現(xiàn)收發(fā)器與控制器之間的電氣隔離，保護(hù)系統(tǒng)電路。

3 結(jié)語

設(shè)計了一種智能型礦用本安電源，通過使用LM2576HV開關(guān)穩(wěn)壓集成電路實現(xiàn)穩(wěn)壓功能；其中多重保護(hù)電路和充電及切換電路的設(shè)計，使得該智能型本安電源具有高轉(zhuǎn)換效率、不間斷供電、低成本等優(yōu)點。同時采用微控制器STM32F103來采集備用蓄電池電壓、本安輸出電壓以及各種報警狀態(tài)等參數(shù)，利用CAN總線傳輸技術(shù)，把采集到的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控室，值班人員根據(jù)這些參數(shù)可了解電源的運行狀況，可遠(yuǎn)程控制本安電源的輸出狀態(tài)，以實現(xiàn)本安電源的智能化、網(wǎng)絡(luò)化。智能本安電源非常適合為目前煤礦下的各種監(jiān)測和監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備提供本安電源，具有很好的應(yīng)用前景。

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（責(zé)任編輯：秦遜玉）