環(huán)境空氣質(zhì)量檢測儀電源系統(tǒng)設(shè)計

王詩斌，汪永強

（北京英視睿達科技有限公司，北京 100071）

0 引 言

環(huán)境空氣質(zhì)量檢測儀是監(jiān)測大氣環(huán)境中PM2.5、PM10顆粒物濃度，SO2、NO2、O3、CO及TVOC污染物氣體濃度與風速、風向氣象參數(shù)的產(chǎn)品。產(chǎn)品采用ARM處理器，利用物聯(lián)網(wǎng)、智能型傳感器及GPRS無線通信技術(shù)，實時采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器上。產(chǎn)品是集光學、電化學、機械、物聯(lián)網(wǎng)、通信、電子及計算機技術(shù)于一體的新型設(shè)備，其中產(chǎn)品的電源系統(tǒng)設(shè)計是最基礎(chǔ)、最重要的一環(huán)，電源系統(tǒng)的設(shè)計直接影響產(chǎn)品運行的可靠性和性能指標的實現(xiàn)。

電源系統(tǒng)是將一次電源系統(tǒng)（電池和太陽能供電）提供的+48 V直流電源變換成產(chǎn)品所需要的電壓。電壓的質(zhì)量對不同部件工作的穩(wěn)定性和可靠性將產(chǎn)生重要影響[1]。同時要保證產(chǎn)品較高的可靠性，產(chǎn)品設(shè)計需要考慮其工作環(huán)境[2]。本文通過分析產(chǎn)品的工作環(huán)境，使設(shè)計的電源系統(tǒng)在滿足性能要求的同時，達到較高的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾性。

1 設(shè)備工作環(huán)境分析

環(huán)境空氣質(zhì)量檢測儀工作環(huán)境多樣，既可安裝在子站，也可安裝在工廠、工地、港口、道路交通、散煤燃燒、散亂污企業(yè)及餐飲密集區(qū)等。為適應(yīng)各種工作環(huán)境，設(shè)計時必須考慮電路保護問題。

2 設(shè)備保護電路設(shè)計

2.1 保護電路設(shè)計一般原則

根據(jù)產(chǎn)品的工作環(huán)境，輸入保護電路應(yīng)考慮以下功能[3]。

（1）輸入電源防接反設(shè)計。防止產(chǎn)品電源正負極接反而損壞。

（2）抑制浪涌。防止產(chǎn)品加斷電產(chǎn)生的浪涌。（3）防雷設(shè)計。防止產(chǎn)品雷擊損壞。

（4）電源濾波設(shè)計。防止產(chǎn)品的電源變換器開關(guān)噪聲等污染系統(tǒng)電源品質(zhì)。

（5）故障隔離設(shè)計。當出現(xiàn)短路時，能將故障隔離，防止故障范圍擴大。

2.2 整體電路設(shè)計

整體電路設(shè)計如圖1所示。

3 電源系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 輸入防接反設(shè)計

空氣質(zhì)量檢測儀是直流供電的設(shè)備，若電源接反，

圖1 設(shè)計框圖

會導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部電路燒壞。因此，采用MOS管型防反接保護電路。MOS管通過S管腳和D管腳串接于電源和負載之間，電阻Rg為MOS管提供電壓偏置，利用MOS管的開關(guān)特性控制電路的導(dǎo)通和斷開，從而防止電源反接給負載帶來損壞。輸入防接反設(shè)計如圖2所示。

3.2 防浪涌設(shè)計

產(chǎn)品內(nèi)有電源變換器，輸入端連接小電感、大電容的濾波器，在開機瞬間會流過很大的浪涌電流，是正常輸入電流的幾倍甚至幾十倍。因此必須采取措施降低浪涌電流的幅度。為抑制一次電源加電時產(chǎn)生的浪涌電流，本設(shè)計采用串聯(lián)電感和續(xù)流二極管抑制浪涌電流。采用浪涌抑制電路前后測試浪涌電流如圖3和圖4所示。

圖2 輸入防接反設(shè)計

圖3 未采取任何措施測試浪涌電流

圖4 采用浪涌抑制電路測試浪涌電流

3.3 直流防雷設(shè)計

雷電具有高電壓、大電流及瞬時性特征，強大的閃電向其通道外釋放數(shù)百兆焦耳能量，產(chǎn)生靜電場、電磁場及電磁輻射。本產(chǎn)品采用防雷器HM-48DC/2串聯(lián)在電路中，防止雷電能量作用于產(chǎn)品。

本設(shè)備采用直流電源防雷器HM-48DC/2，電路設(shè)計如圖5所示。

圖5 直流防雷電路設(shè)計

3.4 濾波設(shè)計

產(chǎn)品內(nèi)有電源模塊，把直流轉(zhuǎn)換為高頻交流，再把高頻交流轉(zhuǎn)換為直流，轉(zhuǎn)換過程中容易形成噪聲。本產(chǎn)品電源輸入端接上濾波器，可抑制電源模塊產(chǎn)生的噪聲影響電源品質(zhì)[4]。在EMC試驗室進行了10 kHz～18 GHz電場輻射發(fā)射控制，測試結(jié)果如圖6和圖7所示。測試結(jié)果滿足GB/T17626.5的要求[5]。

圖6 10 kHz～1 GHz電場輻射發(fā)射

圖7 1 GHz～18 GHz電場輻射發(fā)射

3.5 故障隔離設(shè)計

當設(shè)備電源或后級電路出現(xiàn)短路時，選用電子開關(guān)能將該設(shè)備從系統(tǒng)供電連接中斷開，防止設(shè)備短路，將故障范圍擴大。根據(jù)系統(tǒng)電源需求和負載情況，選用兩種電子開關(guān)，12 V使用TPS2421，5 V使用TPS2560。

4 結(jié) 論

本文闡述了基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣質(zhì)量檢測儀電源系統(tǒng)保護電路設(shè)計，結(jié)合工程實踐，對環(huán)境空氣質(zhì)量檢測儀使用場景進行了分析，給出了環(huán)境空氣質(zhì)量檢測儀設(shè)備電源保護電路方案，對防反接、防浪涌、防雷及濾波進行了詳細設(shè)計。