分析礦用本安電源的設計與實現(xiàn)

樊勇

摘 要：嚴格按照本安電路的設計原則及方法，介紹了一種礦用本質(zhì)安全型電源，該電源可用于含爆炸氣體和粉塵的煤礦井下，擁有兩級過流保護一級過壓保護，重點介紹了過流保護和過壓保護的詳細設計，并測試了它的機械性能和電氣性能，結果表明該設備通過了國家各項指標，在煤礦的實際應用中取得了良好的效果。

關鍵詞：本安;電源;設計;實現(xiàn)

1.引言

近年來，我國煤礦機械化、自動化程度日益提高，礦井監(jiān)控、通訊、儀表自動化系統(tǒng)等應用日益普遍，但煤礦的特殊環(huán)境，要求煤礦電氣設備必須采用本安設備。本安電源作為礦用本安系統(tǒng)不可缺少的組成部分，其技術先進性和產(chǎn)品質(zhì)量決定了本安設備的可靠性，從而直接影響到監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的準確性、穩(wěn)定性，關系到礦井安全生產(chǎn)、抗災能力和礦工安危。

一 .系統(tǒng)整體方案

根據(jù)煤礦用直流穩(wěn)壓電源的標準，電源輸入電壓為交流127V標稱值的75%～110%（即95V～140V），輸出電壓的紋波電壓不應超過直流輸出電壓12V的5%.根據(jù)要求，本文采用TOP244Y開關電源芯片，在高頻開關電源的基礎上，外加過壓保護電路、過流保護電路，設計了新型的12V本質(zhì)安全型電源（最高開路電壓12.4V、最大短路電流150mA）。

二 系統(tǒng)整體方案

根據(jù)煤礦用直流穩(wěn)壓電源的標準，電源輸入電壓為交流127V標稱值的75%～110%（即95V～140V），輸出電壓的紋波電壓不應超過直流輸出電壓12V的5%.根據(jù)要求，本文采用TOP244Y開關電源芯片，在高頻開關電源的基礎上，外加過壓保護電路、過流保護電路，設計了新型的12V本質(zhì)安全型電源（最高開路電壓12.4V、最大短路電流150mA）。

如圖1所示，本系統(tǒng)包括以下3個部分：

開關電源電路、過壓保護電路、過流保護電路。

三 .硬件電路設計

3.1 開關電源電路

開關電源電路將交流電127V轉(zhuǎn)變成直流電23V.電路原理圖如圖2所示，交流電經(jīng)過整流、濾波，成為紋波較大的直流電，通過高頻變壓器、開關電源芯片TOP244Y得到23V的直流電。

TOP244Y是Power Integration公司的TopSwitch II系列產(chǎn)品，它便于實現(xiàn)開關電源的優(yōu)化設計，設計的交流輸入電壓范圍是85V～265V.它能同時實現(xiàn)輸入欠壓保護、過壓保護、從外部設定極限電流、降低最大占空比等功能。TOP244Y具有頻率抖動特性，這對降低電磁干擾很有幫助。

TOP244Y的1引腳用于占空比控制，根據(jù)反饋電壓改變占空比，調(diào)節(jié)電壓穩(wěn)定輸出;2引腳提供線電壓的過壓、欠壓等自動監(jiān)測和調(diào)整;3引腳通常與三極管相連，實現(xiàn)遠程開關控制，當三極管導通，3引腳接地，TOP244Y正常工作，當三極管斷開，3引腳類于懸空，TOP244Y失能;4引腳為TOP244Y內(nèi)部MOSFET的源極，6引腳為內(nèi)部MOSFET的漏極，作為開關使用，提供給高頻變壓器;5引腳為頻率引腳，接地時TOP244Y的工作開關頻率為132KHz.R3為欠壓或過壓檢測電阻，并能給線路提供電壓前饋，以減少開關頻率的波動。D2、D3構成漏極鉗位電路，可吸收內(nèi)部MOSFET關斷時由高頻變壓器T1初級漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，保護MOSFET不受損。電阻R5用來從外部設定功率開關管的漏極極限電流，使之略高于滿載或輸入欠壓時的漏極峰值電流，這就允許在電源起動過程中或輸出負載不穩(wěn)定但未出現(xiàn)飽和的情況下采用較小尺寸的高頻變壓器。當輸入直流電壓過壓時，R5還能自動降低最大占空比Dmax，對最大負載功率加以限制。

精密光耦反饋電路由線性光電耦合器PC817A、穩(wěn)壓管D7、電阻R6、R8組成。輸出電壓Uo經(jīng)過光耦去改變TOP244Y的1引腳電流IC，使占空比發(fā)生變化，進而調(diào)節(jié)Uo保持不變。反饋繞組的輸出電壓經(jīng)D3、C8整流濾波后，給光耦中的接收管提供偏壓。C10還與R14一起構成尖峰電壓濾波器，使偏置電壓在負載較重時能保持恒定。 3.2 過壓保護電路

如圖3所示，當輸出電壓12V因某種原因增加時（假設增加到13V），D11、D13穩(wěn)壓管導通，分別觸發(fā)快速可控硅Q4、Q6，導通光電耦合器U2、U4，通過A、B點連接的三極管Q2、Q3基極電平被拉成低電平，實現(xiàn)對開關電源芯片TOP244Y的遠程失能控制，TOP244Y停止工作，VCC電壓為零，最終輸出電壓為零，實現(xiàn)輸出過壓保護。圖中R11、R15的作用是減小快速可控硅輸入端的偏置電流。

四 12V的直流電壓輸出

12V直流電壓通過耐壓值為50V電容量為47uF的電容進一步濾波后送入LM317集成模塊，該模塊的負載電流為1.5A，輸出電壓為10V，該10V的直流電壓通過3W/0.68J的限流電阻以及兩個金屬氧化物半導體場效應管后進入7805穩(wěn)壓模塊，該模塊的負載電流為2A，輸入電壓范圍為6-12V，具有過流保護，可在-45-85°C范圍內(nèi)正常工作，經(jīng)過7805模塊后，將輸出+5V的直流電壓 。當電路因為短路或者負載過小，而使得輸出電流超過800mA時（以第一路為例），電阻R9上的壓降會迅速增大，從而使得R5上的壓降也隨之增大，于是三極管Q2的基極電位降低，三極管Q2由截止狀態(tài)轉(zhuǎn)為導通狀態(tài)，由于有電流流過，故R3與R4連接處的電位增大，從而是Q1由截止狀態(tài)轉(zhuǎn)為導通狀態(tài)，由于Q1導通后，其上的壓降只有1V，所以R2與R1連接處的電位只有1V，此時LM317的輸出端的電壓會因為R2與R1連接處的電位下降，而跌至1.9V。[6]從而實現(xiàn)第一級過流保護。同時因為電阻R9上的壓降增大，使得R10，R11兩端的電壓也隨之下降，運算放大器LM393反相端的電位值下降，從而使得LM393的輸出正電壓值增大，從而使得金屬氧化物半導體場效應管Q3，Q4的柵極電位值上升，柵極與源級的電壓差值增大，最終使得Q3，Q4的漏極與源極之間的電荷通道因為反向電壓的作用逐步消失，最終使得Q3，Q4逐步由導通狀態(tài)進入截止狀態(tài)，最終使得7805模塊的輸入電壓為0，從而起到第二級過流保護的作用

結束語

基于新型本安電源的設計，對系統(tǒng)的各個部分的設計電路進行了詳述，并對電源進行了性能測試。該方案中的電源電路設計、結構設計采用多種保護措施，適合在煤礦井下具有煤塵、甲烷等爆炸性氣體及潮濕惡劣環(huán)境下工作，是保證井下設備安全生產(chǎn)，高效運行的理想技術裝備，也適用于化工、冶金、軋鋼、港口、電廠等環(huán)境惡劣的其他領域。