一種12V新型本安電源的設(shè)計(jì)方案

1.引言

近年來(lái)，我國(guó)煤礦機(jī)械化、自動(dòng)化程度日益提高，礦井監(jiān)控、通訊、儀表自動(dòng)化系統(tǒng)等應(yīng)用日益普遍，但煤礦的特殊環(huán)境，要求煤礦電氣設(shè)備必須采用本安設(shè)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(shù)先進(jìn)性和產(chǎn)品質(zhì)量決定了本安設(shè)備的可靠性，從而直接影響到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，關(guān)系到礦井安全生產(chǎn)、抗災(zāi)能力和礦工安危。

2.系統(tǒng)整體方案

根據(jù)煤礦用直流穩(wěn)壓電源的標(biāo)準(zhǔn)，電源輸入電壓為交流127V標(biāo)稱(chēng)值的75%~110%(即95V~140V)，輸出電壓的紋波電壓不應(yīng)超過(guò)直流輸出電壓12V的5%.根據(jù)要求，本文采用TOP244Y開(kāi)關(guān)電源芯片，在高頻開(kāi)關(guān)電源的基礎(chǔ)上，外加過(guò)壓保護(hù)電路、過(guò)流保護(hù)電路，設(shè)計(jì)了新型的12V本質(zhì)安全型電源(最高開(kāi)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(gè)部分：

開(kāi)關(guān)電源電路、過(guò)壓保護(hù)電路、過(guò)流保護(hù)電路。

3.硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 開(kāi)關(guān)電源電路

開(kāi)關(guān)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(guò)整流、濾波，成為紋波較大的直流電，通過(guò)高頻變壓器、開(kāi)關(guān)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(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的交流輸入電壓范圍是85V~265V.它能同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入欠壓保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、從外部設(shè)定極限電流、降低最大占空比等功能。TOP244Y具有頻率抖動(dòng)特性，這對(duì)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(xiàn)電壓的過(guò)壓、欠壓等自動(dòng)監(jiān)測(cè)和調(diào)整;3引腳通常與三極管相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制，當(dāng)三極管導(dǎo)通，3引腳接地，TOP244Y正常工作，當(dāng)三極管斷開(kāi)，3引腳類(lèi)于懸空，TOP244Y失能;4引腳為T(mén)OP244Y內(nèi)部MOSFET的源極，6引腳為內(nèi)部MOSFET的漏極，作為開(kāi)關(guān)使用，提供給高頻變壓器;5引腳為頻率引腳，接地時(shí)TOP244Y的工作開(kāi)關(guān)頻率為132KHz.R3為欠壓或過(guò)壓檢測(cè)電阻，并能給線(xiàn)路提供電壓前饋，以減少開(kāi)關(guān)頻率的波動(dòng)。D2、D3構(gòu)成漏極鉗位電路，可吸收內(nèi)部MOSFET關(guān)斷時(shí)由高頻變壓器T1初級(jí)漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，保護(hù)MOSFET不受損。電阻R5用來(lái)從外部設(shè)定功率開(kāi)關(guān)管的漏極極限電流，使之略高于滿(mǎn)載或輸入欠壓時(shí)的漏極峰值電流，這就允許在電源起動(dòng)過(guò)程中或輸出負(fù)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(dāng)輸入直流電壓過(guò)壓時(shí)，R5還能自動(dòng)降低最大占空比Dmax,對(duì)最大負(fù)載功率加以限制。

精密光耦反饋電路由線(xiàn)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(guò)光耦去改變TOP244Y的1引腳電流IC,使占空比發(fā)生變化，進(jìn)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(gòu)成尖峰電壓濾波器，使偏置電壓在負(fù)載較重時(shí)能保持恒定。

3.2 過(guò)壓保護(hù)電路

如圖3所示，當(dāng)輸出電壓12V因某種原因增加時(shí)(假設(shè)增加到13V)，D11、D13穩(wěn)壓管導(dǎo)通，分別觸發(fā)快速可控硅Q4、Q6,導(dǎo)通光電耦合器U2、U4,通過(guò)A、B點(diǎn)連接的三極管Q2、Q3基極電平被拉成低電平，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)電源芯片TOP244Y的遠(yuǎn)程失能控制，TOP244Y停止工作，VCC電壓為零，最終輸出電壓為零，實(shí)現(xiàn)輸出過(guò)壓保護(hù)。圖中R11、R15的作用是減小快速可控硅輸入端的偏置電流。

3.3 過(guò)流保護(hù)電路

圖4為過(guò)流保護(hù)電路。U7為三端集成穩(wěn)壓器78L08,通過(guò)R37、R39得到一個(gè)設(shè)定好的電壓閾值。將取樣電壓和預(yù)先設(shè)定好的電壓閾值進(jìn)行比較：取樣電壓輸入到U5的4腳反相輸入端，閾值電壓接U5的5腳同相輸入端，若取樣電壓高于設(shè)置好的閾值電壓，U5的2腳輸出低電平，產(chǎn)生下降沿脈沖觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U9,產(chǎn)生暫穩(wěn)態(tài)，輸出高電平，導(dǎo)通MOS管Q8,圖2中的電流源N1產(chǎn)生的控制電流灌入地，則T6、T7關(guān)斷，斷開(kāi)輸出，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。R43、R41、R45、C27、C29、C31組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U9的配置電路，決定了U9的暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間。

4.性能測(cè)試

針對(duì)本安電源的不同特性分別采用不同的測(cè)試條件進(jìn)行測(cè)試，輸入電壓采用市電交流220V經(jīng)自耦變壓器變壓后得到127V的礦用照明電壓，接到電源的交流輸入端，將輸出端串入電流表，并入示波器測(cè)量輸出。下面從過(guò)壓、過(guò)流兩個(gè)個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)電源的保護(hù)電路進(jìn)行測(cè)試。

4.1 過(guò)壓保護(hù)測(cè)試

下面模擬由于某種故障導(dǎo)致電壓升高，方法是在輸出空載的情況下，將示波器并接在輸出端，通過(guò)調(diào)節(jié)反饋支路，將輸出電壓逐漸調(diào)高，當(dāng)電壓調(diào)至高于12.4V時(shí)，過(guò)壓保護(hù)電路動(dòng)作，切斷輸出，并延時(shí)恢復(fù)，若依然過(guò)壓則再次降壓，符合過(guò)壓保護(hù)要求。

測(cè)試波形圖如圖5所示。

4.2 過(guò)流保護(hù)測(cè)試

下面模擬某種原因引起的過(guò)載情況，方法是輸出端接可變負(fù)載，調(diào)節(jié)負(fù)載大小，將示波器并接在取樣電阻兩端，取樣電阻為1歐姆水泥電阻，當(dāng)電流超過(guò)1.5A時(shí)，輸出成為間斷輸出，此時(shí)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作延時(shí)，若負(fù)載不減小，將一直處于此狀態(tài)。實(shí)際測(cè)試情況來(lái)看，示波器為每格500mV,此時(shí)波形最大幅度為3格1500mV,換算成電流為1500mA,所以保護(hù)電路正常，自恢復(fù)周期為220毫秒，符合快速過(guò)流保護(hù)要求。波形圖如圖6所示。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于TOP244Y的12V新型本安電源的設(shè)計(jì)方案，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部分的設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了詳述，并對(duì)電源進(jìn)行了性能測(cè)試。該方案中的電源電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用多種保護(hù)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(shè)備安全生產(chǎn)，高效運(yùn)行的理想技術(shù)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(lǐng)域。