一种12V新型本安电源的设计方案 本安电源, 监控, 仪表

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本文介绍了一种基于TOP244Y的12V新型本安电源的设计方案。该系统的核心选用 Power Integration公司的开关电源芯片TOP244Y，在开关电源的基础上，外加过压保护电路和过流保护电路，使电压稳定在12V.经过压保护测试和 过流保护测试验证，该电源满足本安要求，从而证实了本方案的可行性。
　　1.引言
　　近年来，我国煤矿机械化、自动化程度日益提高，矿井监控、通讯、仪表自动化系统等应用日益普遍，但 煤矿的特殊环境，要求煤矿电气设备必须采用本安设备。本安电源作为矿用本安系统不可缺少的组成部分，其技术先进性和产品质量决定了本安设备的可靠性，从而 直接影响到监测系统数据采集的准确性、稳定性，关系到矿井安全生产、抗灾能力和矿工安危。
　　2.系统整体方案
　　根据煤矿用直流稳压电源的标准，电源输入电压为交流127V标称值的75%~110%（即 95V~140V），输出电压的纹波电压不应超过直流输出电压12V的5%.根据要求，本文采用TOP244Y开关电源芯片，在高频开关电源的基础上，外 加过压保护电路、过流保护电路，设计了新型的12V本质安全型电源（最高开路电压12.4V、最大短路电流150mA）。
　　如图1所示，本系统包括以下3个部分：
　　开关电源电路、过压保护电路、过流保护电路。

　　

　　3.硬件电路设计
　　3.1 开关电源电路
　　开关电源电路将交流电127V转变成直流电23V.电路原理图如图2所示，交流电经过整流、滤波，成为纹波较大的直流电，通过高频变压器、开关电源芯片TOP244Y得到23V的直流电。

　　

　　TOP244Y是Power Integration公司的TopSwitch II系列产品，它便于实现开关电源的优化设计，设计的交流输入电压范围是85V~265V.它能同时实现输入欠压保护、过压保护、从外部设定极限电流、降 低最大占空比等功能。TOP244Y具有频率抖动特性，这对降低电磁干扰很有帮助。
　　TOP244Y的1引脚用于占空比控制，根据反馈电压改变占空比，调节电压稳定输出；2引脚提供线 电压的过压、欠压等自动监测和调整；3引脚通常与三极管相连，实现远程开关控制，当三极管导通，3引脚接地，TOP244Y正常工作，当三极管断开，3引 脚类于悬空，TOP244Y失能；4引脚为TOP244Y内部MOSFET的源极，6引脚为内部MOSFET的漏极，作为开关使用，提供给高频变压器；5 引脚为频率引脚，接地时TOP244Y的工作开关频率为132KHz.R3为欠压或过压检测电阻，并能给线路提供电压前馈，以减少开关频率的波动。D2、 D3构成漏极钳位电路，可吸收内部MOSFET关断时由高频变压器T1初级漏感产生的尖峰电压，保护MOSFET不受损。电阻R5用来从外部设定功率开关 管的漏极极限电流，使之略高于满载或输入欠压时的漏极峰值电流，这就允许在电源起动过程中或输出负载不稳定但未出现饱和的情况下采用较小尺寸的高频变压 器。当输入直流电压过压时，R5还能自动降低最大占空比Dmax，对最大负载功率加以限制。
　　精密光耦反馈电路由线性光电耦合器PC817A、稳压管D7、 电阻R6、R8组成。输出电压Uo经过光耦去改变TOP244Y的1引脚电流IC，使占空比发生变化，进而调节Uo保持不变。反馈绕组的输出电压经D3、 C8整流滤波后，给光耦中的接收管提供偏压。C10还与R14一起构成尖峰电压滤波器，使偏置电压在负载较重时能保持恒定。
　　3.2 过压保护电路

　　

　　如图3所示，当输出电压12V因某种原因增加时（假设增加到13V），D11、D13稳压管导通，分别触发快速可控硅Q4、 Q6，导通光电耦合器U2、U4，通过A、B点连接的三极管Q2、Q3基极电平被拉成低电平，实现对开关电源芯片TOP244Y的远程失能控 制，TOP244Y停止工作，VCC电压为零，最终输出电压为零，实现输出过压保护。图中R11、R15的作用是减小快速可控硅输入端的偏置电流。


　　3.3 过流保护电路

　　

　　图4为过流保护电路。U7为三端集成稳压器78L08，通过R37、R39得到一个设定好的电压阈值。将取样电压和预先设定好的电压阈值进行比较：取样电压输入到U5的4脚反相输入端，阈值电压接U5的5脚同相输入端，若取样电压高于设置好的阈值电 压，U5的2脚输出低电平，产生下降沿脉冲触发单稳态触发器U9，产生暂稳态，输出高电平，导通MOS管Q8，图2中的电流源N1产生的控制电流灌入地， 则T6、T7关断，断开输出，实现过流保护。R43、R41、R45、C27、C29、C31组成单稳态触发器U9的配置电路，决定了U9的暂稳态时间。
　　4.性能测试
　　针对本安电源的不同特性分别采用不同的测试条件进行测试，输入电压采用市电交流220V经自耦变压器变压后得到127V的矿用照明电压，接到电源的交流输入端，将输出端串入电流表，并入示波器测量输出。下面从过压、过流两个个环节对电源的保护电路进行测试。
　　4.1 过压保护测试
　　下面模拟由于某种故障导致电压升高，方法是在输出空载的情况下，将示波器并接在输出端，通过调节反馈支路，将输出电压逐渐调高，当电压调至高于12.4V时，过压保护电路动作，切断输出，并延时恢复，若依然过压则再次降压，符合过压保护要求。
　　测试波形图如图5所示。

　　

　　4.2 过流保护测试
　　下面模拟某种原因引起的过载情况，方法是输出端接可变负载，调节负载大小，将示波器并接在取样电阻两端，取样电阻为1欧姆水泥电阻， 当电流超过1.5A时，输出成为间断输出，此时单稳态触发器作延时，若负载不减小，将一直处于此状态。实际测试情况来看，示波器为每格500mV，此时波 形最大幅度为3格1500mV，换算成电流为1500mA，所以保护电路正常，自恢复周期为220毫秒，符合快速过流保护要求。波形图如图6所示。

　　

　　5.结束语
　　本文介绍了基于TOP244Y的12V新型本安电源的设计方案，对系统的各个部分的设计电路进行了 详述，并对电源进行了性能测试。该方案中的电源电路设计、结构设计采用多种保护措施，适合在煤矿井下具有煤尘、甲烷等爆炸性气体及潮湿恶劣环境下工作，是 保证井下设备安全生产，高效运行的理想技术装备，也适用于化工、冶金、轧钢、港口、电厂等环境恶劣的其他领域。（作者： 刘峥，张胜春，刘洪波，徐刚）