一種12V新型本安電源設計

1.引言

近年來，我國煤礦機械化、自動化程度日益提高，礦井監控、通訊、儀表自動化系統等應用日益普遍，但煤礦的特殊環境，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不可缺少的組成部分，其技術先進性和產品質量決定了本安設備的可靠性，從而直接影響到監測系統數據采集的準確性、穩定性，關系到礦井安全生產、抗災能力和礦工安危。

2.系統整體方案

根據煤礦用直流穩壓電源的標準，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。

3.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轉變成直流電23V。電路原理圖如圖2所示，交流電經過整流、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系列產品，它便于實現開關電源的優化設計，設計的交流輸入電壓范圍是85V~265V。它能同時實現輸入欠壓保護、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，根據反饋電壓改變占空比，調節電壓穩定輸出;2引腳提供線電壓的過壓、欠壓等自動監測和調整;3引腳通常與三極管相連，實現遠程開關控制，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內部MOSFET的源極，6引腳為內部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，可吸收內部 MOSFET關斷時由高頻變壓器T1初級漏感產生的尖峰電壓，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定但未出現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、穩壓管D7、電阻R6、R8組成。輸出電壓Uo經過光耦去改變TOP244Y的1引腳電流IC，使占空比發生變化，進而調節Uo保持不變。反饋繞組的輸出電壓經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穩壓管導通，分別觸發快速可控硅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。

3.3 過流保護電路

圖4為過流保護電路。U7為三端集成穩壓器78L08，通過R37、R39得到一個設定好的電壓閾值。將取樣電壓和預先設定好的電壓閾值進行比較： 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，若取樣電壓高于設置好的閾值電壓，U5的2腳輸出低電平，產生下降沿脈沖觸發單穩態觸發器U9，產生暫穩態，輸出高電平，導通MOS管Q8，圖2中的電流源N1產生的控制電流灌入地，則T6、T7關斷，斷開輸出，實現過流保護。 R43、R41、R45、C27、C29、C31組成單穩態觸發器U9的配置電路，決定了U9的暫穩態時間。 4.性能測試

針對本安電源的不同特性分別采用不同的測試條件進行測試，輸入電壓采用市電交流220V經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，并入示波器測量輸出。下面從過壓、過流兩個個環節對電源的保護電路進行測試。

4.1 過壓保護測試

下面模擬由于某種故障導致電壓升高，方法是在輸出空載的情況下，將示波器并接在輸出端，通過調節反饋支路，將輸出電壓逐漸調高，當電壓調至高于12.4V時，過壓保護電路動作，切斷輸出，并延時恢復，若依然過壓則再次降壓，符合過壓保護要求。

測試波形圖如圖5所示。

4.2 過流保護測試

5.結束語

本文討論了基于TOP244Y的12V新型本安電源的設計，對系統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。該電源的電路設計、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境下工作，是保證井下設備安全生產，高效運行的理想技術裝備，也適用于化工、冶金、軋鋼、港口、電廠等環境惡劣的其他領域。