礦用LED驅動電源的設計研究

棗莊礦業（集團）有限責任公司 韓紅軍陜西長武亭南煤業有限責任公司 楊桂磊

礦用LED驅動電源的設計研究

棗莊礦業（集團）有限責任公司 韓紅軍
陜西長武亭南煤業有限責任公司 楊桂磊

【摘要】目前LED驅動電源大多用于安全場所，功率較高，在煤礦井下容易引起爆炸。本質安全電路性能優良且發展越來越成熟，在煤礦上也得到了推廣。本文將二次本安電源Buck開關變換器與LED驅動電源系統結合，主要針對礦用本質安全型LED驅動電源從兩方面進行設計，一是二次本安電源結構中電壓/電流的設計，實現LED的恒流控制；二是在滿足硬件電路設計要求前提下，優化設計Buck開關變換器內部電感電容參數，使得電路的本安性能得到保證。通過實例的參數設計、MATLAB 和Saber仿真，驗證設計方法的正確性，證明了電路的實用性。

【關鍵詞】本安型；LED驅動電源；Buck開關變換器；參數優化

0 緒論

LED作為新一代照明用具，已經成為煤礦礦井下最常見的用電設備，而目前LED驅動電源大多用于安全場所，我們對于危險環境中使用的LED驅動系統的研究還不夠深入，嚴重阻礙了煤礦中的LED照明系統的應用進程［1］。而且LED 驅動電源要求是恒流型驅動，目前本安電源都是輸出為恒壓型的，不適合LED 驅動使用。因此設計在礦井使用的適當的LED驅動系統結構至關重要，經濟實用、安全可靠的本安型LED驅動系統的研究具有重要的意義［2］。

本安電源相對于普通的開關電源，除了具有基本特性以外，要工作在易燃易爆的危險環境中，還需要滿足一些特殊要求，如下：

第一，本質安全型電源的輸入端與輸出端不能夠直接相連，要設置電氣隔離環節。

第二，輸出端必須設計限能作用的電路。

第三，主電源斷電后要保證供電不間斷。在礦井下瓦斯氣體，風速等特別重要的參數傳感器必須在不間斷的供電狀態下工作，這就需要在煤礦用的直流穩壓電源上裝有備用電源。外部電源中斷后可有內部電源繼續供給以確保安全生產。

1 本安電源的基本構架

本質安全開關變換器系統的組成如圖1所示，主要有本安關聯設備，本安型現場設備和連接電纜三部分組成。整個防爆系統的核心部分為本質安全現場設備。這里的本質安全現場設備是指電路本身部分全部都是本質安全的，這部分電路的電壓電流計電容電感值均不能超過電路自身的要求，必須嚴格限定在保證安全運行的基本范圍內。

圖1 本質安全開關變換器系統組成

本安開關變換器系統含有儲能元件電感和電容，電容電感的分斷引發火花放電，可通過有關參數優化將釋放的能量限制在一定范圍之內，不致引燃混合氣體。

2 系統的設計選擇

本設計主要采用Buck開關變換器，設計的電路基本框架結構為：主電路采用Buck開關變換器拓撲結構，控制回路通過運放單元和放大器，及觸發器一些元件構成。當負載電流發生變化時，由采樣回路采樣并且通過反饋回路調節，改變開關信號的占空比，控制輸出。

圖2 大功率LED驅動系統組成部分

如圖2所示，本文設計的礦用本安型LED驅動電源主要包括Buck開關變換器、整流部分、輸出濾波器、反饋部分、PWM控制器五部分。Buck開關變換器的輸出端與整流電路、濾波電路連接。其中整流電路的輸入端連接在Buck開關變換器的一端，其輸出端與濾波電路連接。濾波電路的負載輸出端為電路輸出端，輸出端通過檢測電阻轉換成電壓值，與反饋電路的輸入端連接，反饋電路通過PWM控制器與Buck變換器連接，控制PWM的脈沖寬度，以控制開關的頻率，保證電流恒定輸出。

圖3 礦用本安型LED驅動電源電路設計圖

電路總圖如圖3所示，在開關的一個觸頭上，另一個觸頭與取樣電阻R8的一端相連，R8另一端接地。二極管D1的陽極接在電感L1一側，陰極與濾波電容C1的一端相連。負載電阻R1一端接在二極管D2的陰極，另一端接地。電流檢測電阻R2一端接地，另一端接負載R1端。分壓電阻R6一端與R2的非接地端相連，再與R7串聯，R2的另一端接地。反相放大器UA741，與R6連接，且接在穩壓管TL431 的參考端。TL431一端接地，兩一端與光耦PC817A 的端口相連，通過電阻R3及穩壓管ZD接在續流二極管D2的陰極，另兩端接地和電源。UC3842 的Vcc端和Vc端接在電源上；Gnd端和pwgnd端接地；comp端通過電阻R13接地；Vfb端與Vcc端相連通過電阻R12接在Vcc端上；電阻R11一端接Vcc端，另一端與電容C4相連后接地；rct 端接在R11與C4的連接處，rct端通過電容C2與R11的非接地端相連；cs端與電阻R9和電容C2的端口相連，電容C2的另一端接地，R9的另一端接在R10的非接地端，output 端通過電阻R8驅動開關關斷，從而實現礦用大功率本安型LED驅動系統的設計。

3 系統參數的設定

本文對Buck開關變換器中電感電容參數優化設計，以便更好的大功率LED驅動系統的實現。在參數優化的過程中，要考慮兩點：（1）系統的設計需要消除電源紋波，來提高系統的抗干擾能力和精度，設計時要使最大紋波電流達到最低。（2）電感電容突然開路或短路時，產生的電火花極易點燃易燃易爆氣體，因此在設計時對本安電路中最大短路釋放能量分析，盡量采用較小的電容電感，實現本質安全開關變換器的輸出本質安全特性的最優化。

3.1 Buck變換器工作區域的劃分

Buck開關變換器工作有連續導電模式（CCM）和斷續導電模式（DCM）兩種，這兩種不同模式的臨界電感為：

式中，Vo為輸出電壓，Vi為輸入電壓，RL為負載電阻，f為開關頻率。

設d=Vo/Vi=Ton/Ts，d為開關器件的導通比，Ton為開關器件的導通時間，Ts為開關器件的開關周期。

將Vi和RL的關系表示在同一個二維坐標系中，將變換器的工作區域劃分為如圖3.3所示四個區域；

圖4 在Vi-RL平面上展示CCM/DDM分界

圖4中，縱坐標單位為伏特，橫坐標單位為歐姆。圖中不同的曲線對應不同的臨界電感，所示A、B、C三個工作點的臨界電感如下：

綜合最大輸出紋波電流最低和最大短路釋放能量最低兩個因素對礦用本安電源Buck變換器中的電感電容參數最優化設計，以便更好的設計大功率LED驅動系統。

以滿足輸出電流紋波要求的最小電感電容Lmin和最大電感設計極限值Lmax，分別代入最大短路釋放能量公式，并且加以修正、檢驗。獲得分別對應于Lmin和Lmax的滿足最大短路釋放能量最小要求的電容的最小電容的設計限值Cmin和最大限值Cmax，范圍分別為（Cmin，Cmax）和（Cmin1，Cmax1），選定的電容值既能滿足變換器電氣性能指標和輸出本質安全的要求。綜合最小電感電容Lmin和最大電感極限值Lmax分別對應的兩個電容曲線，得出滿足內部和輸出短路釋放能量的最大電容限值兩條設計曲線，即CCM與DCM，相關計算原理見表1。綜上所述， 和 取值的平面區域如圖5所示。

圖5 電感、電容參數設計區域

3.2 電感值確定

根據表1可得到最大輸出電流紋波、最小電感，即Lmax=336.5μH，電感取值范圍為（33.6μH，336.5μH）。

3.3 電容值確定

根據最大短路釋放能量最小的安全性能原則，在電感參數設計好的基礎上，得出了電容設計的上下限，如上表表2所示。當L=Lmax=336.5μH時，電容C為3.85μF，得到電容下限曲線L-C曲線。當L=Lmin=33.6μH時，電容C為52.8μF，當L=Lmax=336.5μH時，電容C為48.3μF，得到一條電容上限曲線L-C曲線。

其中，最大短路釋放能量WB滿足：

顯然Wmax

表1 開關變換器的輸出電流紋波和最小電感

表2 Buck開關變換器的電容元件參數設計限值

圖6 礦用本安型LED驅動電源仿真電路圖

4 仿真驗證

在MATLAB中搭建圖6所示LED驅動電源仿真電路圖，進行仿真分析（設輸出濾波電容值為30μF）：

（1）對于給定的電感，輸出電流紋波隨負載和輸入電壓的變化關系，如圖7所示。取L=30μH（滿足LCA

圖7 L=30μH時，紋波電流

圖8 L=50μH時，紋波電流與

與負載、輸入電壓的關系 負載、輸入電壓的關系

從圖7中明顯得出，對于相同大小的電感，負載和輸入電壓在明確區域內改變，變換器仍可能跨越兩種工作模式，而且Buck變換器工作在上述兩種工作模式下，輸出紋波電流隨負載的增大而減小，隨輸入電壓的增大而增大。

（2）對于給定的電感，輸出電流紋波隨負載和輸入電壓的變化關系。取L=50μH，（滿足LCB

圖9 放電火花電壓、電流及能量仿真波形

從圖8中可以看出，對于相同大小的電感，負載和輸入電壓在明確區域內改變，變換器仍可能跨越兩種工作模式，而且Buck變換器工作在上述兩種工作模式下，輸入紋波電流隨負載的增大而減

小。而且輸出紋波電流在某一點以前輸出紋波電流隨著輸入電壓的增大而增大，隨負載的減小，與輸入電壓無關。

通過Saber 仿真軟件得到放電火花波形如圖9所示，但從放電能量角度看，仿真值與試驗值接近，均小于前面計算出的最大輸出短路釋放能量。因此，該設計滿足本質安全要求，驗證了本設計滿足最大輸出短路釋放能量最小的本質安全性能。

5 結論

本文主要針對礦用本質安全型LED驅動電源進行設計。在對本質安全電路框架、電路結構的分析基礎上，將二次本安電源Buck開關變換器與LED驅動電源系統結合，通過Buck主電路及拓撲結構模塊、反饋比較模塊、PWM生成開關控制模塊三個模塊，由采樣回路采樣并且通過反饋回路調節，改變開關信號的占空比，實現恒流控制。然后分析Buck電路的運行模式，綜合電路在正常情況或規定故障下工作，最大輸出紋波電流最低和最大短路釋放能量最低兩個因素對礦用本安電源Buck變換器中的電感電容參數最優化設計，實現電路設計的電氣性能和本安性能的要求，并且給出了Buck開關變換器內部電容電感參數的優化設計步驟，以便更好的設計本安型LED驅動電源。

參考文獻

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Design and Research of LED Driving Power Supply for Mine

Han Hongjun1 Yang Guilei2
（1.Zaozhuang mining（Group）Co.，Ltd.，Shandong Zaozhuang 277100；2.Shan xi Changwuting South mining Co.Ltd，Shan xi Changwuting 713602）

Abstract：The LED driver，with high power，is mostly used in safe place and easy to cause explosion in the coal mine.The intrinsically safe circuit is excellent and more mature，has been popularized in the coal mine.This paper combined the two intrinsically safe power supply of Buck converter and LED drive power system，mainly designed from two aspects for mine intrinsically safe power supply of LED，one is the design of U/I structure of two intrinsically safe power supply，to realize the constant current control of LED；the other is to meet the requirements of the hardware circuit design of the premise optimization design of Buck switching converter internal capacitance and inductance parameters，to ensure the safety performance. Through the design and calculation of parameters，the MATLAB and Saber simulation，this paper verify the correctness of the design method，and proved the practicality of the circuit.

Keywords：Intrinsically Safe；LED Power Supply；Buck Converter；Parameter Optimization

作者簡介：

韓紅軍（1971—），男，江蘇豐縣人，棗莊礦業（集團）有限責任公司物流中心助理經濟師，主要從事煤碳經濟方面研究。

楊桂磊（1976—），男，山東泰安人，2007年畢業于山東大學熱能與動力工程專業。