智能型礦用隔爆兼本安型直流穩壓電源的設計

侯立兵

摘要：文章提出了一種智能型礦用隔爆兼本安型直流穩壓電源（以下簡稱本安電源）的設計方案，介紹了該電源的主要電路的設計。該電源采用LM2576HV開關穩壓集成電路來實現穩壓功能，提高了電源的轉換效率，減小了輸出紋波噪聲；采用由過流檢測電阻、雙單穩態觸發芯片、大功率三極管等組成的雙重化過流和過壓保護電路，提高了本安電源的可靠性。

關鍵詞：智能型礦用本安電源；STM32F103；CAN總線；電路設計；煤炭開采 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD611 文章編號：1009-2374（2017）05-0222-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.108

隨著煤礦現代化程度的不斷提高，對煤礦供電的可靠性、安全性提出越來越高的要求。本安電源是煤礦井下的重要電氣設備，它的安全運行是現代化煤礦中其他礦井下各類電氣設備高效率、高質量運轉的保證。但是由于礦井下特殊的工作環境和其他原因，目前，煤礦井下本安電源的管理還存在若干問題：首先，礦井下本安電源種類繁多、獨立性強，若不在現場很難檢測它們的工作狀態；其次，這些電源的功能參數各不相同，電源的維護管理也不統一。如果礦井下現場設備的供電情況不能在第一時間獲取，一旦發生電源故障，不僅影響設備運行，還可能導致重大事故的發生。

近年來，數字礦山的提出使得本安電源已經由獨立的外部設備產品發展成為整個通信系統不可分割的一部分。這不僅要求本安電源具備傳統的供電、防爆等功能，而且應該通過CAN通信接口、以太網通信接口或458總線等具備智能通訊的能力，以實現本安電源可方便快捷的接入數字通信系統中。基于此，本文提出了一種智能型礦用隔爆兼本安型直流穩壓電源的設計，能夠解決當前電源獨立、管理不規范、供電情況不明以及電源故障情況等，實現本安電源的網絡化、智能化。

1 智能型本安電源結構

本安型電路是指在規定的試驗條件下正常工作或在規定的故障狀態下產生的電火花和熱效應均不能點燃規定的爆炸性氣體混合物的電路。智能本安型電源的設計目的是保證操作者的人身安全、防止出現事故后電源故障、電源不正常時能夠自我修復或及時斷電報警、通過網絡控制與監測電源工作情況等。因此，智能本安電源的設計采用降壓、整流、穩壓、過流過壓保護、充電及快速切斷模塊、CAN通信接口模塊、微控制器模塊。本文設計的本安電源原理框圖如圖1所示。

交流電通過隔爆電磁開關直接控制整個電源的交流輸入，再將交流電輸入變壓器降壓，經整流、濾波、穩壓電路1輸出直流電，給蓄電池充電。用過整流、濾波、穩壓電路2輸出的直流電給負載供電，經過切換電路，所選擇的一路輸出電壓經過穩壓、多重過流和過壓保護電路輸出可靠的本安電源。微控制器STM32F103模塊主要采集的備用蓄電池電壓值、本安輸出電壓值以及各種報警狀態等參數。CAN通信接口模塊將微控制器STM32F103模塊采集的數據傳輸至網絡，通過上位機對各種數據進行分析統計，給出當前電源的運行情況，監控室也可以通過網絡控制電源的輸出狀態，實現電源的智能化、網絡化管理。

2 電源硬件原理與實現

該本安電源由交流變壓及整流濾波電路、直流穩壓電路、多重保護電路、充電及切換電路、微控制器系統電路、CAN接口電路等組成。

2.1 交流變壓及整流濾波原理

由于是煤礦井下電網供電的本安型電氣設備，則降壓所用的變壓器采用R型隔離變壓器，其輸入側采用變壓器抽頭方式。變壓器輸出24V和25V兩組交流電壓，整流濾波后輸出直流電壓，其中一路給本安輸出，另一路給蓄電池充電。如圖1所示，上面一路從變壓器25V輸出側引出，經整流濾波電路1，通過穩壓充電電路，為蓄電池充電；下面一路從變壓器24V輸出側引出，經整流濾波電路2，輸出約32V的直流電壓，與蓄電池的輸出電壓通過切換電路進行比較后選擇一路經LM2576HV穩壓開關電路，為本安輸出提供電源。

2.2 直流穩壓開關電路

穩壓電路核心器件采用可調的LM2576HV-ADJ開關穩壓集成電路，解決了傳統的固定式穩壓器和電位器調壓時精度不足的問題。LM2576HV內置有完善的保護電路，包括電流限制和熱關斷電路等，利用該器件只需很少的外圍器件便可構成高效穩壓電路，此外，該芯片還提供了工作狀態的外部控制引腳，該引腳的電平受微控制器STM32F103控制。

2.3 過壓、過流保護電路

由于井下存在眾多可燃性氣體，當出現電路因過壓、過流而導致負載短路或者火花時，嚴重影響到煤礦的安全。故本安電源的設計中必須通過多重的過流、過壓保護電路，防止事故發生，該設計性能的好壞將直接影響整個系統是否具有實用的價值。如圖2所示，本安電源輸出電路整體思想是控制MOS管Q5和Q6的導通或關斷來實現的，電源過壓過流時，三極管Q4導通，集電極輸出18V，使得P溝道MOS管Q5截止；同時，N溝道MOS管Q6的G極電平為0，使Q6截止從而切斷負載的輸出。

當電路出現過流或短路故障時，如圖2所示，電阻R32的電流增大，導致過流檢測點VIN_I的電壓大于閥值 [ ]，經過圖3中比較器LM393（U3）的處理，使得輸出端（U3的第7腳）呈低電平，再經過比較電路LM393（U6）的處理，使得U6的第7腳輸出為低電平，這個低電平信號直接控制圖2中的三極管Q4，使Q4導通，Q5截止，切斷本安電源的輸出，起到過電流或短路保護作用。另一路過流或短路保護電路控制MOS管Q6，原理與其一致。

當電路出現過壓時，如圖3所示，直流穩壓開關電路輸出電壓大于18V，電壓采樣點VIN_V大于閥值

[ ]，經過比較器LM393（U3）的處理，使得輸出端（U3的第1腳）呈低電平，再經過比較電路LM393（U6）的處理，使得U6的第7腳輸出呈低電平，這個低電平信號直接控制圖2中的三極管Q4，使Q4導通，Q5截止，切斷本安電源的輸出，起到過電壓保護作用。另一路過電壓保護電路控制Q6，原理與其一致，這里不再詳述。

圖3中所示的雙單穩態觸發芯片HEF4528，它的功能是在正常情況下HEF4528的第6引腳輸出的低電平，第6引腳連接的三極管Q7處于不導通狀態。當HEF4528的第5引腳收到一個低電平（即出現了過壓或過流的情況），第6引腳就會輸出一個高電平使三極管Q7導通，圖2中電阻R17左端的電壓就成了低電平也就達到了上面所說的關閉MOS管的目的。但是過了一定時間，HEF4528的第6引腳又會重新回到原來的狀態，使整個電路繼續工作。這樣一定時間的延遲起到保護芯片的作用，防止芯片電平變化過快使芯片易于損壞。

2.4 充電及切換電路

當主電源停止供電時，可以通過切換電路使蓄電池開始工作，減少因供電而引起的各種問題。變壓器副邊輸出25V交流電，經過整流濾波電路1可得到約為34V的直流電壓，如圖4所示，調整電位器VR1，使三端集成直流穩壓器LM317輸出29V的直流壓。LM317的輸出電壓范圍為1.2～37V，負載電流最大為1.5A。

圖4中所示的本安電源的充電電路部分，采用一個固定電阻R1和一個電位器VR1，調節輸出電壓的大小。剛上電LM317輸出29V時，P溝道MOS管Q2是不導通的，沒有給鎳氫電池充電。則R4分得電壓為24V，即MOS管Q2的Vgs=（24-29）=-5V，Q2導通，給鎳氫電池充電，Id（充電電流）比較大。在充電過程中Vs慢慢減小，Vgs<0且慢慢增大，則充電電流Id減小。蓄電池充電一般分為快速充電、補足充電、涓流充電三個階段。如果在工作過程中，變壓器原邊失去電源輸入，則LM317的輸出端輸出為0V，LM393（U2）的第3腳為0V，由于U2的第2腳穩壓到18V，則U2的第1腳輸出為低電平，則MOS管Q3的Vgs小于0，Q3導通，鎳氫電池給直流穩壓開關電路LM2576HV供電，確保本安電源正常輸出。如果變壓器原邊電壓正常，則LM317為29V正常輸出，R11分得電平為29×R11/（R11+R10），高于18V，LM393（U2）的第1腳輸出高電平，MOS管Q3截止，則鎳氫電池不給直流穩壓開關電路LM2576供電，鎳氫電池處于浮充狀態。

2.5 微控制器系統及CAN接口電路

文中智能型本安電源的設計采用微控制器STM32F103C8T6來采集備用蓄電池電壓（BATT_V信號）、本安輸出電壓（VIN_V信號）以及各種報警狀態等參數，利用CAN總線傳輸技術，把采集到的數據上傳到監控室，值班人員根據這些參數可了解電源的運行狀況，可遠程控制本安電源的輸出狀態，以實現本安電源的智能化、網絡化。微控制器系統及CAN接口電路如圖5所示：

STM32F103C8T6具有高性能、低成本、低功耗等特點。CAN收發器選用NXP的高速CAN收發器TJA1040，具有速率高、低功耗、電磁性能優越等特點，自檢錯能力強，還可工作于睡眠模式。采用高速光耦6N137來實現收發器與控制器之間的電氣隔離，保護系統電路。

3 結語

設計了一種智能型礦用本安電源，通過使用LM2576HV開關穩壓集成電路實現穩壓功能；其中多重保護電路和充電及切換電路的設計，使得該智能型本安電源具有高轉換效率、不間斷供電、低成本等優點。同時采用微控制器STM32F103來采集備用蓄電池電壓、本安輸出電壓以及各種報警狀態等參數，利用CAN總線傳輸技術，把采集到的數據上傳到監控室，值班人員根據這些參數可了解電源的運行狀況，可遠程控制本安電源的輸出狀態，以實現本安電源的智能化、網絡化。智能本安電源非常適合為目前煤礦下的各種監測和監控系統的設備提供本安電源，具有很好的應用前景。

參考文獻

[1] 王文清，田柏林.礦用本安直流穩壓電源的設計與研究[J].煤炭科學技術，2008，36（10）.

[2] 徐磊，周孟然，趙祥.煤礦實用本安電源設計[J].煤礦機械，2012，33（3）.

[3] 周雪峰.一種新型礦用本安電源保護電路的設計[J].工礦自動化，2013，39（7）.

[4] 于月森，謝冬瑩，伍小杰.本安防爆系統與本安電源結構特點及分類探討[J].煤炭科學技術，2012，40（3）.

[5] 張申，丁恩杰，徐釗，等.物聯網與感知礦山專題講座之二——感知礦山與數字礦山，礦山綜合自動化[J].工礦自動化，2010，（11）.

[6] 趙四海，周杰.礦用隔爆兼本質安全型不間斷直流穩壓電源的設計[J].工礦自動化，2012，38（4）.

[7] 陳向東.礦用本質安全電源[J].煤炭科學技術，1997，25（6）.

[8] 鄭安平，宋玉強.礦井直流穩壓電源的設計[J].工礦自動化，2009，（2）.

[9] 梨劍兵，謝楷，程仁杰.小型礦用本安型DC-DC隔離電源模塊設計[J].煤炭科學技術，2011，39（6）.

（責任編輯：秦遜玉）