基于單端反激式變換器的礦用本安電源設(shè)計

朱明杰

（中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015）

0 引 言

在實際應(yīng)用過程中，由于負(fù)載電阻和電感等元件參數(shù)不確定、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及電源模塊自身發(fā)熱量大等因素影響，導(dǎo)致系統(tǒng)工作電流較大。因此，為了提高電源系統(tǒng)可靠性及功率轉(zhuǎn)換效率，需要對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。若輸入電壓Uin大于輸出電壓Uout,則電源模塊將進(jìn)入充電模式，即可實現(xiàn)快速降壓；當(dāng)輸入電壓小于輸出電壓時，電源模塊處于放電狀態(tài)；如果輸入與輸出電壓之差超過了最大值，則會出現(xiàn)過壓現(xiàn)象。根據(jù)上述分析可知，通過調(diào)整輸入與輸出電壓之比可以改變電源模塊的工作方式，但是這種調(diào)節(jié)是有限度的，一旦超出此范圍就會造成能量浪費(fèi)或元器件損壞，因此在實際應(yīng)用過程中要合理控制，避免出現(xiàn)過度調(diào)節(jié)問題。另外，由于電源模塊體積較小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對簡單緊湊，可采用多個獨(dú)立電源并聯(lián)運(yùn)行來減小電源模塊的尺寸，以節(jié)約成本支出。

1 礦用本安電源的總體設(shè)計方案

1.1 礦用本安電源的技術(shù)要求

（1）額定功率Pm。礦用本安電源的額定功率通常為1 ～100 W，這主要取決于礦用設(shè)備的功率需求。額定功率的選擇應(yīng)考慮到設(shè)備的實際工作條件和可能的最大功率需求。額定功率Pm應(yīng)滿足設(shè)備在正常運(yùn)行時的功率因數(shù)為0.95 以上，且當(dāng)輸出電流Ic與負(fù)載電阻Rs相等或大于Rs的最小值時，可保證輸出電壓Udc不超過其額定電壓值。因此，對于額定功率Pm的選擇必須考慮負(fù)載特性和輸入輸出條件。（2）最大功率Qmax。隨著輸出電流增大，輸出電壓Ud逐漸減小，因此要保證輸出電流足夠大才能確保電路安全可靠地工作并達(dá)到預(yù)期的輸出功率，故應(yīng)選取最大功率點作為最佳的輸出功率點。（3）關(guān)斷后的穩(wěn)定性能。由于礦用本安電源一般都采用串聯(lián)方式供電，若要使輸出電壓保持穩(wěn)定，就需要有較高的關(guān)斷時間Δt來維持。為此，本文通過實驗確定了Δt=5 ms 以內(nèi)的最優(yōu)關(guān)斷時間。

1.2 礦用本安電源的總體方案設(shè)計

系統(tǒng)總體方案如圖1 所示，具體包括以下幾點。

圖1 礦用本安電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）輸入輸出電路。在礦用本安電源系統(tǒng)中主要由整流濾波電路和穩(wěn)壓電路組成。其中，整流電路是為了將直流電源轉(zhuǎn)換成所需的交流電，而穩(wěn)壓電路則可以對輸入輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使得整個供電系統(tǒng)能夠正常工作。

（2）輸出信號放大與驅(qū)動電路。該部分電路主要包括有功率放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog to Digital，AD）采樣模塊以及數(shù)字信號處理芯片等，通過這些硬件來實現(xiàn)對本安電源系統(tǒng)的有效控制，進(jìn)而保證其穩(wěn)定性。

（3）主控板及各類保護(hù)電路。主控制板主要負(fù)責(zé)對主控制器進(jìn)行操作管理，并且需要對各個功能模塊進(jìn)行合理配置以便于更好地完成各項任務(wù)要求。同時，主控制要具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，這樣才能確保最終得到的信息能被及時處理。此外，主控制要具有較高的抗干擾能力，這就要求它必須具有良好的電磁兼容性能。

（4）通信接口。在本安供電系統(tǒng)中，除了上述2 個重要部件外，最為關(guān)鍵的就是通信接口。為了提高本安電源系統(tǒng)的可靠性與安全性，應(yīng)當(dāng)盡可能采用多種類型的總線型號，以此來滿足不同類型設(shè)備之間的連接需求。此外，可以采用雙絞線作為通信介質(zhì)來實現(xiàn)信號的快速轉(zhuǎn)換，而且還應(yīng)考慮到電纜長度問題，避免因電纜過長造成布線復(fù)雜。

（5）存儲芯片。對于本安電源系統(tǒng)而言，其內(nèi)部所包含的數(shù)據(jù)存儲容量十分龐大，如果直接將這些數(shù)據(jù)存儲于外部存儲介質(zhì)中，則不僅會導(dǎo)致大量資源浪費(fèi)，還會使得電路板體積過大，不便于后期維護(hù)管理，因此需要通過合理的選擇方式來進(jìn)行處理和儲存。

1.3 礦用本安電源的硬件設(shè)計

（1）本安電源輸入端的主要功能是給礦用本安開關(guān)電源提供穩(wěn)定直流電源。由于本安電源的輸入輸出端口都在同一個芯片內(nèi)部且相互獨(dú)立，只需要考慮其輸入和輸出之間的關(guān)系即可。

（2）對于輸入輸出端口來說，除了要滿足電路中各個元器件之間的電氣連接外，要考慮到各元器件之間的互連問題以及信號線與地之間的相互影響，同時應(yīng)保證每一個輸入輸出端口能夠單獨(dú)控制電路中所有的元器件，并且互不影響。

（3）根據(jù)不同類型礦用本安開關(guān)電源所使用的輸入輸出接口類型及特點來選擇合適的輸入輸出端口形式。例如，礦用本安電源的輸入輸出一般有3 種方式，分別為串聯(lián)型、并聯(lián)型以及混合型，其中串聯(lián)型輸入輸出端口最為常用，但是該種結(jié)構(gòu)也存在一定缺點，就是當(dāng)負(fù)載電阻較大時會導(dǎo)致輸入/輸出阻抗不匹配而產(chǎn)生噪聲干擾。另外，如果采用這種結(jié)構(gòu)會增加整個系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低系統(tǒng)可靠性。

（4）在礦用本安電源的供電系統(tǒng)中，因為需要對其進(jìn)行保護(hù)與控制，所以必須保證各元器件能夠正常工作，以免因各種原因造成設(shè)備損壞或故障。因此，在電路板上應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的限流電感，防止過壓現(xiàn)象發(fā)生。同時，應(yīng)該注意到電路中電阻值的選取問題，通常情況下，電路中的阻值越小越好，這樣才能有效減少外界因素帶來的誤差。

2 礦用本安電源控制電路設(shè)計

2.1 主控芯片選擇

在實際應(yīng)用過程中，需要對其進(jìn)行功率因數(shù)校正和保護(hù)電路設(shè)計。因此，選取STM32F103C8T6 單片機(jī)作為主控芯片，并且將輸入輸出接口電路均設(shè)置為晶體管-晶體管邏輯（Transistor Transistor Logic，TTL）電平轉(zhuǎn)換方式。同時，要考慮到輸出電壓的穩(wěn)定性問題以及抗干擾能力等，所以采用了差分放大器來實現(xiàn)高精度的運(yùn)算處理功能。通過這種方法能夠有效提升系統(tǒng)的抗干擾能力與抗噪性能，使得輸出端的電流信號可以更好地被抑制。另外，由于該型號本身具備較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，在正常情況下也不會出現(xiàn)較大的噪聲。除此之外，該型號的本安電源具有較好的過壓及欠壓及短路保護(hù)作用，從而確保整個電路系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。當(dāng)環(huán)境溫度低于-10 ℃時就會自動切斷供電；而當(dāng)環(huán)境溫度高于20 ℃時則需要對其進(jìn)行散熱降溫，以保證其在-40 ～+60 ℃的工作溫度范圍內(nèi)都能夠滿足要求。

2.2 采樣電路設(shè)計

在采集到直流電壓時，由于其具有較高的輸入阻抗和較大的動態(tài)范圍，當(dāng)直流電流經(jīng)過該部分時會對其造成很大影響，使得輸出端的電壓值出現(xiàn)偏差，進(jìn)而導(dǎo)致輸出電壓與輸入電壓不一致。為了解決這個問題，需要將直流母線中的電流進(jìn)行整流處理，并且通過調(diào)節(jié)電阻實現(xiàn)這一目的，將濾波器安裝在變壓器上，用2 個同軸電纜將濾波器相連接，從而構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。在使用此方法后發(fā)現(xiàn)，只要頻率大于20 kHz 或者是小于10 MHz，都能夠獲得較為理想的效果，而且不會產(chǎn)生明顯失真，同時沒有任何噪聲[1-5]。

因為采用的是雙通道的方波作為信號源，可以看到有很多高頻諧波存在于其中，所以需要采取有效措施降低這些干擾信號，才能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。首先，應(yīng)該對濾波器進(jìn)行預(yù)處理，主要就是去除高頻分量以及低頻分量，再利用差分法計算出各個通道的電平。其次，還需要對輸入輸出端的阻抗進(jìn)行測量，確保其處于合理范圍內(nèi)，這樣才可以有效提高輸出波形圖的質(zhì)量和準(zhǔn)確度。最后，便是要對電容C1充電放電，當(dāng)其達(dá)到飽和狀態(tài)時，就可以開始向外供電，此時將會直接影響到整個系統(tǒng)的工作效率。為了防止出現(xiàn)這種情況，通常情況下會設(shè)置一個限幅值，一般來說不超過2%。

在實際應(yīng)用過程中，電流突然增大或者減少都將會使得輸出功率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致輸出波形失真，還會造成一定的安全隱患問題，為此通過采用雙級降壓法來實現(xiàn)這一目的，具體步驟如下。首先是經(jīng)過AD 模塊后，得到相應(yīng)的模擬信號；其次將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并且將該信號傳輸至單片機(jī)芯片；最后由單片機(jī)處理完成數(shù)據(jù)采集與分析。其中主要包括以下內(nèi)容：第一個部分就是對電壓信號進(jìn)行采集，而且也是最為關(guān)鍵的一部分內(nèi)容；第二個部分則是要對電流信號進(jìn)行采集，這樣就可以有效提高供電效率和穩(wěn)定性，進(jìn)而確保整個電路正常運(yùn)行；第三個部分則需要利用到分壓電阻，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，還有其他的一些功能模塊，如比較器以及計數(shù)器等；第四個部分是要對輸入端電壓進(jìn)行測量；第五個部分則是要對輸出端的電壓進(jìn)行檢測，以此來達(dá)到保護(hù)電路的效果。

2.3 驅(qū)動電路設(shè)計

當(dāng)輸入電壓為5 V 時，芯片輸出電壓為-2 V 左右（正常工作電壓范圍內(nèi)）。在此情況下，若將該芯片輸出端與負(fù)載連接，則會使得其輸出電壓降低至0 V 以下；而如果將芯片輸出端直接接在脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）模塊上，則可以實現(xiàn)對電壓和電流的有效控制。因此，可通過改變芯片輸出端的電壓來達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。還要注意的是，由于芯片內(nèi)部集成了很多元器件，在選擇合適的芯片后，要根據(jù)實際需求進(jìn)行合理設(shè)置。一般而言，當(dāng)芯片輸出端為高電平時，此時輸出電壓較低，但是仍然能夠滿足要求；反之，當(dāng)其輸出端為低電平時，則無法保證輸出電壓穩(wěn)定性。為此，本文采用了雙閉環(huán)控制方法，即當(dāng)輸出電壓低于±15%時，芯片就會自動關(guān)閉；而當(dāng)輸出電壓高于±20%時，芯片才會打開并且發(fā)出信號給主控單元，同時也會產(chǎn)生一個關(guān)斷點。這樣一來，即使在沒有外部供電系統(tǒng)的條件下，也不會出現(xiàn)過流或欠壓等問題。

3 結(jié) 論

通過對本安電源系統(tǒng)電路設(shè)計進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：（1）針對本安電源在煤礦井下環(huán)境中應(yīng)用時存在的問題，提出了一種適用于礦井環(huán)境的新型雙輸入三輸出本安型開關(guān)電源方案；（2）該方案采用2 級串聯(lián)結(jié)構(gòu)，能夠有效降低功率損耗，同時提高供電系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力；（3）根據(jù)不同負(fù)載情況下的電壓變化曲線可知，當(dāng)負(fù)載為感性負(fù)載時，由于其自身阻抗較大且電感較小，需要增加一個限流電阻以保證整個回路的正常運(yùn)行，并減小線路損耗，而在此基礎(chǔ)上還可以進(jìn)一步提高輸出功率；（4）隨著負(fù)載電阻增大，輸出電壓也隨之升高，但是會產(chǎn)生更多諧波分量；（5）當(dāng)負(fù)載電阻超過一定值后，輸出波形將發(fā)生明顯失真，此時應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)措施來改善輸出性能。由此表明，所提方案具有良好的可行性及實用價值。