王诗斌，汪永强

（北京英视睿达科技有限公司，北京 100071）

0 引 言

环境空气质量检测仪是监测大气环境中PM2.5、PM10颗粒物浓度，SO2、NO2、O3、CO及TVOC污染物气体浓度与风速、风向气象参数的产品。产品采用ARM处理器，利用物联网、智能型传感器及GPRS无线通信技术，实时采集数据，并将数据传输到云端服务器上。产品是集光学、电化学、机械、物联网、通信、电子及计算机技术于一体的新型设备，其中产品的电源系统设计是最基础、最重要的一环，电源系统的设计直接影响产品运行的可靠性和性能指标的实现。

电源系统是将一次电源系统（电池和太阳能供电）提供的+48 V直流电源变换成产品所需要的电压。电压的质量对不同部件工作的稳定性和可靠性将产生重要影响[1]。同时要保证产品较高的可靠性，产品设计需要考虑其工作环境[2]。本文通过分析产品的工作环境，使设计的电源系统在满足性能要求的同时，达到较高的稳定性、可靠性和抗干扰性。

1 设备工作环境分析

环境空气质量检测仪工作环境多样，既可安装在子站，也可安装在工厂、工地、港口、道路交通、散煤燃烧、散乱污企业及餐饮密集区等。为适应各种工作环境，设计时必须考虑电路保护问题。

2 设备保护电路设计

2.1 保护电路设计一般原则

根据产品的工作环境，输入保护电路应考虑以下功能[3]。

（1）输入电源防接反设计。防止产品电源正负极接反而损坏。

（2）抑制浪涌。防止产品加断电产生的浪涌。（3）防雷设计。防止产品雷击损坏。

（4）电源滤波设计。防止产品的电源变换器开关噪声等污染系统电源品质。

（5）故障隔离设计。当出现短路时，能将故障隔离，防止故障范围扩大。

2.2 整体电路设计

整体电路设计如图1所示。

3 电源系统的设计

3.1 输入防接反设计

空气质量检测仪是直流供电的设备，若电源接反，

图1 设计框图

会导致设备内部电路烧坏。因此，采用MOS管型防反接保护电路。MOS管通过S管脚和D管脚串接于电源和负载之间，电阻Rg为MOS管提供电压偏置，利用MOS管的开关特性控制电路的导通和断开，从而防止电源反接给负载带来损坏。输入防接反设计如图2所示。

3.2 防浪涌设计

产品内有电源变换器，输入端连接小电感、大电容的滤波器，在开机瞬间会流过很大的浪涌电流，是正常输入电流的几倍甚至几十倍。因此必须采取措施降低浪涌电流的幅度。为抑制一次电源加电时产生的浪涌电流，本设计采用串联电感和续流二极管抑制浪涌电流。采用浪涌抑制电路前后测试浪涌电流如图3和图4所示。

图2 输入防接反设计

图3 未采取任何措施测试浪涌电流

图4 采用浪涌抑制电路测试浪涌电流

3.3 直流防雷设计

雷电具有高电压、大电流及瞬时性特征，强大的闪电向其通道外释放数百兆焦耳能量，产生静电场、电磁场及电磁辐射。本产品采用防雷器HM-48DC/2串联在电路中，防止雷电能量作用于产品。

本设备采用直流电源防雷器HM-48DC/2，电路设计如图5所示。

图5 直流防雷电路设计

3.4 滤波设计

产品内有电源模块，把直流转换为高频交流，再把高频交流转换为直流，转换过程中容易形成噪声。本产品电源输入端接上滤波器，可抑制电源模块产生的噪声影响电源品质[4]。在EMC试验室进行了10 kHz～18 GHz电场辐射发射控制，测试结果如图6和图7所示。测试结果满足GB/T17626.5的要求[5]。

图6 10 kHz～1 GHz电场辐射发射

图7 1 GHz～18 GHz电场辐射发射

3.5 故障隔离设计

当设备电源或后级电路出现短路时，选用电子开关能将该设备从系统供电连接中断开，防止设备短路，将故障范围扩大。根据系统电源需求和负载情况，选用两种电子开关，12 V使用TPS2421，5 V使用TPS2560。

4 结 论

本文阐述了基于物联网的空气质量检测仪电源系统保护电路设计，结合工程实践，对环境空气质量检测仪使用场景进行了分析，给出了环境空气质量检测仪设备电源保护电路方案，对防反接、防浪涌、防雷及滤波进行了详细设计。