数控式智能本安型电源的设计

2014-05-28陈伸

电气开关 2014年3期

陈伸

(沈阳广角成套电器股份有限公司，辽宁沈阳 110045)

1 引言

煤矿井下环境特殊，存在瓦斯、粉尘、一氧化碳等易燃易爆物质，因此矿井下的各类通信、监控、仪表和自动化等系统设备的供电电源必须满足防爆要求，本质安全型是防爆的最佳形式，所谓本质安全电路是指在正常工作或规定的故障状态下，产生的任何电火花(火花能量不超过0.25mJ)和热效应均不能引起周围可燃性气体燃烧或爆炸的电路。本安型直流稳压电源(简称“本安电源”)作为通信、监控、仪表和自动化等系统设备的供电电源其技术的先进性和产品的质量决定了整个系统设备的可靠性。据行业信息统计，系统设备的故障大约有70%以上是由电源引起的。因此本安电源的质量和技术的发展越来越得到人们的重视。

本安电源在生产和实际应用时会碰到一些难题。本安电源输出的电流远大于负载的工作电流，但是本安电源确经常出现误保护，无电压输出。问题主要集中在电源上电瞬间，这种现象严重影响了本安电源的带载能力。

本安电源在出厂调试时一般接滑动变阻器做为负载来调试过流保护值。ib安全级别有双重过流保护，这样调节保护电流时需要短接一路保护来调节另一路。调节本安保护电路上面的电位器。手动滑动变阻器时滑动的快慢又影响着保护电流值的精确度，这样导致检验效率很低。

目前本安电源输出电压规格有DC5V、12V、18V、24V的。这几种规格的本安电源按常规电路方案设计制作，前级的AC/DC转换和本安保护电路都不能通用互换给生产造成了不小的麻烦。

针对以上状况，依据多年积累的防爆电子产品设计和生产经验，从原理分析入手查找上述原因的根本所在，通过本安电源电路数控式设计，解决了本安电源的误保护问题，提高了带载能力;实现了本安输出直流电压和本安保护电流智能自动调节，解决了手动调节本安参数和一块本安电源可输出 DC5V、12V、18V、24V任意电压问题。提高了本安电源的可靠性、稳定性和免去了生产调试工作以及解决了电压互换性问题。

2 本安电源总体设计

该本安电源采用AC/DC降压转换电路、软启电路、单片机控制、采样电路(A/D转换)、双重过压保护电路、双重过流保护电路，如图1所示。

图1 本安电源总体框图

3 本安电源带载能力

本安电源的带载能力取决于双重保护的调节值，该值是经国家安全检验检测中心通过火花试验确定的。调节时要分别调节保护1和保护2的本安电源电流保护值。在调节时一般采用滑动变阻器做为模拟负载，接至本安输出端。当滑动变阻器阻值减小时，本安输出电流增大，直到过流保护。滑动变阻器阻值增大，模拟故障解除，电源恢复正常输出。由上述可见，本安电源电流的调节是按纯阻性负载调节的。对纯阻性负载而言负载电流比较接近额定工作电流值，带载能力较高。而实际应用中负载多由数字电路和模拟电路组成，电路特性呈感性或容性，上述办法调节好的电流值不能完全利用。

3.1 本安电源及负载等效电路

本安电源由AC/DC降压转换电路、软启电路、单片机控制、采样电路(A/D转换)、双重过压保护电路、双重过流保护电路构成。其等效内阻Ro、等效电感Lo、等效电容Co。等效电路如图2所示。

图2 本安电源等效电路

电源电流I由Co暂态电流Ic和负载电流Il两部分组成。在电源上电期间电容Co瞬间产生较大充电电流Ic。当I电流值达到本安保护电流值时，本安电源保护，切断输出。这是本安电源在上电瞬间误保护动作原因之一。

3.2 本安电源所带负载等效电路

本安电源所带负载由数字电路、模拟电路、电感、电容等组成。可等效为电阻Rl、分布电感Ll、分布电容Cl等效成串并电路，如图3所示。

图3 本安电源所带负载等效电路

负载电流Il由Icl和Irl组成。当上电瞬间Cl两端电压不能突变，Icl瞬间由大到小的变化，造成负载电流Il瞬间也由大到小的变化。当Il电流值瞬间达到本安保护电流值时，本安电源保护，切断输出。

3.3 提高本安电源带载能力方法

由上述分析得知减小本安电源的分布电容是提高本安电源带载能力的关键，但是往往负载电路为本安电路不能私自随意改动电路或器件参数。这样就只能在本安电源电路设计上做工作。就是前面提到的软启电路，使得上电瞬间电源输出电压由小缓升到正常输出值，避开电容暂态时电流大的过程。电压输出值是通过单片机输出PWM频率来控制开关电源输出电压值的。电路如图4所示。

图4 软启控制电路

上电瞬间本安电源输出电压低电容上暂态电流Icl随之减小，Icl进入稳态后本安电源输出正常值，达到降低总电流的目的，提高了带载能力解决了本安电源输出误保护问题。由于上述的改进设计，以12V，1.3A的本安电源为例原驱动4台催化式甲烷传感器现可驱动6台催化式甲烷传感器，大大提高了带载能力和工作稳定性。

3 数控采样保护

常规本安电源采用的保护电路多采用稳压管或运放电路等模拟电路来驱动三极管、场效应管、可控硅来控制输出保护。这样电路需要逐个调节电位器。电路如图5所示。

图5 模拟电路式本安保护电路

采用单片机数字电路进行控制，采样值经过A/D转换和数据分析后由单片机直接驱动场效应管进行保护。这样通过单片机的程序数据分析来控制保护点，解决了电位器调节问题同时又简化了硬件电路。在保护处理上通过单片机程序可解决误保护问题，当瞬间大电流或干扰信号采集到后，程序进行短暂延时滤波，延时周期过后电流依然大判断为真故障，启动保护。电路如图6所示。

图6 数控采样及保护电路

4 输出电压自动调节

该本安电源的控制核心由单片机控制。本安电源AC/DC降压转换电路输出直流电压的大小由单片机输出的PWM信号来控制，信号频率高输出电压相应就高。PWM信号频率在20～60kHz范围对于DC5～24V电压输出。这样通过单片机程序的改变实现了同一硬件电路和器件参数电压输出可调。输出不同电压对应不同电流值也通过单片机程序固化来实现的。电路如图7所示。