矿用宽范围直流输入电源模块设计.pdf

第 4 1卷 第 7期 2 O l 5年 7月 工矿 自 动 化 I nd us t r y a nd M i n e Aut o ma t i o n Vo L 4 1 NO ． 7 J u 1 ．2 o 1 5 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 7 0 0 9 0 ～ 0 5 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 7 ． 0 2 1 胡云 ， 吴银成 ， 张小波 ， 等． 矿用宽范围直流输入电源模块设计 I- J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 7 9 0 ～ 9 4 ． 矿用宽范围直流输入电源模块设计 胡 云 ， 吴银 成 ， 张 小波 ， 黄 绍锦 中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆4 0 0 0 3 9 摘 要 针 对矿 用传 感 器与 直流供 电 系统 电源 电压 等 级 不一 致 、 电源 类型 不相 符 的 问题 ， 提 出了一 种 新 型 宽 范 围直流 输入 的本 安 型 电源模 块设计 方 案 。该 电源模 块 基 于 B u c k和 隔 离反 激拓 扑 设 计 ， 前 端采 用 Bu c k 电路 避免 了直接 采 用反 激拓 扑 而导 致 开关 管承 受 高耐压 所 带 来 的风 险 ， 后 端 采 用 隔 离反 激拓 扑 满 足 了非 本 安端 和本 安 端的 电 气隔 离要 求 ， 具 有 输 入 防反 接 、 D C 9 ～ 3 5 0 V 范 围 直 流 输入 、 本 安 电 源输 出、 易 于 集 成 的 优 点 。 关键 词 矿 用 电源 ； B u c k拓 扑 ；隔 离反 激拓 扑 ；限流 电路 ； 启 动 电路 ；宽范 围直流 输入 中图分类 号 T D6 l l 文献 标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 0 7 0 1 1 l 2 5 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ w ww． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 5 0 7 0 1 ． 1 1 2 5 ． 0 2 1 ． h t ml De s i gn o f wi d e r a n ge DC i np u t p o we r mo d u l e us e d i n c o a l mi ne HU Yu n， WU Yi n c h e n g， ZHANG Xi a o b o ， HUANG S h a o j i n CC TEG Ch o n g q i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Ch o n g q i n g 4 0 0 0 3 9 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w of pr o bl e ms t ha t po we r s u ppl y v o l t a g e l e v e l a n d p o we r t y pe b e t we e n m i ne us e d s e ns o r s a nd DC p o we r s up pl y s ys t e m i s i nc o ns i s t e nt ，a d e s i gn s c h e m e o f ne w t yp e o f wi de r a n ge DC i n pu t a nd i nt r i ns i c s a f e t y t y p e po we r m o du l e wa s pu t f o r wa r d．The po we r mod ul e i s b a s e d o n Buc k a nd i s o l a t e d f l y b a c k t o p o l o g y ，f r o n t e n d u s e s t h e Bu c k c i r c u i t t o a v o i d r i s k c a u s e d b y d i r e c t u s e o f t h e f l y b a c k t o p o l o g y wh i c h ma y b r i n g h i g h p r e s s u r e t o s wi t c h t u b e ，a n d t h e b a c k e n d u s e s i s o l a t e d f l y b a c k t o p o l o g y t o me e t i s o l a t i o n r e qu i r e me nt s o f e l e c t r i c a l e qu i pme nt wi t h n o n i nt r i ns i c s a f e t y a n d i n t r i ns i c s a f e t y． The p o we r mo dul e h a s a dv a n t a g e s o f a nt i r e ve r s e i npu t ，DC9 3 5 0 V i n put ， i nt r i n s i c s a f e t y po we r out put a n d e a s y i n t e g r a t i o n． 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 1 5 ； 修回 日期 2 0 1 5 0 5 1 I ； 责任编辑 张强 。 基金项 目 中国煤炭科工集 团科技 创新基 金青年基 金项 目 2 0 1 4 QN O l 6 。 作者简介 胡云 1 9 8 8 一 。 男， 重庆云阳人 ， 实习助理研 究员 ， 硕 士， 研 究方 向为煤 矿监控技术及仪 器仪表 ，E ma i l z l d a n e 1 2 6 ． c o rn。 综合 管 理 。 6 可通过 L TE网络及智能手机终端实现视 频监控 、 安全监控 、 移动办公、 隐患管理等扩展应用。 3 结语 矿用 L TE无线通信系统的基站等设备可方便 地接人矿井现有工业 以太网来构建井上井下一体化 无线通信网络 ， 实现移动语音通信 、 视频通信 、 集群 调度、 多媒体短信等功能 ， 以及视频监控、 安全监控 、 移动办公 、 隐患管理等扩展应用 。系统 的建设符合 矿井信息化 、 智能化发展的需求 ， 具有较好的市场推 广 应 用前 景 。 参考文献 [ 1 ] E e l [ 3 ] [ 4 - 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5 8 8V 图 5 方波发生 电路 的实测输 出波形 图 6升 压 滤 波 电路 的实 测 输 出波 形 3 ． 1 电感参 数计 算 电感参数计算步骤 1 由于 电路 工 作 于 临 界模 式 ， 输 出 电流 I 。 一 1 A， 则 I 一2 1 一2 1 。 一2 A， 其 中 J 为 输 入 电 流最大峰值 ， 工 为平均电流 。 2 由 电 感 两 端 电 压 与 电 流 的 关 系 V。 一 Ld i ／ d t 可得 L一 V o d t ／ d i ， 其 中 为 输 出 电压 ， L 为储能 电感 ， 出 为 电感 续 流 时 间 ， d 为 对 应 d 时 间 内 的电流 纹波 变化 。 3 d i 一 般 取 输 出 电 流 的 2 0 9 ／ 6 ， 由输 入 电 压 、 输出电压 以及开关频率共同决定 d t一 1～ 1 -， Vi n 式 中 、 ／ r i 为输 入 电压 ； f为开关 频 率 。 4 将 Vi 一3 2 0 V， V。 一1 2 V， ，一5 0 k Hz 代人 步骤 2 、 步骤 3 可求得 L 1 ． 1 2 mH。 5 考 虑 到 电 感 自身 的 2 0 误 差 和 1 O ～ 3 5 的降额 ， 所 以， 取 L一 1 ． 1 2 ／ 0 ． 80 ． 6 5 一 2． 1 5 m H 。 3 ． 2 电容 参数 计 算 电容参数计算公式 c 一 2 式中 C为 电容容 量 ； A I 为流 过 电感 的 电流 变化 量 ； T 为开关周期 ； △ U 为电容两端电压的变化量 。 电感 电流 的变化 为 一 3 将 式 3 代入 式 2 ， 可得最 小 滤波 电容 C 。 量 一 重 2 0 1 5年 第 7 期 胡 云等 矿 用宽 范 围直流输入 电源模 块设计 9 3 c 一 ㈤ 选 取 电源输 出纹 波 不超 过 输 出 电压 的 2 0 ， 可 得 C i 一3 v F， 考虑到电容 的自身误差以及降额， 实 际 应用 中选 取 滤 波 电容 C z 为 4 7 0 F F， 电 感 L z为 1 8 mH 选用 P Q2 6 2 o磁 芯绕制 。实测 B u c k电路 输 出 电压纹 波 在 空载情 况 下 最大 不 超过 2 5 mV， 满 载情况下最 大不 超过 1 0 0 mV， B u c k电路 原理 如 图 7所示 。 a P WM 控制电路 P Q 2 6 2 0 b 电源主回路 图 7 B u c k电路原理 4电源本 安处 理 由于该 电源 模块 是用 于煤 矿 环境 ， 所 以 ， 必 须 给 电源输 出增 加能 量 限制 电路 [ 1 。 。 ， 电源 的本 安 处 理 主 要为过流保护和防反接保护 。 设计 中 ， 过 流保 护并 非采 用传 统 的恒 流保 护 ， 而 是 采用 了截 流式 与 恒 流 式 相 结合 的方 式 ， 当 输 出过 流时 ， 电路会保持最大额定电流输 出一段时间， 然后 关 闭 电流输 出 ， 经过 一段 时 间后接 着再 恒 流输 出 ， 电 路 的 防反接 保护 由 2个 串联 的二 极管 构成 。本 安处 理电路如图 8所示。 本安 处 理 电 路 控 制 原 理 ① 正 常 运 行 时 ， 流过 检测 电阻 R 的电流较小 ， 在 R 上产生 的压降不足 以开 启 三 极 管 VT P MO S管 VT 的 开 启 电 压 U 。 。 值 约为 一 ， 沟道 完全 导通 ， U 。 约 等 于 0 ； ② 负 载增 大 ， 流过 R 上 的 电流 增 加 到 1 6 6 mA 时 ， P NP 三极 管 VT 。 开始 导 通 ， 使 得 P MOS管 VT 进 入 可 变 电 阻区 ， 从 而保 持线 路上 的 电流恒定 ；③ C 两 端 电压 上 升 到 门 限 电压 后 ， 比较 器 D 的端 口输 出 低 电平 ， 三极管 VT 。 导 通 ， P MOS管 VT 的 U。 约 等 于 0 ， VT 截流 ； ④ 电容 C 。 两端 电压升高， 三极管 VT 。 截 止 ， VT 导 通 ， 电路 进 入 恒 流 模 式 ， 如 此 反 复 ， 恒 流截流 交替 进行 ， 可实 现过 流保 护 。通过调 整 C 。 和 C 的值， 可以调整恒流截流时间， 实际电路测 试 电 流波 形 如 图 9所示 ， 恒 流 时 间约 为 1 0 0 ms ， 截 流时间约为 5 0 0 ms 。在外部发生短路故障时， 本安 9 4 工矿 自动 化 2 0 1 5年 第 4 1卷 VT 1 R 4 9 。 。 e L 1 2 。．。2一f r 『 l S Mc ] l 3 C A J 3 9 om D ‘ R 5 4 。 1 v T t 。 _ 上 土 业 0 c 8 ． 5 1 0 k n U 3 l 3 l 6 一 1 7 I 上c 3 7 3 十 l To 0 1 p ,F 广 1 R 5 6 R 6 2 n 2 E E - Lr 5 1。 。0 6 0 4 U ] 2 C 3 6 2 l 一 F U1 五 【 l f 1 R ， 。 【 1 2 0 k 1 4 一 l VD1 6 2 一 一 C5 4 0 01 L I 一 c R 5 8 广 1。 。 R 6 0 _ C 3 8 0 2 2 5 1 0 k o y 6 0 4 k n P O 、 -- 0 0 1 ；a F 2 l I l 图 8 本安处理 电路原理 人 ， 提 出 了基 于 B u c k拓 扑 的 电 源 模 块 设 计 方 案 。 该 电源模块 输 入 电 压 范 围可 达 D C 9 ～3 5 0 V， 满 足 了宽 范 围输 入 的设 计 要 求 ， 适 用 于 井 下 直 流输 出 电 源波 动范 围较 大且 需要 安装 低功 耗传 感器 的 场合 。 图 9 本安 处理 电路的过流输出波形 处 理 电路能 有效 地 限制 电源模 块 能量 的输 出 。 5试 验验 证 对 设 计 的原 理 样 机 进行 试 验 ， 电源 模 块 输入 电 压 、 输 入 功率 、 输 出 电压 等 数 据 见 表 2 ， 从 表 2可看 出 ， 设 计 的电源 模块 满 足 了宽范 围输 入 电压 的要求 ， 输 出功率也满足了矿用传感器的要求 。 表 2 电源模块试验数据 6 结 语 针对井下 9～3 2 0 V 不 同等 级 的直流 电源 输 参 考 文 献 [1 ] A B R AHAM I P ． 开关 电源设计 [ M] ． 2版． 王 志强 ， 译． 北京 电子 工业 出版社 ， 2 0 0 5 2 1 - 3 4 ． [ 2] B I L L L I NG S K． 开关 电源 手 册 [ M] ． 2版． 张 占松 ， 汪仁煌 ， 谢 丽 萍 ， 译． 北 京 人 民 邮 电 出 版 社 ， 2 0 0 6 11 5 1 2 6． [3] G B 3 8 3 6 ． 1 2 O 1 O爆炸 性环境 第 1部分 设 备 通 用 要求[ s ] ． [4] GB 3 8 3 6 ． 4 2 O 1 O爆炸性环境 第 4部分 由本质安 全 型“ i ” 保护的设备E s 3 ． [ 5] 杨立杰 ． 多路输 出单端反激式 开关 电源设计 E J ] ． 现 代 电子技 术 ， 2 0 0 7 6 2 3 2 4 ． [ 6] 薛 蒙． 反 激 型 多路 开关 稳 压 电源 的设 计 E D] ． 青 岛 青 岛理 工大学 ， 2 0 1 1 2 9 - 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