基于单端反激式变换器的矿用本安电源设计

朱明杰

（中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏 常州 213015）

0 引 言

在实际应用过程中，由于负载电阻和电感等元件参数不确定、电路结构复杂以及电源模块自身发热量大等因素影响，导致系统工作电流较大。因此，为了提高电源系统可靠性及功率转换效率，需要对其进行优化设计。若输入电压Uin大于输出电压Uout,则电源模块将进入充电模式，即可实现快速降压；当输入电压小于输出电压时，电源模块处于放电状态；如果输入与输出电压之差超过了最大值，则会出现过压现象。根据上述分析可知，通过调整输入与输出电压之比可以改变电源模块的工作方式，但是这种调节是有限度的，一旦超出此范围就会造成能量浪费或元器件损坏，因此在实际应用过程中要合理控制，避免出现过度调节问题。另外，由于电源模块体积较小，内部结构相对简单紧凑，可采用多个独立电源并联运行来减小电源模块的尺寸，以节约成本支出。

1 矿用本安电源的总体设计方案

1.1 矿用本安电源的技术要求

（1）额定功率Pm。矿用本安电源的额定功率通常为1 ～100 W，这主要取决于矿用设备的功率需求。额定功率的选择应考虑到设备的实际工作条件和可能的最大功率需求。额定功率Pm应满足设备在正常运行时的功率因数为0.95 以上，且当输出电流Ic与负载电阻Rs相等或大于Rs的最小值时，可保证输出电压Udc不超过其额定电压值。因此，对于额定功率Pm的选择必须考虑负载特性和输入输出条件。（2）最大功率Qmax。随着输出电流增大，输出电压Ud逐渐减小，因此要保证输出电流足够大才能确保电路安全可靠地工作并达到预期的输出功率，故应选取最大功率点作为最佳的输出功率点。（3）关断后的稳定性能。由于矿用本安电源一般都采用串联方式供电，若要使输出电压保持稳定，就需要有较高的关断时间Δt来维持。为此，本文通过实验确定了Δt=5 ms 以内的最优关断时间。

1.2 矿用本安电源的总体方案设计

系统总体方案如图1 所示，具体包括以下几点。

图1 矿用本安电源系统结构

（1）输入输出电路。在矿用本安电源系统中主要由整流滤波电路和稳压电路组成。其中，整流电路是为了将直流电源转换成所需的交流电，而稳压电路则可以对输入输出电压进行调节，从而使得整个供电系统能够正常工作。

（2）输出信号放大与驱动电路。该部分电路主要包括有功率放大模块、模数转换（Analog to Digital，AD）采样模块以及数字信号处理芯片等，通过这些硬件来实现对本安电源系统的有效控制，进而保证其稳定性。

（3）主控板及各类保护电路。主控制板主要负责对主控制器进行操作管理，并且需要对各个功能模块进行合理配置以便于更好地完成各项任务要求。同时，主控制要具备一定的数据处理能力，这样才能确保最终得到的信息能被及时处理。此外，主控制要具有较高的抗干扰能力，这就要求它必须具有良好的电磁兼容性能。

（4）通信接口。在本安供电系统中，除了上述2 个重要部件外，最为关键的就是通信接口。为了提高本安电源系统的可靠性与安全性，应当尽可能采用多种类型的总线型号，以此来满足不同类型设备之间的连接需求。此外，可以采用双绞线作为通信介质来实现信号的快速转换，而且还应考虑到电缆长度问题，避免因电缆过长造成布线复杂。

（5）存储芯片。对于本安电源系统而言，其内部所包含的数据存储容量十分庞大，如果直接将这些数据存储于外部存储介质中，则不仅会导致大量资源浪费，还会使得电路板体积过大，不便于后期维护管理，因此需要通过合理的选择方式来进行处理和储存。

1.3 矿用本安电源的硬件设计

（1）本安电源输入端的主要功能是给矿用本安开关电源提供稳定直流电源。由于本安电源的输入输出端口都在同一个芯片内部且相互独立，只需要考虑其输入和输出之间的关系即可。

（2）对于输入输出端口来说，除了要满足电路中各个元器件之间的电气连接外，要考虑到各元器件之间的互连问题以及信号线与地之间的相互影响，同时应保证每一个输入输出端口能够单独控制电路中所有的元器件，并且互不影响。

（3）根据不同类型矿用本安开关电源所使用的输入输出接口类型及特点来选择合适的输入输出端口形式。例如，矿用本安电源的输入输出一般有3 种方式，分别为串联型、并联型以及混合型，其中串联型输入输出端口最为常用，但是该种结构也存在一定缺点，就是当负载电阻较大时会导致输入/输出阻抗不匹配而产生噪声干扰。另外，如果采用这种结构会增加整个系统的复杂性，降低系统可靠性。

（4）在矿用本安电源的供电系统中，因为需要对其进行保护与控制，所以必须保证各元器件能够正常工作，以免因各种原因造成设备损坏或故障。因此，在电路板上应设置相应的限流电感，防止过压现象发生。同时，应该注意到电路中电阻值的选取问题，通常情况下，电路中的阻值越小越好，这样才能有效减少外界因素带来的误差。

2 矿用本安电源控制电路设计

2.1 主控芯片选择

在实际应用过程中，需要对其进行功率因数校正和保护电路设计。因此，选取STM32F103C8T6 单片机作为主控芯片，并且将输入输出接口电路均设置为晶体管-晶体管逻辑（Transistor Transistor Logic，TTL）电平转换方式。同时，要考虑到输出电压的稳定性问题以及抗干扰能力等，所以采用了差分放大器来实现高精度的运算处理功能。通过这种方法能够有效提升系统的抗干扰能力与抗噪性能，使得输出端的电流信号可以更好地被抑制。另外，由于该型号本身具备较强的抗电磁干扰能力，在正常情况下也不会出现较大的噪声。除此之外，该型号的本安电源具有较好的过压及欠压及短路保护作用，从而确保整个电路系统的可靠运行。当环境温度低于-10 ℃时就会自动切断供电；而当环境温度高于20 ℃时则需要对其进行散热降温，以保证其在-40 ～+60 ℃的工作温度范围内都能够满足要求。

2.2 采样电路设计

在采集到直流电压时，由于其具有较高的输入阻抗和较大的动态范围，当直流电流经过该部分时会对其造成很大影响，使得输出端的电压值出现偏差，进而导致输出电压与输入电压不一致。为了解决这个问题，需要将直流母线中的电流进行整流处理，并且通过调节电阻实现这一目的，将滤波器安装在变压器上，用2 个同轴电缆将滤波器相连接，从而构成一个完整的系统。在使用此方法后发现，只要频率大于20 kHz 或者是小于10 MHz，都能够获得较为理想的效果，而且不会产生明显失真，同时没有任何噪声[1-5]。

因为采用的是双通道的方波作为信号源，可以看到有很多高频谐波存在于其中，所以需要采取有效措施降低这些干扰信号，才能保证系统的正常运行。首先，应该对滤波器进行预处理，主要就是去除高频分量以及低频分量，再利用差分法计算出各个通道的电平。其次，还需要对输入输出端的阻抗进行测量，确保其处于合理范围内，这样才可以有效提高输出波形图的质量和准确度。最后，便是要对电容C1充电放电，当其达到饱和状态时，就可以开始向外供电，此时将会直接影响到整个系统的工作效率。为了防止出现这种情况，通常情况下会设置一个限幅值，一般来说不超过2%。

在实际应用过程中，电流突然增大或者减少都将会使得输出功率发生变化，从而导致输出波形失真，还会造成一定的安全隐患问题，为此通过采用双级降压法来实现这一目的，具体步骤如下。首先是经过AD 模块后，得到相应的模拟信号；其次将其转化成数字信号，并且将该信号传输至单片机芯片；最后由单片机处理完成数据采集与分析。其中主要包括以下内容：第一个部分就是对电压信号进行采集，而且也是最为关键的一部分内容；第二个部分则是要对电流信号进行采集，这样就可以有效提高供电效率和稳定性，进而确保整个电路正常运行；第三个部分则需要利用到分压电阻，以便于后续的数据处理，还有其他的一些功能模块，如比较器以及计数器等；第四个部分是要对输入端电压进行测量；第五个部分则是要对输出端的电压进行检测，以此来达到保护电路的效果。

2.3 驱动电路设计

当输入电压为5 V 时，芯片输出电压为-2 V 左右（正常工作电压范围内）。在此情况下，若将该芯片输出端与负载连接，则会使得其输出电压降低至0 V 以下；而如果将芯片输出端直接接在脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）模块上，则可以实现对电压和电流的有效控制。因此，可通过改变芯片输出端的电压来达到调节输出电压的目的。还要注意的是，由于芯片内部集成了很多元器件，在选择合适的芯片后，要根据实际需求进行合理设置。一般而言，当芯片输出端为高电平时，此时输出电压较低，但是仍然能够满足要求；反之，当其输出端为低电平时，则无法保证输出电压稳定性。为此，本文采用了双闭环控制方法，即当输出电压低于±15%时，芯片就会自动关闭；而当输出电压高于±20%时，芯片才会打开并且发出信号给主控单元，同时也会产生一个关断点。这样一来，即使在没有外部供电系统的条件下，也不会出现过流或欠压等问题。

3 结 论

通过对本安电源系统电路设计进行分析，得出以下结论：（1）针对本安电源在煤矿井下环境中应用时存在的问题，提出了一种适用于矿井环境的新型双输入三输出本安型开关电源方案；（2）该方案采用2 级串联结构，能够有效降低功率损耗，同时提高供电系统稳定性和抗干扰能力；（3）根据不同负载情况下的电压变化曲线可知，当负载为感性负载时，由于其自身阻抗较大且电感较小，需要增加一个限流电阻以保证整个回路的正常运行，并减小线路损耗，而在此基础上还可以进一步提高输出功率；（4）随着负载电阻增大，输出电压也随之升高，但是会产生更多谐波分量；（5）当负载电阻超过一定值后，输出波形将发生明显失真，此时应当采取相应措施来改善输出性能。由此表明，所提方案具有良好的可行性及实用价值。