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摘 要：严格按照本安电路的设计原则及方法，介绍了一种矿用本质安全型电源，该电源可用于含爆炸气体和粉尘的煤矿井下，拥有两级过流保护一级过压保护，重点介绍了过流保护和过压保护的详细设计，并测试了它的机械性能和电气性能，结果表明该设备通过了国家各项指标，在煤矿的实际应用中取得了良好的效果。
关键词：本安;电源;设计;实现
1.引言
近年来，我国煤矿机械化、自动化程度日益提高，矿井监控、通讯、仪表自动化系统等应用日益普遍，但煤矿的特殊环境，要求煤矿电气设备必须采用本安设备。本安电源作为矿用本安系统不可缺少的组成部分，其技术先进性和产品质量决定了本安设备的可靠性，从而直接影响到监测系統数据采集的准确性、稳定性，关系到矿井安全生产、抗灾能力和矿工安危。
一 .系统整体方案
根据煤矿用直流稳压电源的标准，电源输入电压为交流127V标称值的75%～110%（即95V～140V），输出电压的纹波电压不应超过直流输出电压12V的5%.根据要求，本文采用TOP244Y开关电源芯片，在高频开关电源的基础上，外加过压保护电路、过流保护电路，设计了新型的12V本质安全型电源（最高开路电压12.4V、最大短路电流150mA）。
二 系统整体方案
根据煤矿用直流稳压电源的标准，电源输入电压为交流127V标称值的75%～110%（即95V～140V），输出电压的纹波电压不应超过直流输出电压12V的5%.根据要求，本文采用TOP244Y开关电源芯片，在高频开关电源的基础上，外加过压保护电路、过流保护电路，设计了新型的12V本质安全型电源（最高开路电压12.4V、最大短路电流150mA）。
如图1所示，本系统包括以下3个部分：
开关电源电路、过压保护电路、过流保护电路。
三 .硬件电路设计
3.1 开关电源电路
开关电源电路将交流电127V转变成直流电23V.电路原理图如图2所示，交流电经过整流、滤波，成为纹波较大的直流电，通过高频变压器、开关电源芯片TOP244Y得到23V的直流电。
TOP244Y是Power Integration公司的TopSwitch II系列产品，它便于实现开关电源的优化设计，设计的交流输入电压范围是85V～265V.它能同时实现输入欠压保护、过压保护、从外部设定极限电流、降低最大占空比等功能。TOP244Y具有频率抖动特性，这对降低电磁干扰很有帮助。
TOP244Y的1引脚用于占空比控制，根据反馈电压改变占空比，调节电压稳定输出;2引脚提供线电压的过压、欠压等自动监测和调整;3引脚通常与三极管相连，实现远程开关控制，当三极管导通，3引脚接地，TOP244Y正常工作，当三极管断开，3引脚类于悬空，TOP244Y失能;4引脚为TOP244Y内部MOSFET的源极，6引脚为内部MOSFET的漏极，作为开关使用，提供给高频变压器;5引脚为频率引脚，接地时TOP244Y的工作开关频率为132KHz.R3为欠压或过压检测电阻，并能给线路提供电压前馈，以减少开关频率的波动。D2、D3构成漏极钳位电路，可吸收内部MOSFET关断时由高频变压器T1初级漏感产生的尖峰电压，保护MOSFET不受损。电阻R5用来从外部设定功率开关管的漏极极限电流，使之略高于满载或输入欠压时的漏极峰值电流，这就允许在电源起动过程中或输出负载不稳定但未出现饱和的情况下采用较小尺寸的高频变压器。当输入直流电压过压时，R5还能自动降低最大占空比Dmax，对最大负载功率加以限制。
精密光耦反馈电路由线性光电耦合器PC817A、稳压管D7、电阻R6、R8组成。输出电压Uo经过光耦去改变TOP244Y的1引脚电流IC，使占空比发生变化，进而调节Uo保持不变。反馈绕组的输出电压经D3、C8整流滤波后，给光耦中的接收管提供偏压。C10还与R14一起构成尖峰电压滤波器，使偏置电压在负载较重时能保持恒定。 3.2 过压保护电路
如图3所示，当输出电压12V因某种原因增加时（假设增加到13V），D11、D13稳压管导通，分别触发快速可控硅Q4、Q6，导通光电耦合器U2、U4，通过A、B点连接的三极管Q2、Q3基极电平被拉成低电平，实现对开关电源芯片TOP244Y的远程失能控制，TOP244Y停止工作，VCC电压为零，最终输出电压为零，实现输出过压保护。图中R11、R15的作用是减小快速可控硅输入端的偏置电流。
四 12V的直流电压输出
12V直流电压通过耐压值为50V电容量为47uF的电容进一步滤波后送入LM317集成模块，该模块的负载电流为1.5A，输出电压为10V，该10V的直流电压通过3W/0.68J的限流电阻以及两个金属氧化物半导体场效应管后进入7805稳压模块，该模块的负载电流为2A，输入电压范围为6-12V，具有过流保护，可在-45-85°C范围内正常工作，经过7805模块后，将输出+5V的直流电压 。当电路因为短路或者负载过小，而使得输出电流超过800mA时（以第一路为例），电阻R9上的压降会迅速增大，从而使得R5上的压降也随之增大，于是三极管Q2的基极电位降低，三极管Q2由截止状态转为导通状态，由于有电流流过，故R3与R4连接处的电位增大，从而是Q1由截止状态转为导通状态，由于Q1导通后，其上的压降只有1V，所以R2与R1连接处的电位只有1V，此时LM317的输出端的电压会因为R2与R1连接处的电位下降，而跌至1.9V。[6]从而实现第一级过流保护。同时因为电阻R9上的压降增大，使得R10，R11两端的电压也随之下降，运算放大器LM393反相端的电位值下降，从而使得LM393的输出正电压值增大，从而使得金属氧化物半导体场效应管Q3，Q4的栅极电位值上升，栅极与源级的电压差值增大，最终使得Q3，Q4的漏极与源极之间的电荷通道因为反向电压的作用逐步消失，最终使得Q3，Q4逐步由导通状态进入截止状态，最终使得7805模块的输入电压为0，从而起到第二级过流保护的作用
结束语
基于新型本安电源的设计，对系统的各个部分的设计电路进行了详述，并对电源进行了性能测试。该方案中的电源电路设计、结构设计采用多种保护措施，适合在煤矿井下具有煤尘、甲烷等爆炸性气体及潮湿恶劣环境下工作，是保证井下设备安全生产，高效运行的理想技术装备，也适用于化工、冶金、轧钢、港口、电厂等环境恶劣的其他领域。
关键词：本安;电源;设计;实现
1.引言
近年来，我国煤矿机械化、自动化程度日益提高，矿井监控、通讯、仪表自动化系统等应用日益普遍，但煤矿的特殊环境，要求煤矿电气设备必须采用本安设备。本安电源作为矿用本安系统不可缺少的组成部分，其技术先进性和产品质量决定了本安设备的可靠性，从而直接影响到监测系統数据采集的准确性、稳定性，关系到矿井安全生产、抗灾能力和矿工安危。
一 .系统整体方案
根据煤矿用直流稳压电源的标准，电源输入电压为交流127V标称值的75%～110%（即95V～140V），输出电压的纹波电压不应超过直流输出电压12V的5%.根据要求，本文采用TOP244Y开关电源芯片，在高频开关电源的基础上，外加过压保护电路、过流保护电路，设计了新型的12V本质安全型电源（最高开路电压12.4V、最大短路电流150mA）。
二 系统整体方案
根据煤矿用直流稳压电源的标准，电源输入电压为交流127V标称值的75%～110%（即95V～140V），输出电压的纹波电压不应超过直流输出电压12V的5%.根据要求，本文采用TOP244Y开关电源芯片，在高频开关电源的基础上，外加过压保护电路、过流保护电路，设计了新型的12V本质安全型电源（最高开路电压12.4V、最大短路电流150mA）。
如图1所示，本系统包括以下3个部分：
开关电源电路、过压保护电路、过流保护电路。
三 .硬件电路设计
3.1 开关电源电路
开关电源电路将交流电127V转变成直流电23V.电路原理图如图2所示，交流电经过整流、滤波，成为纹波较大的直流电，通过高频变压器、开关电源芯片TOP244Y得到23V的直流电。
TOP244Y是Power Integration公司的TopSwitch II系列产品，它便于实现开关电源的优化设计，设计的交流输入电压范围是85V～265V.它能同时实现输入欠压保护、过压保护、从外部设定极限电流、降低最大占空比等功能。TOP244Y具有频率抖动特性，这对降低电磁干扰很有帮助。
TOP244Y的1引脚用于占空比控制，根据反馈电压改变占空比，调节电压稳定输出;2引脚提供线电压的过压、欠压等自动监测和调整;3引脚通常与三极管相连，实现远程开关控制，当三极管导通，3引脚接地，TOP244Y正常工作，当三极管断开，3引脚类于悬空，TOP244Y失能;4引脚为TOP244Y内部MOSFET的源极，6引脚为内部MOSFET的漏极，作为开关使用，提供给高频变压器;5引脚为频率引脚，接地时TOP244Y的工作开关频率为132KHz.R3为欠压或过压检测电阻，并能给线路提供电压前馈，以减少开关频率的波动。D2、D3构成漏极钳位电路，可吸收内部MOSFET关断时由高频变压器T1初级漏感产生的尖峰电压，保护MOSFET不受损。电阻R5用来从外部设定功率开关管的漏极极限电流，使之略高于满载或输入欠压时的漏极峰值电流，这就允许在电源起动过程中或输出负载不稳定但未出现饱和的情况下采用较小尺寸的高频变压器。当输入直流电压过压时，R5还能自动降低最大占空比Dmax，对最大负载功率加以限制。
精密光耦反馈电路由线性光电耦合器PC817A、稳压管D7、电阻R6、R8组成。输出电压Uo经过光耦去改变TOP244Y的1引脚电流IC，使占空比发生变化，进而调节Uo保持不变。反馈绕组的输出电压经D3、C8整流滤波后，给光耦中的接收管提供偏压。C10还与R14一起构成尖峰电压滤波器，使偏置电压在负载较重时能保持恒定。 3.2 过压保护电路
如图3所示，当输出电压12V因某种原因增加时（假设增加到13V），D11、D13稳压管导通，分别触发快速可控硅Q4、Q6，导通光电耦合器U2、U4，通过A、B点连接的三极管Q2、Q3基极电平被拉成低电平，实现对开关电源芯片TOP244Y的远程失能控制，TOP244Y停止工作，VCC电压为零，最终输出电压为零，实现输出过压保护。图中R11、R15的作用是减小快速可控硅输入端的偏置电流。
四 12V的直流电压输出
12V直流电压通过耐压值为50V电容量为47uF的电容进一步滤波后送入LM317集成模块，该模块的负载电流为1.5A，输出电压为10V，该10V的直流电压通过3W/0.68J的限流电阻以及两个金属氧化物半导体场效应管后进入7805稳压模块，该模块的负载电流为2A，输入电压范围为6-12V，具有过流保护，可在-45-85°C范围内正常工作，经过7805模块后，将输出+5V的直流电压 。当电路因为短路或者负载过小，而使得输出电流超过800mA时（以第一路为例），电阻R9上的压降会迅速增大，从而使得R5上的压降也随之增大，于是三极管Q2的基极电位降低，三极管Q2由截止状态转为导通状态，由于有电流流过，故R3与R4连接处的电位增大，从而是Q1由截止状态转为导通状态，由于Q1导通后，其上的压降只有1V，所以R2与R1连接处的电位只有1V，此时LM317的输出端的电压会因为R2与R1连接处的电位下降，而跌至1.9V。[6]从而实现第一级过流保护。同时因为电阻R9上的压降增大，使得R10，R11两端的电压也随之下降，运算放大器LM393反相端的电位值下降，从而使得LM393的输出正电压值增大，从而使得金属氧化物半导体场效应管Q3，Q4的栅极电位值上升，栅极与源级的电压差值增大，最终使得Q3，Q4的漏极与源极之间的电荷通道因为反向电压的作用逐步消失，最终使得Q3，Q4逐步由导通状态进入截止状态，最终使得7805模块的输入电压为0，从而起到第二级过流保护的作用
结束语
基于新型本安电源的设计，对系统的各个部分的设计电路进行了详述，并对电源进行了性能测试。该方案中的电源电路设计、结构设计采用多种保护措施，适合在煤矿井下具有煤尘、甲烷等爆炸性气体及潮湿恶劣环境下工作，是保证井下设备安全生产，高效运行的理想技术装备，也适用于化工、冶金、轧钢、港口、电厂等环境恶劣的其他领域。