专利名称：基于双冗余保护电路的新型18v矿用隔爆兼本质安全型电源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于双冗余保护电路的18V矿用隔爆兼本质安全型电源，属于本安防爆领域。
背景技术：
煤矿的特殊环境，要求电气设备在有瓦斯、煤尘等爆炸性气体的危险环境中使用，且无论设备出现任何故障，设备产生的任何火花或任何热效应均不能引起周围气体的爆炸。电源的关键部分即本质安全型参数主要是利用过压保护、过流保护的调整实现的。本质安全型电源的评定有多方面的规则，最重要的是在火花试验中，不得发生火花点燃，这样的话就能以火花点燃的观点将电源电路评定为本质安全型。火花点燃试验要求以电路的最危险段为基础，在被测试电路可能出现开路、短路或者接地故障的情况下进行点火试验。对电源来说，最不利条件通常发生在电阻串联在电源的输出电路中，当电压不降低并将电·流调到最大(即功率最大)的情况下。电源急剧短路瞬间允许通过的能量不应超过20uJ，这样就点燃不起火花。对电源的设计而言，电源在输出最高电压、最大电流(即功率最大)时，如果发生短路，能量的泻放速度快慢就成为本质安全型电源设计成功与否的关键。根据煤矿用直流稳压电源的标准，井下除车场、主运输巷外，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18V的5%。
实用新型内容为解决上述问题，本实用新型提供一种基于双冗余保护电路的18V矿用隔爆兼本质安全型电源，它可有效实现保护动作，并防止火花的产生，从而满足安全要求。为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案一种基于双冗余保护电路的18V矿用隔爆兼本质安全型电源，它包括开关电源模块，它将127V交流电转换为23V直流电后分别与输出过压保护模块、输出过流保护模块以及输出钳位稳压模块连接，输出钳位稳压模块则输出18V直流电，输出过压保护模块和输出过流保护模块的输出端则分别与输出钳位稳压模块连接，所述输出过压保护模块，采用双冗余结构，利用快速可控硅，在过压时切断后级输出，保证最大开路电压不超过18. 6V；输出钳位稳压模块，利用稳压管，将电压钳位在18V ;输出过流保护模块，采用双冗余结构，利用运放和单稳态触发器，实现过流时的快速保护，保证最大短路电流不超过100mA。所述开关电源模块开关电源芯片T0P249Y，它的输入端与整流电路连接，整流电路经扼流线圈和电容C2组成的EMI滤波器与交流电连接；只要合理地选择安全电容Cl和EMI滤波器(L1、C2)的元件值，就能使开关电源产生的电磁辐射符合CISPR22 (FCCB)/EN55022B国际标准。欠压检测电阻R3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T0P249Y内部MOSFET关断时由高频变压器Tl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。开关电源芯片T0P249Y还与高频变压器连接，高频变压器的输出电压Uo经过光耦去改变T0P249Y的I引脚电流1C，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。ClO还与R14—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。Tl的次级线圈接肖特基二极管Q1，用于整流；R4、C7组成整流二极管的缓冲吸收电路，吸收二极管Ql换流关断过程中的反向尖峰电压；C4、C5为相同的电解电容并联，可减小滤波电容的等效电感，减小次级线圈输出端的纹波电压；L2、C6可滤除开关噪声。Tl次级线圈电路可将次级线圈输出端方波电压整流成单向脉动直流并将其平滑成低纹波的直流 电压。所述输出过压保护模块输出过压保护电路分为两部分，一路是开关电源输出过压双冗余保护电路，另一路是18V输出过压双冗余保护电路；其中，开关电源输出过压双冗余保护电路包括结构相同的两个支路，它们分别与开关电源模块输出端连接，每个支路都是由一个二极管、一个稳压管串联而成，稳压管通过以电阻与可控硅触发端连接；两可控硅的一端接地，另一端均与三极管T7的基极连接，三极管T7、T6组成达林顿结构；18V输出过压双冗余保护电路也包括结构相同的两个支路，每个支路均包括一对反接的稳压管，稳压管与可控硅的触发端连接，可控硅的一端接地，另一端与光耦合器连接。所述输出过流保护模块包括两个结构相同的支路，每个支路均包括一个稳压芯片、运放和单稳态触发器。当电流通过取样电阻时，在取样电阻上产生压降，这个电压经过和预先设定好的阈值进行比较取样电压输入到运放U5的4脚反相输入端，阈值电压接运放U5的5脚同相输入端,若取样电压高于设置好的阈值电压，U5的2脚输出低电平，产生下降沿脉冲触发单稳态触发器，输出控制电平，关断输出，实现过流保护。所述输出钳位稳压模块包含一个取样电阻R35，它经二极管D18接18V输出，所有电流灌入R35，二极管D18两端并联有串联的D19、D28稳压管，三极管Q14的发射极与D19 —端连接，将电压钳位到10V，基极电压为10. 7V，与调节电位器连接，使输出电压稳定在18V，输出电压中的纹波电压不应超过输出电压直流18V的5%。本实用新型针对隔爆兼本质安全型电源的要求，采用T0P249开关电源芯片，在高频开关电源的基础上，外加双冗余过压保护电路、双冗余过流保护电路，设计了新型18V隔爆兼本质安全型电源(最闻开路电压18. 6V、最大短路电流100mA)。它以闻频变压器和开关电源芯片T0P249Y为核心，辅以整流、滤波电路，将交流电转换为23V直流电；输出过压保护模块，采用双冗余结构，利用快速可控硅，在过压时切断后级输出，保证最大开路电压不超过18. 6V ;输出钳位稳压模块，利用稳压管，将电压钳位在18V ;输出过流保护模块，采用双冗余结构，利用运放和单稳态触发器，实现过流时的快速保护，保证最大短路电流不超过IOOmA0本实用新型的优点为①过压保护动作时，切断输出，并可以延时恢复，若依然过压则再次切断输出；②过流保护动作时，切断输出，并可以自恢复，自恢复周期由单稳态触发器决定，若依然过流则再次切断输出；③过流、过压保护电路均为双冗余结构，当一路保护电路出现故障时，不会影响电源的保护功能，提高了电源的可靠性；④短路保护动作时，电压下降时间为50ns，此时电路释放能量小于20uJ，完全符合本质安全型要求。本装置电路设计、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。
图I为本实用新型的结构示意图。图2为开关电源电路结构示意图。图3为开关电源输出过压双冗余保护电路图。图4为18V输出过压双冗余保护电路图。图5为输出钳位稳压电路图。图6为单路输出过流保护电路图。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明。本实用新型的系统结构图如图I所示。系统包括以下4个部分开关电源模块、输出过压保护模块、输出钳位稳压模块、输出过流保护模块。I.开关电源模块开关电源模块将交流电127V转变成直流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T0P249Y得到23V的直流电。交流电通过压敏电阻R1、EMI滤波器(L1、C2)，经D1、C3整流、滤波后，得到纹波较大的直流电，送入高频变压器Tl。只要合理地选择安全电容Cl和EMI滤波器(L1、C2)的元件值，就能使开关电源产生的电磁辐射符合CISPR22 (FCCB)/EN55022B国际标准。Tl的次级线圈接肖特基二极管Q1，用于整流；R4、C7组成整流二极管的缓冲吸收电路，吸收二极管Ql换流关断过程中的反向尖峰电压；C4、C5为相同的电解电容并联，可减小滤波电容的等效电感，减小次级线圈输出端的纹波电压；L2、C6可滤除开关噪声。Tl次级线圈电路可将次级线圈输出端方波电压整流成单向脉动直流并将其平滑成低纹波的直流电压。T0P249Y是Power Integration公司的TopSwitchll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。T0P249Y具有频率抖动特性，这对降低电磁干扰很有帮助。T0P249Y的I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，T0P249Y正常工作，当三极管断开，3引脚类于悬空，T0P249Y失能；4引脚为T0P249Y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T0P249Y的工作开关频率为 132KHZ。R3为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Tl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。[0032]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T0P249Y的I引脚电流1C，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。ClO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。[0033]图2中，开关电源的输出电压VCC输入到后级保护电路以及钳位稳压电路；A、B点通过电阻、稳压管连接三极管Q2、Q3，与18V输出过压保护电路一起实现对T0P249Y的开关控制。[0034]2.输出过压保护模块[0035]输出过压保护电路分为两部分，一路是开关电源输出过压双冗余保护电路，如图3 所示；另一路是18V输出过压双冗余保护电路，如图4所示。[0036]当开关电源模块输出VCC因某种原因增加时(假设为VCC为30V时)，D22、D23 稳压管导通，分别触发快速可控硅Q12、Q13使之导通，三端可调恒流源NI的输出电流通过 Q12、Q13流入地，则关断T6、T7，使输出电压为零，实现开关电源输出的双重过压保护。 其中，T6、T7组成达林顿结构，可通过大电流；快速可控硅使用MCR100-6，R30、R31的作用是减小快速可控硅输入端的偏置电流。图3中，C点连接输出钳位稳压电路，D点连接过流保护电路的MOS管。[0037]开关电源输出过压保护电路使用了双冗余电路，两个电路结构完全一致，提高过压保护的可靠性。[0038]当最终输出电压18V因某种原因增加时(假设增加到21V)，D1UD13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T0P249Y的远程失能控制，T0P249Y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。[0039]18V输出过压保护电路使用了双冗余电路，两个电路结构完全一致，提高过压保护的可靠性。[0040]3.输出钳位稳压模块[0041]图5为输出端钳位稳压电路。R35为小阻值大功率的取样电阻，阻值为7. 5Ω。利用D19、D28稳压管，使Q14的发射极电压钳位到10V，基极电压为10. 7V，通过调节电位器Wl 和选择恰当的电阻R21、R32，使输出电压稳定在18V。[0042]由于R35的存在，输出电压18V存在一定的纹波。纹波电压不应超过输出直流电Oο压18V的5%，即纹波最大绝对值为0.9V，则电源的电流最大容限为# = 0.121图中，E/ V-!) D点是取样电压点，连接输出过流保护电路中运放的反相输入端。[0043]4.输出过流保护模块[0044]图6为单路输出过流保护电路。由图5知，18V输出接负载时，所有电流灌入R35。 当电流通过取样电阻R35时，在取样电阻上产生压降，将电流转换成取样电压。U7为三端集成稳压器78L08，通过R37、R39得到一个设定好的电压阈值。将取样电压和预先设定好的电压阈值进行比较取样电压输入到U5的4脚反相输入端，阈值电压接U5的5脚同相输入端，若取样电压高于设置好的阈值电压，U5的2脚输出低电平,产生下降沿脉冲触发单稳态触发器U9，产生暂稳态，输出高电平，导通MOS管Q8，图2中的电流源NI产生的控制电流灌入地，则T6、T7关断，断开输出，实现过流保 护。R43、R41、R45、C27、C29、C31组成单稳态触发器U9的配置电路，决定了 U9的暂稳态时间。[0045]电源输出过流保护电路使用了双冗余电路，两个电路结构完全一致，提高过流保护的可靠性。
权利要求1.一种基于双冗余保护电路的18V矿用隔爆兼本质安全型电源，它包括开关电源模块，它将127V交流电转换为23V直流电后分别与输出过压保护模块、输出过流保护模块以及输出钳位稳压模块连接，输出钳位稳压模块则输出18V直流电，输出过压保护模块和输出过流保护模块的输出端则分别与输出钳位稳压模块连接，其特征是，所述输出过压保护模块，采用双冗余结构，利用快速可控硅，在过压时切断后级输出，保证最大开路电压不超过18. 6V ;输出钳位稳压模块，利用稳压管，将电压钳位在18V ;输出过流保护模块，采用双冗余结构，利用运放和单稳态触发器，实现过流时的快速保护，保证最大短路电流不超过IOOmA0
2.如权利要求I所述的基于双冗余保护电路的18V矿用隔爆兼本质安全型电源，其特征是，所述开关电源模块开关电源芯片TOP249Y，它的输入端与整流电路连接，整流电路经扼流线圈和电容C2组成的EMI滤波器与交流电连接；欠压检测电阻R3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，吸收TOP249Y内部MOSFET关断时由高频变压器Tl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；当输入直流电压过压时，R5自动降低最大占空比Dmax,对最大负载功率加以限制；开关电源芯片T0P249Y还与高频变压器连接，高频变压器的输出电压Uo经过光耦去改变T0P249Y的I引脚电流1C，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 —起构成尖峰电压滤波器，使偏置电压在负载较重时保持恒定；Tl的次级线圈接肖特基二极管Q1，用于整流；R4、C7组成整流二极管的缓冲吸收电路，吸收二极管Ql换流关断过程中的反向尖峰电压；C4、C5为相同的电解电容并联，减小滤波电容的等效电感，减小次级线圈输出端的纹波电压；L2、C6滤除开关噪声；T1次级线圈电路将次级线圈输出端方波电压整流成单向脉动直流并将其平滑成低纹波的直流电压。
3.如权利要求I所述的基于双冗余保护电路的18V矿用隔爆兼本质安全型电源，其特征是，所述输出过压保护模块输出过压保护电路分为两部分，一路是开关电源输出过压双冗余保护电路，另一路是18V输出过压双冗余保护电路；其中，开关电源输出过压双冗余保护电路包括结构相同的两个支路，它们分别与开关电源模块输出端连接，每个支路都是由一个二极管、一个稳压管串联而成，稳压管通过以电阻与可控硅触发端连接；两可控硅的一端接地，另一端均与三极管T7的基极连接，三极管T7、T6组成达林顿结构；18V输出过压双冗余保护电路也包括结构相同的两个支路，每个支路均包括一对反接的稳压管，稳压管与可控硅的触发端连接，可控硅的一端接地，另一端与光耦合器连接。
4.如权利要求I所述的基于双冗余保护电路的18V矿用隔爆兼本质安全型电源，其特征是，所述输出过流保护模块包括两个结构相同的支路，每个支路均包括一个稳压芯片、运放和单稳态触发器。当电流通过取样电阻时，在取样电阻上产生压降，这个电压经过和预先设定好的阈值进行比较取样电压输入到运放U5的4脚反相输入端，阈值电压接运放U5的5脚同相输入端,若取样电压高于设置好的阈值电压，U5的2脚输出低电平,产生下降沿脉冲触发单稳态触发器，输出控制电平，关断输出，实现过流保护。
5.如权利要求I所述的基于双冗余保护电路的18V矿用隔爆兼本质安全型电源，其特征是，所述输出钳位稳压模块包含一个取样电阻R35，它经二极管D18接18V输出，所有电流灌入R35，二极管D18两端并联有串联的D19、D28稳压管，三极管Q14的发射极与D19 —端连接，将 电压钳位到10V，基极电压为10. 7V，与调节电位器连接，使输出电压稳定在18V，输出电压中的纹波电压不应超过输出电压直流18V的5%。
专利摘要本实用新型涉及一种基于双冗余保护电路的18V矿用隔爆兼本质安全型电源，它可有效实现保护动作，并防止火花的产生，从而满足安全要求。它包括开关电源模块，它将127V交流电转换为23V直流电后分别与输出过压保护模块、输出过流保护模块以及输出钳位稳压模块连接，输出钳位稳压模块则输出18V直流电，输出过压保护模块和输出过流保护模块的输出端则分别与输出钳位稳压模块连接，所述输出过压保护模块，采用双冗余结构，利用快速可控硅，在过压时切断后级输出，保证最大开路电压不超过18.6V；输出钳位稳压模块，利用稳压管，将电压钳位在18V；输出过流保护模块，采用双冗余结构，利用运放和单稳态触发器，实现过流时的快速保护，保证最大短路电流不超过100mA。
文档编号H02M7/02GK202634297SQ20122027569
公开日2012年12月26日 申请日期2012年6月13日 优先权日2012年6月13日
发明者周风余, 王虎升, 台述鹏, 袁宪锋, 郭丹, 王小龙, 王然 申请人:山东大学