本安电源装置和包括本安电源装置的变送器的制作方法

本公开涉及一种本安电源装置，更具体地，涉及一种利用绕组电压进行反馈控制的具有宽输入电压范围的本安电源装置。此外，本公开涉及一种包括本安电源装置的变送器。
背景技术：
：本安电源装置即本质安全电源装置，是用于爆炸性气体环境的防爆电气设备，它在极端情况下的放电能量不会点燃爆炸性气体。因此，要求本安电源装置具有稳定的电压输出，从而尽量避免放电现象。通常，本安电源装置被供以非本安供电电压。该非本安供电电压通常具有较宽的输入电压范围。例如，如果非本安供电电压的额定值是24vdc，则供电电压通常在18vdc至30vdc的范围内波动。出于安全考虑，通常在上述非本安供电电压的基础上使用两个电路级来构造用于为工业系统的本安电路部分供电的本安电源装置。其中一个电路级用于实现非本安电路部分和本安电路部分之间的隔离，而另一个电路级用于实现反馈稳压以获得稳定的本安电源装置的本安输出电压。技术实现要素：在下文中将给出关于本公开的简要概述，以便提供关于本公开的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本公开的穷举性概述。它并不是意图确定本公开的关键或重要部分，也不是意图限定本公开的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。本公开提出了一种本安电源装置，其中仅使用一级电路即能够实现本安电源装置中的非本安电路部分和本安电路部分之间的隔离功能以及本安电源装置的反馈稳压功能二者，同时还具有宽的非本安供电电压的输入电压范围。根据本公开的一个方面，提供了一种本安电源装置，其包括：变压器，具有初级绕组和次级绕组，非本安供电电压经由开关电路被提供给初级绕组，开关电路控制初级绕组上的电压；控制单元，其对变压器的初级绕组上的电压进行采样并且基于所采样的初级绕组上的电压输出控制开关电路的开关的控制信号；以及输出单元，其连接到变压器的次级绕组并且提供本安输出电压。根据本公开的一个实施例，开关电路包括开关晶体管，并且控制信号施加到开关晶体管的控制电极。根据本公开的另一实施例，开关电路包括由开关晶体管构成的全桥电路，并且控制信号施加到构成全桥电路的各个开关晶体管的控制电极。根据本公开的一个实施例，控制单元对变压器的初级绕组两端的电压进行采样。根据本公开的另一实施例，控制单元对变压器的初级绕组的特定点处的电压进行采样。根据本公开的一个实施例，输出单元包括与变压器的次级绕组串联连接的整流二极管和电容器，本安输出电压是电容器两端的电压，以及开关电路与整流二极管和电容器构成反激电路。根据本公开的一个实施例，变压器具有两个或更多个次级绕组，以及本安电源装置具有与变压器的两个或更多个次级绕组一一对应的两个或更多个输出单元，从而能够提供两路或更多路本安输出电压。根据本公开的另一方面，提供了一种包括上述本安电源装置的变送器。根据本公开的本安电源装置能够简化电源电路的设计，从而具有结构紧凑、低成本和高效率的优点。附图说明本公开可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本公开的优选实施方式和解释本公开的原理和优点。图1是图示了现有技术的本安电源装置的电路框图；图2是图示了使用光耦合器o1构成的反馈环路的本安电源装置的电路框图；图3是图示了根据本公开的一个实施例的本安电源装置的结构框图；以及图4是图示了根据本公开的实施例的本安电源装置的一个具体示例的示意性电路图。具体实施方式在下文中将结合附图对本公开的示范性实施方式进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施方式的过程中可以做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，并且这些决定可能会随着实施方式的不同而有所改变。在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本公开，在附图中仅仅示出了与根据本公开的方案密切相关的装置结构，而省略了与本公开关系不大的其他细节。以下借助附图更为详细地阐述根据本公开的利用绕组电压进行反馈控制的宽输入电压范围的本安电源。应理解的是，本公开并不会由于如下参照附图的描述而只限于所描述的实施形式。图1图示了现有技术的本安电源装置10的电路框图。图1中所示的本安电源装置10被供以例如额定值为24vdc的非本安供电电压v0。如上文所述，非本安供电电压v0通常在18vdc至30vdc的范围内波动。如图1中所示，本安电源装置10包括第一电路级st1、第二电路级st2以及控制单元1011和1012。第一电路级st1由开关电路102、变压器t1和整流电路103构成。具体地，如图1中所示，非本安供电电压v0通过开关电路102进行斩波，随后被施加到用于隔离非本安电路部分和本安电路部分的变压器t1的初级绕组wp上。这里，开关电路102例如是由开关s1至s4构成 的全桥电路。这里所称的“非本安电路部分”指的是变压器t1的初级绕组wp侧的电路部分，包括开关电路102等。此外，这里所称的“本安电路部分”指的是变压器t1的次级绕组ws侧的电路部分，包括整流电路103以及后面描述的第二电路级st2等。开关s1至s4可以是例如开关晶体管，诸如双极型晶体管。由非本安电路部分侧的控制单元1011提供用于控制开关s1至s4的开关的控制信号，从而可以控制变压器t1的初级绕组wp上的电压。例如，控制单元1011可以提供施加到各个开关晶体管s1至s4的控制电极的信号。在变压器t1的次级绕组ws上感生的电压通过整流电路103进行整流，从而获得第一电路级st1的输出电压v1。例如，整流电路由开关s5和s6以及整流二极管d1和d2构成。由本安电路部分侧的控制单元1012提供用于控制开关s5和s6的开关的控制信号。该第一电路级st1用于隔离非本安电路部分和本安电源部分，即用于实现隔离功能。由于第一电路级st1是开环的，因此第一电路级st1的输出电压v1会随着非本安供电电压v0的变化而变化。考虑到非本安供电电压v0具有宽的输入电压范围，因而输出电压v1是不稳定的。因此，需要在输出电压v1之后添加具有反馈稳压功能的闭环的第二电路级st2。例如，第二电路级st2可以是具有反馈控制的降压转换器电路，用于进行本安电源装置10的输出电压调节。该降压转换器由开关s7、电感器l1、电容器c1和整流二极管d3构成。由控制单元1012提供用于控制开关s7的开关的控制信号，从而实现稳压功能。该第二电路级st2用于执行反馈稳压的功能，从而获得稳定的本安输出电压v2。注意，第一电路级st1中的开关s5和s6以及第二电路级st2中的开关s7与第一电路级st1中的开关s1至s4相似，也可以是例如开关晶体管，诸如双极型晶体管。控制单元1011可以提供用于控制非本安电路部分中的各个元件，例如开关晶体管s1至s4的控制信号，并且控制单元1012可以提供用于控制本安电路部分中的各个元件，例如开关晶体管s5至s7的控制信号。随后，第二电路级st2的输出电压v2通过例如由保险丝和稳压管构成的齐纳安全栅(未示出)提供给负载使用。如上文所述，在使用非本安供电电压产生本安输出电压时，需要使用两个电路级st1和st2来分别完成隔离和反馈稳压的功能，尤其是在第二电路级st2中需要使用体积较大的电感器l1，因而现有技术的本安电源具有结构复杂、体积大和成本高等缺点。为了克服上述缺点，可以考虑在第一电路级st1中加入反馈稳压的功能，从而能够在一级电路中同时实现隔离和反馈稳压。换言之，使得第一电路级st1的输出电压v1不随非本安供电电压v0的波动以及后端所连接的负载的变化而变化。为此，常用的方案是在第一电路级st1中加入光耦合器用于进行输出电压v1的反馈稳压。图2示出了使用光耦合器o1构成的反馈环路的本安电源装置20的电路框图。在图1的电路结构的基础上，为了实现对第一电路级st1的输出电压v1的直接稳压调节并且去除第二电路级st2，加入光耦合器o1用于实现闭环反馈。如图2中所示，首先通过电压感测电路模块204对第一电路级st1的输出电压v1进行采样，并且将采样信号发送到反馈补偿电路模块205。在反馈补偿电路模块204中经过补偿之后，反映输出电压v1的状态的反馈信号fb通过光耦合器o1被输入到非本安电路部分侧的控制单元201。控制单元201根据反馈信号fb提供用于控制开关电路的控制信号。从而实现闭环的反馈控制。然而，与变压器t1相同，光耦合器o1也需要跨接在非本安电路部分和本安电路部分之间，因而存在对光耦合器o1的作用距离的要求。此外，在光耦合器o1两侧还需要配备电流和电压保护电路(未示出)。当然，光耦合器o1还必须能够实现如上文所述的反馈功能。然而，能够满足上述要求的光耦合器非常少，而且这样的光耦合器的成本很高。综上所述，采用光耦合器虽然能减少一级电路，但是也增加了本安电源装置的电路复杂度并且提高了成本，因而仍存在对结构简单和成本低廉的本安电源装置的需要。图3图示了根据本公开的一个实施例的本安电源装置30的结构框图。在本公开的实施例中，本安电源装置30包括：变压器t1，其具有初 级绕组wp和次级绕组ws，非本安供电电压v0经由开关电路302被提供给初级绕组wp，开关电路302控制初级绕组wp上的电压；控制单元301，其对变压器t1的初级绕组wp上的电压进行采样并且基于所采样的初级绕组wp上的电压输出控制开关电路302的开关的控制信号；以及输出单元303，其连接到变压器t1的次级绕组ws并且提供本安输出电压vo。根据本公开的实施例，在本安电源装置30的操作中，非本安电路部分侧的控制单元301对变压器t1的初级绕组wp上的电压进行采样，作为与输出电压vo对应的反馈信号。这样，控制单元301可以根据该反馈信号控制开关电路302的开关，从而控制初级绕组wp上的电压，因此实现输出电压vo的反馈稳压。通过这种方式，在一级电路中实现了本安电源装置的隔离和反馈稳压二者的功能。作为一个示例，控制单元301可以对变压器t1的初级绕组wp两端的电压采样，也可以对变压器t1的初级绕组wp上的特定点处的电压进行采样，不论对以上两个电压中的哪个电压采样作为反馈信号，都可以反映非本安供电电压v0的变化。图4图示了根据本公开的实施例的本安电源装置30的一个具体示例的示意性电路图。如图4中所示，开关电路302可以由例如单个开关s31构成。开关s31可以是开关晶体管，例如双极型晶体管。控制单元301采集变压器t1的初级绕组wp两端的电压作为反馈信号，并且根据该反馈信号提供用于控制开关s31的开关的控制信号，从而控制初级绕组wp上的电压。例如，控制单元301可以将控制电压施加到构成开关s31的双极型晶体管的作为控制电极的基极。图4中所示的输出单元303由电容器c31和整流二极管d31构成。本安电源装置30的本安输出电压是电容器c31两端的电压。如图4中所示，开关s31、电容器c31和二极管d31构成了反激电路，其中开关s31构成反激电路的原边，电容器c31和二极管d31构成反激电路的副边。该反激电路在控制单元301的控制下进行操作，使得本安电源装置30能够提供稳定的本安输出电压vo。例如，图4中所示的控制单元301可以由凌力尔特公司的器件lt3748实现。此外，还有许多市售器件也能够用作图4中所示的控制单元301。 因而，图4中所示的本安电源装置具有结构紧凑、低成本和高效率的优势。表1列出了对于在10vdc至30vdc的范围内波动的额定值为24vdc的非本安供电电压v0以及不同的负载电流条件，通过图4中所示的本安电源装置30的电路结构获得的本安输出电压vo。非本安供电电压(v)负载电流条件(ma)本安输出电压(v)104013.411020013.29244013.392420013.34304013.373020013.33表1：不同的非本安供电电压和不同的负载电流条件下的本安输出电压如从表1所见，即便非本安供电电压v0在10vdc至30vdc的范围内波动，负载电流在40ma和200ma的范围内波动，本安电源装置30的电路结构获得的本安输出电压vo仍是极为稳定的。因而，根据本公开的本安电源装置具有宽的输入电压范围。在图3和4中，变压器t1仅具有一个次级绕组，并且本安电源装置30仅具有一个输出单元303，用于提供一路本安输出电压。然而，本公开不限于此。变压器t1也可以具有两个或更多个次级绕组，以及本安电源装置具有与变压器的两个或更多个次级绕组一一对应的两个或更多个输出单元，从而能够提供两路或更多路本安输出电压。作为另一实施方式，开关电路302也可以由如图1中所示的包括四个开关s1至s4的全桥电路构成。如图4中所示，较之图1和图2中所示的本安电源装置的电路结构，本公开的电路结构不需要图1中所示的用于反馈稳压的第二电路级，也不需要如图2中所示的用于反馈的光耦合器，因而具有结构简单、成本降低、效率提高的显著优点，而且还具有宽的输入电压范围。根据本公开的本安电源装置可以广泛地应用于各种工业领域。特别地，尽管以上结合附图描述了本公开的本安电源装置，但是本公开还涉及一种变送器，其可以包括如上文所述的本安电源装置，由该本安电源装置为该变送器供电，从而使变送器相应地获得了如上文所述的技术效果。尽管上面已经通过对本公开的具体实施例的描述对本公开进行了披露，但是，应该理解，本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本公开的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本公开的保护范围内。应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。涉及序数的术语“第一”，“第二”等并不表示这些术语所限定的特征、要素、步骤或组件的实施顺序或者重要性程度，而仅仅是为了描述清楚起见而用于在这些特征、要素、步骤或组件之间进行标识。当前第1页12