手持式直流开关电源输出本安检测器及检测方法与流程

本发明属于开关电源技术领域，具体涉及一种手持式直流开关电源输出本安检测器及检测方法。

背景技术：

随着煤矿、石化及天然气等易燃易爆行业生产及管理自动化的飞速发展，直流开关电源在此类行业中获得了越来越广泛的应用。相关安全规程规定，应用于爆炸危险环境的电气电子设备必须满足防爆要求。本质安全(简称本安)型防爆电气电子设备具有安全程度最高、体积最小及成本最低等优点，所以用于爆炸性危险场所的电气电子设备，总是首选本安型。正确评价电路本安防爆性能并对其进行权威认证，是本安产品应用于易燃易爆危险环境的前提。因此，直流开关电源本安性能评价及认证问题日益突出。

直流开关电源本安性能的评价及认证，目前还只能采用基于IEC标准的安全火花实验装置进行爆炸性试验这一最直接的检测方法，然而该试验装置结构复杂制造困难，同时其操作过程繁杂且需时较长，相关操作人员亦需专门训练并具备较高技巧。因此，该试验只能在少数指定授权机构进行，如国家防爆电气产品质量监督检验中心、煤炭设计研究院上海分院等，这使得本安产品送检麻烦且且往往候检时间长，从而大大延长了本安产品研制周期、增大了成本，限制了本安防爆产品的推广应用。

更为重要的是，爆炸性试验的短路和开路时刻是随机的，而对于直流开关变换器(如Buck、Boost变换器等)此类强非线性时变电路而言，其电感电流和输出滤波电容电压均为变量，在一个开关周期内的不同时刻发生电感开路或电容短路，其放电能量显著不同，明显存在一个最危险的开路时刻和短路时刻，因此，根据IEC安全火花试验装置的爆炸性试验对电路本安性能做出正确评价的概率显著降低，这必然给煤矿、石化、天然气等易燃易爆行业的生产带来重大安全隐患。有鉴于此，不少研究者针对简单电感电路等线性电路提出的一些非爆炸本安判据，与标准提供的各种最小点燃曲线一样，均不适用于直流开关变换器的本安评价。

有研究者针对一些直流开关变换器的非爆炸性本安评价进行了有益的探索，也提出了一些非爆炸性本安评价方法，然而所提出的判据较为繁琐，使用不便且具有较大的局限性。

因此，迫切需要建立本安防爆开关电源的非爆炸试验评价系统，设计与研发相应的计算机评价装置具有重要的理论意义和实用价值。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种手持式直流开关电源输出本安检测器，其结构简单，设计新颖合理，实现方便，检测可靠性高，显示直观，操作简单，成本低，适用范围广，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种手持式直流开关电源输出本安检测器，其特征在于：包括微控制器模块、+5V电源和+3.3V电源电路，所述微控制器模块包括DSP数字信号处理器以及与DSP数字信号处理器相接的晶振电路和复位电路，所述DSP数字信号处理器的输入端接有用于参数设置的按键操作电路，所述DSP数字信号处理器的输出端接有用于显示检测结果的液晶显示电路，所述DSP数字信号处理器和按键操作电路均与+3.3V电源电路的输出端连接，所述液晶显示电路与+5V电源的输出端连接，所述+3.3V电源电路的输出端接有上电指示灯电路。

上述的手持式直流开关电源输出本安检测器，其特征在于：所述DSP数字信号处理器为芯片TMS320F28069PZT，所述芯片TMS320F28069PZT的VDDIO管脚、VDD3FL管脚和VDD管脚均与+3.3V电源电路的输出端相接，所述芯片TMS320F28069PZT的VDD管脚还通过非极性电容C7接地，所述芯片TMS320F28069PZT的管脚和VSS管脚均接地；所述晶振电路由晶振Y1、非极性电容C5和非极性电容C6组成，所述晶振Y1的一端和非极性电容C5的一端均与芯片TMS320F28069PZT的X1管脚相接，所述晶振Y1的另一端和非极性电容C6的一端均与芯片TMS320F28069PZT的X2管脚相接，所述非极性电容C5的另一端和非极性电容C6的另一端均接地；所述复位电路由复位按键SW1组成，所述复位按键SW1的一端与芯片TMS320F28069PZT的管脚相接，所述复位按键SW1的另一端接地。

上述的手持式直流开关电源输出本安检测器，其特征在于：所述按键操作电路包括按键S1～S16，排阻U5，以及非极性电容C8和非极性电容C9；所述按键S1的一端、按键S5的一端、按键S12的一端和按键S16的一端均与芯片TMS320F28069PZT的GPIO0/EPWM6A管脚相接，且与排阻U5的第9引脚相接；所述按键S2的一端、按键S6的一端、按键S11的一端和按键S15的一端均与芯片TMS320F28069PZT的GPIO0/EPWM5B管脚相接，且与排阻U5的第8引脚相接；所述按键S3的一端、按键S7的一端、按键S10的一端和按键S14的一端均与芯片TMS320F28069PZT的GPIO0/EPWM5A管脚相接，且与排阻U5的第7引脚相接；所述按键S4的一端、按键S8的一端、按键S9的一端和按键S13的一端均与芯片TMS320F28069PZT的GPIO0/EPWM4B管脚相接，且与排阻U5的第6引脚相接；所述按键S1的另一端、按键S2的另一端、按键S3的另一端和按键S4的另一端均与芯片TMS320F28069PZT的GPIO0/EPWM3B管脚相接，且与排阻U5的第4引脚相接；所述按键S5的另一端、按键S6的另一端、按键S7的另一端和按键S8的另一端均与芯片TMS320F28069PZT的GPIO0/EPWM3A管脚相接，且与排阻U5的第3引脚相接；所述按键S9的另一端、按键S10的另一端、按键S11的另一端和按键S12的另一端均与芯片TMS320F28069PZT的GPIO0/EPWM2B管脚相接，且与排阻U5的第2引脚相接；所述按键S13的另一端、按键S14的另一端、按键S15的另一端和按键S16的另一端均与芯片TMS320F28069PZT的GPIO0/EPWM4A管脚相接，且与排阻U5的第5引脚相接；所述排阻U5的第1引脚与+3.3V电源电路的输出端相接，且通过并联的非极性电容C8和非极性电容C9接地。

上述的手持式直流开关电源输出本安检测器，其特征在于：所述液晶显示电路包括LCD12864和滑动变阻器RW1，所述LCD12864的VDD管脚、VCC管脚和管脚均+5V电源的输出端相接，所述LCD12864的管脚还与滑动变阻器RW1的一个固定端相接，所述LCD12864的VO管脚与滑动变阻器RW1的滑动端相接，所述滑动变阻器RW1的另一个固定端接地，所述LCD12864的PSB管脚和VSS管教均接地，所述LCD12864的RS管脚、R/W管脚和E管脚依次对应与芯片TMS320F28069PZT的GPIO0/EPWM1A管脚、GPIO0/EPWM1B管脚和GPIO0/EPWM2A管脚相接。

上述的手持式直流开关电源输出本安检测器，其特征在于：所述+5V电源为+5V锂电池，所述+3.3V电源电路包括芯片REG1117-3.3V、极性电容C1、非极性电容C2、极性电容C3和非极性电容C4，所述芯片REG1117-3.3V的第3引脚与+5V锂电池的输出端相接，且通过并联的极性电容C1和非极性电容C2接地，所述芯片REG1117-3.3V的第1引脚接地，所述芯片REG1117-3.3V的第2引脚和第4引脚相接且为+3.3V电源电路的输出端，所述+3.3V电源电路的输出端通过并联的极性电容C3和非极性电容C4接地。

上述的手持式直流开关电源输出本安检测器，其特征在于：所述上电指示灯电路包括电阻R1和发光二极管LED，所述发光二极管LED的阳极通过电阻R1与+3.3V电源电路的输出端相接，所述发光二极管LED的阴极接地。

本发明还提供了一种方法步骤简单、实现方便、检测可靠性高的利用上述的手持式直流开关电源输出本安检测器对直流开关电源输出本安进行检测的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、参数输入：通过操作按键操作电路输入直流开关电源的性能参数：所述直流开关电源的性能参数包括直流开关电源的输出电压U₀、直流开关电源的输出滤波电容C和直流开关电源的输出维持电压U_H，所述DSP数字信号处理器接收通过操作按键操作电路输入的直流开关电源的性能参数并存储；

步骤二、计算最小点燃能量W_B，其具体过程为：

步骤201、所述DSP数字信号处理器根据公式U_B＝KU₀计算得到最小点燃电压U_B；其中，K为安全系数；

步骤202、所述DSP数字信号处理器查询预先根据简单电容电路最小点燃电压曲线建立并存储在DSP数字信号处理器中的最小点燃电容与最小点燃电压的对应关系表，得到与最小点燃电压U_B对应的最小点燃电容C_B；

步骤203、所述DSP数字信号处理器根据公式W_B＝0.5C_BU₀²计算得到与最小点燃电压U_B对应的最小点燃能量W_B；

步骤三、计算直流开关电源一次放电的火花能量W_Σ，其具体过程为：

步骤301、所述DSP数字信号处理器根据公式T_G＝0.34U₀+24.6+1.13(C-16.8)计算得到直流开关电源的一次放电持续时间T_G；

步骤302、所述DSP数字信号处理器根据方程组

求解得到待定常数M和待定常数N，其中，ε为放电电流的修正系数且ε的取值为10^-3A，P为放电火花电压且P＝M×10^-5/C(1+N²)，Q为置换系数且Q＝N-RC(1+N²)×10⁵，R为直流开关电源的放电回路中的总电阻；

步骤303、所述DSP数字信号处理器建立直流开关电源的一次放电电流i_G的数学模型i_G＝Msin(10⁵t)exp{-N×10⁵t}和直流开关电源的一次放电电压u_G的数学模型u_G＝U₀-P+P[cos(10⁵t)+Qsin(10⁵t)]exp(-Nt×10⁵)；其中，t为放电时间；

步骤304、所述DSP数字信号处理器根据公式对直流开关电源的一次放电电流i_G和直流开关电源一次放电电压u_G在直流开关电源的一次放电持续时间T_G内进行积分，获得直流开关电源一次放电的火花能量W_Σ；

步骤四、判断并显示直流开关电源输出本安：所述DSP数字信号处理器将直流开关电源一次放电的火花能量W_Σ与最小点燃能量W_B进行比对，当W_Σ≤W_B时，判断为直流开关电源输出本安并通过液晶显示电路进行显示，否则，当W_Σ>W_B时，判断为直流开关电源输出非本安并通过液晶显示电路进行显示。

上述的方法，其特征在于：步骤201中所述K的取值为1.5。

上述的方法，其特征在于：步骤302中所述R的取值为0.1Ω～0.12Ω。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明手持式直流开关电源输出本安检测器的电路结构简单，设计新颖合理，实现方便。

2、本发明的检测可靠性高，能从根本上改善与提高直流开关电源本安防爆性能检测的可靠性，从理论上实现了其检测的万无一失。

3、本发明的显示直观，操作简单，使用方便。

4、本发明手持式直流开关电源输出本安检测器的体积小、重量轻，携带方便，能随时随地对直流开关电源本安性能进行检测，能够缩短本安产品的研发周期，降低开发成本。

5、本发明的适用范围广，不仅能用于检测直流开关电源等非线性电路的本安性能，还能对简单电容电路的本安防爆性能进行检测。

6、本发明的成本低，不及IEC标准评价装置(安全火花试验装置)成本的千分之一。

7、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明的设计新颖合理，实现方便，检测可靠性高，显示直观，操作简单，成本低，适用范围广，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明手持式直流开关电源输出本安检测器的电路原理框图。

图2为本发明手持式直流开关电源输出本安检测器的电路原理图。

图3为本发明直流开关电源输出本安检测方法的方法流程框图。

附图标记说明:

1—微控制器模块； 1-1—DSP数字信号处理器； 1-2—晶振电路；

1-3—复位电路； 2—+5V电源； 3—+3.3V电源电路；

4—按键操作电路； 5—液晶显示电路； 6—上电指示灯电路。

具体实施方式

如图1所示，本发明的手持式直流开关电源输出本安检测器，包括微控制器模块1、+5V电源2和+3.3V电源电路3，所述微控制器模块1包括DSP数字信号处理器1-1以及与DSP数字信号处理器1-1相接的晶振电路1-2和复位电路1-3，所述DSP数字信号处理器1-1的输入端接有用于参数设置的按键操作电路4，所述DSP数字信号处理器1-1的输出端接有用于显示检测结果的液晶显示电路5，所述DSP数字信号处理器1-1和按键操作电路4均与+3.3V电源电路3的输出端连接，所述液晶显示电路5与+5V电源2的输出端连接，所述+3.3V电源电路3的输出端接有上电指示灯电路6。

如图2所示，本实施例中，所述DSP数字信号处理器1-1为芯片TMS320F28069PZT，所述芯片TMS320F28069PZT的VDDIO管脚、VDD3FL管脚和VDD管脚均与+3.3V电源电路3的输出端相接，所述芯片TMS320F28069PZT的VDD管脚还通过非极性电容C7接地，所述芯片TMS320F28069PZT的管脚和VSS管脚均接地；所述晶振电路1-2由晶振Y1、非极性电容C5和非极性电容C6组成，所述晶振Y1的一端和非极性电容C5的一端均与芯片TMS320F28069PZT的X1管脚相接，所述晶振Y1的另一端和非极性电容C6的一端均与芯片TMS320F28069PZT的X2管脚相接，所述非极性电容C5的另一端和非极性电容C6的另一端均接地；所述复位电路1-3由复位按键SW1组成，所述复位按键SW1的一端与芯片TMS320F28069PZT的管脚相接，所述复位按键SW1的另一端接地。

如图2所示，本实施例中，所述按键操作电路4包括按键S1～S16，排阻U5，以及非极性电容C8和非极性电容C9；所述按键S1的一端、按键S5的一端、按键S12的一端和按键S16的一端均与芯片TMS320F28069PZT的GPIO0/EPWM6A管脚相接，且与排阻U5的第9引脚相接；所述按键S2的一端、按键S6的一端、按键S11的一端和按键S15的一端均与芯片TMS320F28069PZT的GPIO0/EPWM5B管脚相接，且与排阻U5的第8引脚相接；所述按键S3的一端、按键S7的一端、按键S10的一端和按键S14的一端均与芯片TMS320F28069PZT的GPIO0/EPWM5A管脚相接，且与排阻U5的第7引脚相接；所述按键S4的一端、按键S8的一端、按键S9的一端和按键S13的一端均与芯片TMS320F28069PZT的GPIO0/EPWM4B管脚相接，且与排阻U5的第6引脚相接；所述按键S1的另一端、按键S2的另一端、按键S3的另一端和按键S4的另一端均与芯片TMS320F28069PZT的GPIO0/EPWM3B管脚相接，且与排阻U5的第4引脚相接；所述按键S5的另一端、按键S6的另一端、按键S7的另一端和按键S8的另一端均与芯片TMS320F28069PZT的GPIO0/EPWM3A管脚相接，且与排阻U5的第3引脚相接；所述按键S9的另一端、按键S10的另一端、按键S11的另一端和按键S12的另一端均与芯片TMS320F28069PZT的GPIO0/EPWM2B管脚相接，且与排阻U5的第2引脚相接；所述按键S13的另一端、按键S14的另一端、按键S15的另一端和按键S16的另一端均与芯片TMS320F28069PZT的GPIO0/EPWM4A管脚相接，且与排阻U5的第5引脚相接；所述排阻U5的第1引脚与+3.3V电源电路3的输出端相接，且通过并联的非极性电容C8和非极性电容C9接地。

如图2所示，本实施例中，所述液晶显示电路5包括LCD12864和滑动变阻器RW1，所述LCD12864的VDD管脚、VCC管脚和管脚均+5V电源2的输出端相接，所述LCD12864的管脚还与滑动变阻器RW1的一个固定端相接，所述LCD12864的VO管脚与滑动变阻器RW1的滑动端相接，所述滑动变阻器RW1的另一个固定端接地，所述LCD12864的PSB管脚和VSS管教均接地，所述LCD12864的RS管脚、R/W管脚和E管脚依次对应与芯片TMS320F28069PZT的GPIO0/EPWM1A管脚、GPIO0/EPWM1B管脚和GPIO0/EPWM2A管脚相接。

如图2所示，本实施例中，所述+5V电源2为+5V锂电池，所述+3.3V电源电路3包括芯片REG1117-3.3V、极性电容C1、非极性电容C2、极性电容C3和非极性电容C4，所述芯片REG1117-3.3V的第3引脚与+5V锂电池的输出端相接，且通过并联的极性电容C1和非极性电容C2接地，所述芯片REG1117-3.3V的第1引脚接地，所述芯片REG1117-3.3V的第2引脚和第4引脚相接且为+3.3V电源电路3的输出端，所述+3.3V电源电路3的输出端通过并联的极性电容C3和非极性电容C4接地。

如图2所示，本实施例中，所述上电指示灯电路6包括电阻R1和发光二极管LED，所述发光二极管LED的阳极通过电阻R1与+3.3V电源电路3的输出端相接，所述发光二极管LED的阴极接地。

如图3所示，本发明的利用上述的手持式直流开关电源输出本安检测器对直流开关电源输出本安进行检测的方法，包括以下步骤：

步骤一、参数输入：通过操作按键操作电路4输入直流开关电源的性能参数：所述直流开关电源的性能参数包括直流开关电源的输出电压U₀、直流开关电源的输出滤波电容C和直流开关电源的输出维持电压U_H，所述DSP数字信号处理器1-1接收通过操作按键操作电路4输入的直流开关电源的性能参数并存储；

步骤二、计算最小点燃能量W_B，其具体过程为：

步骤201、所述DSP数字信号处理器1-1根据公式U_B＝KU₀计算得到最小点燃电压U_B；其中，K为安全系数；

本实施例中，步骤201中所述K的取值为1.5。

步骤202、所述DSP数字信号处理器1-1查询预先根据简单电容电路最小点燃电压曲线建立并存储在DSP数字信号处理器1-1中的最小点燃电容与最小点燃电压的对应关系表，得到与最小点燃电压U_B对应的最小点燃电容C_B；具体实施时，对中国强制性国家标准汇编电工卷5标准提供的简单电容电路最小点燃电压曲线进行数据回归分析，建立相应的最小点燃电容与最小点燃压对应关系表，并将其以数组或表达式的方式储存于DSP数字信号处理器1-1的存储器内。

步骤203、所述DSP数字信号处理器1-1根据公式W_B＝0.5C_BU₀²计算得到与最小点燃电压U_B对应的最小点燃能量W_B；

步骤三、计算直流开关电源一次放电的火花能量W_Σ，其具体过程为：

步骤301、所述DSP数字信号处理器1-1根据公式T_G＝0.34U₀+24.6+1.13(C-16.8)计算得到直流开关电源的一次放电持续时间T_G；

步骤302、所述DSP数字信号处理器1-1根据方程组

求解得到待定常数M和待定常数N，其中，ε为放电电流的修正系数且ε的取值为10^-3A，P为放电火花电压且P＝M×10^-5/C(1+N²)，Q为置换系数且Q＝N-RC(1+N²)×10⁵，R为直流开关电源的放电回路中的总电阻；

本实施例中，步骤302中所述R的取值为0.1Ω～0.12Ω。

步骤303、所述DSP数字信号处理器1-1建立直流开关电源的一次放电电流i_G的数学模型i_G＝Msin(10⁵t)exp{-N×10⁵t}和直流开关电源的一次放电电压u_G的数学模型u_G＝U₀-P+P[cos(10⁵t)+Qsin(10⁵t)]exp(-Nt×10⁵)；其中，t为放电时间；

步骤304、所述DSP数字信号处理器1-1根据公式对直流开关电源的一次放电电流i_G和直流开关电源一次放电电压u_G在直流开关电源的一次放电持续时间T_G内进行积分，获得直流开关电源一次放电的火花能量W_Σ；

步骤四、判断并显示直流开关电源输出本安：所述DSP数字信号处理器1-1将直流开关电源一次放电的火花能量W_Σ与最小点燃能量W_B进行比对，当W_Σ≤W_B时，判断为直流开关电源输出本安并通过液晶显示电路5进行显示，否则，当W_Σ>W_B时，判断为直流开关电源输出非本安并通过液晶显示电路5进行显示。根据中国强制性国家标准汇编电工卷5规定，将放电的火花能量W_Σ与特定电压下电容电路点燃爆炸性气体所需的最小点燃能量W_B进行比较作为判断电容电路是否满足输出本质安全要求的标准。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。