智能型矿用隔爆兼本安型直流稳压电源的设计

侯立兵

摘要：文章提出了一种智能型矿用隔爆兼本安型直流稳压电源（以下简称本安电源）的设计方案，介绍了该电源的主要电路的设计。该电源采用LM2576HV开关稳压集成电路来实现稳压功能，提高了电源的转换效率，减小了输出纹波噪声；采用由过流检测电阻、双单稳态触发芯片、大功率三极管等组成的双重化过流和过压保护电路，提高了本安电源的可靠性。

关键词：智能型矿用本安电源；STM32F103；CAN总线；电路设计；煤炭开采 文献标识码：A

中图分类号：TD611 文章编号：1009-2374（2017）05-0222-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.108

随着煤矿现代化程度的不断提高，对煤矿供电的可靠性、安全性提出越来越高的要求。本安电源是煤矿井下的重要电气设备，它的安全运行是现代化煤矿中其他矿井下各类电气设备高效率、高质量运转的保证。但是由于矿井下特殊的工作环境和其他原因，目前，煤矿井下本安电源的管理还存在若干问题：首先，矿井下本安电源种类繁多、独立性强，若不在现场很难检测它们的工作状态；其次，这些电源的功能参数各不相同，电源的维护管理也不统一。如果矿井下现场设备的供电情况不能在第一时间获取，一旦发生电源故障，不仅影响设备运行，还可能导致重大事故的发生。

近年来，数字矿山的提出使得本安电源已经由独立的外部设备产品发展成为整个通信系统不可分割的一部分。这不仅要求本安电源具备传统的供电、防爆等功能，而且应该通过CAN通信接口、以太网通信接口或458总线等具备智能通讯的能力，以实现本安电源可方便快捷的接入数字通信系统中。基于此，本文提出了一种智能型矿用隔爆兼本安型直流稳压电源的设计，能够解决当前电源独立、管理不规范、供电情况不明以及电源故障情况等，实现本安电源的网络化、智能化。

1 智能型本安电源结构

本安型电路是指在规定的试验条件下正常工作或在规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性气体混合物的电路。智能本安型电源的设计目的是保证操作者的人身安全、防止出现事故后电源故障、电源不正常时能够自我修复或及时断电报警、通过网络控制与监测电源工作情况等。因此，智能本安电源的设计采用降压、整流、稳压、过流过压保护、充电及快速切断模块、CAN通信接口模块、微控制器模块。本文设计的本安电源原理框图如图1所示。

交流电通过隔爆电磁开关直接控制整个电源的交流输入，再将交流电输入变压器降压，经整流、滤波、稳压电路1输出直流电，给蓄电池充电。用过整流、滤波、稳压电路2输出的直流电给负载供电，经过切换电路，所选择的一路输出电压经过稳压、多重过流和过压保护电路输出可靠的本安电源。微控制器STM32F103模块主要采集的备用蓄电池电压值、本安输出电压值以及各种报警状态等参数。CAN通信接口模块将微控制器STM32F103模块采集的数据传输至网络，通过上位机对各种数据进行分析统计，给出当前电源的运行情况，监控室也可以通过网络控制电源的输出状态，实现电源的智能化、网络化管理。

2 电源硬件原理与实现

该本安电源由交流变压及整流滤波电路、直流稳压电路、多重保护电路、充电及切换电路、微控制器系统电路、CAN接口电路等组成。

2.1 交流变压及整流滤波原理

由于是煤矿井下电网供电的本安型电气设备，则降压所用的变压器采用R型隔离变压器，其输入侧采用变压器抽头方式。变压器输出24V和25V两组交流电压，整流滤波后输出直流电压，其中一路给本安输出，另一路给蓄电池充电。如图1所示，上面一路从变压器25V输出侧引出，经整流滤波电路1，通过稳压充电电路，为蓄电池充电；下面一路从变压器24V输出侧引出，经整流滤波电路2，输出约32V的直流电压，与蓄电池的输出电压通过切换电路进行比较后选择一路经LM2576HV稳压开关电路，为本安输出提供电源。

2.2 直流稳压开关电路

稳压电路核心器件采用可调的LM2576HV-ADJ开关稳压集成电路，解决了传统的固定式稳压器和电位器调压时精度不足的问题。LM2576HV内置有完善的保护电路，包括电流限制和热关断电路等，利用该器件只需很少的外围器件便可构成高效稳压电路，此外，该芯片还提供了工作状态的外部控制引脚，该引脚的电平受微控制器STM32F103控制。

2.3 过压、过流保护电路

由于井下存在众多可燃性气体，当出现电路因过压、过流而导致负载短路或者火花时，严重影响到煤矿的安全。故本安电源的设计中必须通过多重的过流、过压保护电路，防止事故发生，该设计性能的好坏将直接影响整个系统是否具有实用的价值。如图2所示，本安电源输出电路整体思想是控制MOS管Q5和Q6的导通或关断来实現的，电源过压过流时，三极管Q4导通，集电极输出18V，使得P沟道MOS管Q5截止；同时，N沟道MOS管Q6的G极电平为0，使Q6截止从而切断负载的输出。

当电路出现过流或短路故障时，如图2所示，电阻R32的电流增大，导致过流检测点VIN_I的电压大于阀值 [ ]，经过图3中比较器LM393（U3）的处理，使得输出端（U3的第7脚）呈低电平，再经过比较电路LM393（U6）的处理，使得U6的第7脚输出为低电平，这个低电平信号直接控制图2中的三极管Q4，使Q4导通，Q5截止，切断本安电源的输出，起到过电流或短路保护作用。另一路过流或短路保护电路控制MOS管Q6，原理与其一致。

当电路出现过压时，如图3所示，直流稳压开关电路输出电压大于18V，电压采样点VIN_V大于阀值

[ ]，经过比较器LM393（U3）的处理，使得输出端（U3的第1脚）呈低电平，再经过比较电路LM393（U6）的处理，使得U6的第7脚输出呈低电平，这个低电平信号直接控制图2中的三极管Q4，使Q4导通，Q5截止，切断本安电源的输出，起到过电压保护作用。另一路过电压保护电路控制Q6，原理与其一致，这里不再详述。

图3中所示的双单稳态触发芯片HEF4528，它的功能是在正常情况下HEF4528的第6引脚输出的低电平，第6引脚连接的三极管Q7处于不导通状态。当HEF4528的第5引脚收到一个低电平（即出现了过压或过流的情况），第6引脚就会输出一个高电平使三极管Q7导通，图2中电阻R17左端的电压就成了低电平也就达到了上面所说的关闭MOS管的目的。但是过了一定时间，HEF4528的第6引脚又会重新回到原来的状态，使整个电路继续工作。这样一定时间的延迟起到保护芯片的作用，防止芯片电平变化过快使芯片易于损坏。

2.4 充电及切换电路

当主电源停止供电时，可以通过切换电路使蓄电池开始工作，减少因供电而引起的各种问题。变压器副边输出25V交流电，经过整流滤波电路1可得到约为34V的直流电压，如图4所示，调整电位器VR1，使三端集成直流稳压器LM317输出29V的直流压。LM317的输出电压范围为1.2～37V，负载电流最大为1.5A。

图4中所示的本安电源的充电电路部分，采用一个固定电阻R1和一个电位器VR1，调节输出电压的大小。刚上电LM317输出29V时，P沟道MOS管Q2是不导通的，没有给镍氢电池充电。则R4分得电压为24V，即MOS管Q2的Vgs=（24-29）=-5V，Q2导通，给镍氢电池充电，Id（充电电流）比较大。在充电过程中Vs慢慢减小，Vgs<0且慢慢增大，则充电电流Id减小。蓄电池充电一般分为快速充电、补足充电、涓流充电三个阶段。如果在工作过程中，变压器原边失去电源输入，则LM317的输出端输出为0V，LM393（U2）的第3脚为0V，由于U2的第2脚稳压到18V，则U2的第1脚输出为低电平，则MOS管Q3的Vgs小于0，Q3导通，镍氢电池给直流稳压开关电路LM2576HV供电，确保本安电源正常输出。如果变压器原边电压正常，则LM317为29V正常输出，R11分得电平为29×R11/（R11+R10），高于18V，LM393（U2）的第1脚输出高电平，MOS管Q3截止，则镍氢电池不给直流稳压开关电路LM2576供电，镍氢电池处于浮充状态。

2.5 微控制器系统及CAN接口電路

文中智能型本安电源的设计采用微控制器STM32F103C8T6来采集备用蓄电池电压（BATT_V信号）、本安输出电压（VIN_V信号）以及各种报警状态等参数，利用CAN总线传输技术，把采集到的数据上传到监控室，值班人员根据这些参数可了解电源的运行状况，可远程控制本安电源的输出状态，以实现本安电源的智能化、网络化。微控制器系统及CAN接口电路如图5所示：

STM32F103C8T6具有高性能、低成本、低功耗等特点。CAN收发器选用NXP的高速CAN收发器TJA1040，具有速率高、低功耗、电磁性能优越等特点，自检错能力强，还可工作于睡眠模式。采用高速光耦6N137来实现收发器与控制器之间的电气隔离，保护系统电路。

3 结语

设计了一种智能型矿用本安电源，通过使用LM2576HV开关稳压集成电路实现稳压功能；其中多重保护电路和充电及切换电路的设计，使得该智能型本安电源具有高转换效率、不间断供电、低成本等优点。同时采用微控制器STM32F103来采集备用蓄电池电压、本安输出电压以及各种报警状态等参数，利用CAN总线传输技术，把采集到的数据上传到监控室，值班人员根据这些参数可了解电源的运行状况，可远程控制本安电源的输出状态，以实现本安电源的智能化、网络化。智能本安电源非常适合为目前煤矿下的各种监测和监控系统的设备提供本安电源，具有很好的应用前景。

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（责任编辑：秦逊玉）