棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 韓紅軍陜西長(zhǎng)武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司 楊桂磊

礦用LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)研究

棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 韓紅軍
陜西長(zhǎng)武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司 楊桂磊

【摘要】目前LED驅(qū)動(dòng)電源大多用于安全場(chǎng)所，功率較高，在煤礦井下容易引起爆炸。本質(zhì)安全電路性能優(yōu)良且發(fā)展越來(lái)越成熟，在煤礦上也得到了推廣。本文將二次本安電源Buck開(kāi)關(guān)變換器與LED驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)結(jié)合，主要針對(duì)礦用本質(zhì)安全型LED驅(qū)動(dòng)電源從兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，一是二次本安電源結(jié)構(gòu)中電壓/電流的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)LED的恒流控制；二是在滿足硬件電路設(shè)計(jì)要求前提下，優(yōu)化設(shè)計(jì)Buck開(kāi)關(guān)變換器內(nèi)部電感電容參數(shù)，使得電路的本安性能得到保證。通過(guò)實(shí)例的參數(shù)設(shè)計(jì)、MATLAB 和Saber仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的正確性，證明了電路的實(shí)用性。

【關(guān)鍵詞】本安型；LED驅(qū)動(dòng)電源；Buck開(kāi)關(guān)變換器；參數(shù)優(yōu)化

0 緒論

LED作為新一代照明用具，已經(jīng)成為煤礦礦井下最常見(jiàn)的用電設(shè)備，而目前LED驅(qū)動(dòng)電源大多用于安全場(chǎng)所，我們對(duì)于危險(xiǎn)環(huán)境中使用的LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究還不夠深入，嚴(yán)重阻礙了煤礦中的LED照明系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)程［1］。而且LED 驅(qū)動(dòng)電源要求是恒流型驅(qū)動(dòng)，目前本安電源都是輸出為恒壓型的，不適合LED 驅(qū)動(dòng)使用。因此設(shè)計(jì)在礦井使用的適當(dāng)?shù)腖ED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安全可靠的本安型LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究具有重要的意義［2］。

本安電源相對(duì)于普通的開(kāi)關(guān)電源，除了具有基本特性以外，要工作在易燃易爆的危險(xiǎn)環(huán)境中，還需要滿足一些特殊要求，如下：

第一，本質(zhì)安全型電源的輸入端與輸出端不能夠直接相連，要設(shè)置電氣隔離環(huán)節(jié)。

第二，輸出端必須設(shè)計(jì)限能作用的電路。

第三，主電源斷電后要保證供電不間斷。在礦井下瓦斯氣體，風(fēng)速等特別重要的參數(shù)傳感器必須在不間斷的供電狀態(tài)下工作，這就需要在煤礦用的直流穩(wěn)壓電源上裝有備用電源。外部電源中斷后可有內(nèi)部電源繼續(xù)供給以確保安全生產(chǎn)。

1 本安電源的基本構(gòu)架

本質(zhì)安全開(kāi)關(guān)變換器系統(tǒng)的組成如圖1所示，主要有本安關(guān)聯(lián)設(shè)備，本安型現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和連接電纜三部分組成。整個(gè)防爆系統(tǒng)的核心部分為本質(zhì)安全現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。這里的本質(zhì)安全現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是指電路本身部分全部都是本質(zhì)安全的，這部分電路的電壓電流計(jì)電容電感值均不能超過(guò)電路自身的要求，必須嚴(yán)格限定在保證安全運(yùn)行的基本范圍內(nèi)。

圖1 本質(zhì)安全開(kāi)關(guān)變換器系統(tǒng)組成

本安開(kāi)關(guān)變換器系統(tǒng)含有儲(chǔ)能元件電感和電容，電容電感的分?jǐn)嘁l(fā)火花放電，可通過(guò)有關(guān)參數(shù)優(yōu)化將釋放的能量限制在一定范圍之內(nèi)，不致引燃混合氣體。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選擇

本設(shè)計(jì)主要采用Buck開(kāi)關(guān)變換器，設(shè)計(jì)的電路基本框架結(jié)構(gòu)為：主電路采用Buck開(kāi)關(guān)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制回路通過(guò)運(yùn)放單元和放大器，及觸發(fā)器一些元件構(gòu)成。當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，由采樣回路采樣并且通過(guò)反饋回路調(diào)節(jié)，改變開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空比，控制輸出。

圖2 大功率LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成部分

如圖2所示，本文設(shè)計(jì)的礦用本安型LED驅(qū)動(dòng)電源主要包括Buck開(kāi)關(guān)變換器、整流部分、輸出濾波器、反饋部分、PWM控制器五部分。Buck開(kāi)關(guān)變換器的輸出端與整流電路、濾波電路連接。其中整流電路的輸入端連接在Buck開(kāi)關(guān)變換器的一端，其輸出端與濾波電路連接。濾波電路的負(fù)載輸出端為電路輸出端，輸出端通過(guò)檢測(cè)電阻轉(zhuǎn)換成電壓值，與反饋電路的輸入端連接，反饋電路通過(guò)PWM控制器與Buck變換器連接，控制PWM的脈沖寬度，以控制開(kāi)關(guān)的頻率，保證電流恒定輸出。

圖3 礦用本安型LED驅(qū)動(dòng)電源電路設(shè)計(jì)圖

電路總圖如圖3所示，在開(kāi)關(guān)的一個(gè)觸頭上，另一個(gè)觸頭與取樣電阻R8的一端相連，R8另一端接地。二極管D1的陽(yáng)極接在電感L1一側(cè)，陰極與濾波電容C1的一端相連。負(fù)載電阻R1一端接在二極管D2的陰極，另一端接地。電流檢測(cè)電阻R2一端接地，另一端接負(fù)載R1端。分壓電阻R6一端與R2的非接地端相連，再與R7串聯(lián)，R2的另一端接地。反相放大器UA741，與R6連接，且接在穩(wěn)壓管TL431 的參考端。TL431一端接地，兩一端與光耦PC817A 的端口相連，通過(guò)電阻R3及穩(wěn)壓管ZD接在續(xù)流二極管D2的陰極，另兩端接地和電源。UC3842 的Vcc端和Vc端接在電源上；Gnd端和pwgnd端接地；comp端通過(guò)電阻R13接地；Vfb端與Vcc端相連通過(guò)電阻R12接在Vcc端上；電阻R11一端接Vcc端，另一端與電容C4相連后接地；rct 端接在R11與C4的連接處，rct端通過(guò)電容C2與R11的非接地端相連；cs端與電阻R9和電容C2的端口相連，電容C2的另一端接地，R9的另一端接在R10的非接地端，output 端通過(guò)電阻R8驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)礦用大功率本安型LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定

本文對(duì)Buck開(kāi)關(guān)變換器中電感電容參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便更好的大功率LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。在參數(shù)優(yōu)化的過(guò)程中，要考慮兩點(diǎn)：（1）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要消除電源紋波，來(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾能力和精度，設(shè)計(jì)時(shí)要使最大紋波電流達(dá)到最低。（2）電感電容突然開(kāi)路或短路時(shí)，產(chǎn)生的電火花極易點(diǎn)燃易燃易爆氣體，因此在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)本安電路中最大短路釋放能量分析，盡量采用較小的電容電感，實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全開(kāi)關(guān)變換器的輸出本質(zhì)安全特性的最優(yōu)化。

3.1 Buck變換器工作區(qū)域的劃分

Buck開(kāi)關(guān)變換器工作有連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）和斷續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）兩種，這兩種不同模式的臨界電感為：

式中，Vo為輸出電壓，Vi為輸入電壓，RL為負(fù)載電阻，f為開(kāi)關(guān)頻率。

設(shè)d=Vo/Vi=Ton/Ts，d為開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通比，Ton為開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間，Ts為開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)周期。

將Vi和RL的關(guān)系表示在同一個(gè)二維坐標(biāo)系中，將變換器的工作區(qū)域劃分為如圖3.3所示四個(gè)區(qū)域；

圖4 在Vi-RL平面上展示CCM/DDM分界

圖4中，縱坐標(biāo)單位為伏特，橫坐標(biāo)單位為歐姆。圖中不同的曲線對(duì)應(yīng)不同的臨界電感，所示A、B、C三個(gè)工作點(diǎn)的臨界電感如下：

綜合最大輸出紋波電流最低和最大短路釋放能量最低兩個(gè)因素對(duì)礦用本安電源Buck變換器中的電感電容參數(shù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便更好的設(shè)計(jì)大功率LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

以滿足輸出電流紋波要求的最小電感電容Lmin和最大電感設(shè)計(jì)極限值Lmax，分別代入最大短路釋放能量公式，并且加以修正、檢驗(yàn)。獲得分別對(duì)應(yīng)于Lmin和Lmax的滿足最大短路釋放能量最小要求的電容的最小電容的設(shè)計(jì)限值Cmin和最大限值Cmax，范圍分別為（Cmin，Cmax）和（Cmin1，Cmax1），選定的電容值既能滿足變換器電氣性能指標(biāo)和輸出本質(zhì)安全的要求。綜合最小電感電容Lmin和最大電感極限值Lmax分別對(duì)應(yīng)的兩個(gè)電容曲線，得出滿足內(nèi)部和輸出短路釋放能量的最大電容限值兩條設(shè)計(jì)曲線，即CCM與DCM，相關(guān)計(jì)算原理見(jiàn)表1。綜上所述， 和 取值的平面區(qū)域如圖5所示。

圖5 電感、電容參數(shù)設(shè)計(jì)區(qū)域

3.2 電感值確定

根據(jù)表1可得到最大輸出電流紋波、最小電感，即Lmax=336.5μH，電感取值范圍為（33.6μH，336.5μH）。

3.3 電容值確定

根據(jù)最大短路釋放能量最小的安全性能原則，在電感參數(shù)設(shè)計(jì)好的基礎(chǔ)上，得出了電容設(shè)計(jì)的上下限，如上表表2所示。當(dāng)L=Lmax=336.5μH時(shí)，電容C為3.85μF，得到電容下限曲線L-C曲線。當(dāng)L=Lmin=33.6μH時(shí)，電容C為52.8μF，當(dāng)L=Lmax=336.5μH時(shí)，電容C為48.3μF，得到一條電容上限曲線L-C曲線。

其中，最大短路釋放能量WB滿足：

顯然Wmax

表1 開(kāi)關(guān)變換器的輸出電流紋波和最小電感

表2 Buck開(kāi)關(guān)變換器的電容元件參數(shù)設(shè)計(jì)限值

圖6 礦用本安型LED驅(qū)動(dòng)電源仿真電路圖

4 仿真驗(yàn)證

在MATLAB中搭建圖6所示LED驅(qū)動(dòng)電源仿真電路圖，進(jìn)行仿真分析（設(shè)輸出濾波電容值為30μF）：

（1）對(duì)于給定的電感，輸出電流紋波隨負(fù)載和輸入電壓的變化關(guān)系，如圖7所示。取L=30μH（滿足LCA

圖7 L=30μH時(shí)，紋波電流

圖8 L=50μH時(shí)，紋波電流與

與負(fù)載、輸入電壓的關(guān)系 負(fù)載、輸入電壓的關(guān)系

從圖7中明顯得出，對(duì)于相同大小的電感，負(fù)載和輸入電壓在明確區(qū)域內(nèi)改變，變換器仍可能跨越兩種工作模式，而且Buck變換器工作在上述兩種工作模式下，輸出紋波電流隨負(fù)載的增大而減小，隨輸入電壓的增大而增大。

（2）對(duì)于給定的電感，輸出電流紋波隨負(fù)載和輸入電壓的變化關(guān)系。取L=50μH，（滿足LCB

圖9 放電火花電壓、電流及能量仿真波形

從圖8中可以看出，對(duì)于相同大小的電感，負(fù)載和輸入電壓在明確區(qū)域內(nèi)改變，變換器仍可能跨越兩種工作模式，而且Buck變換器工作在上述兩種工作模式下，輸入紋波電流隨負(fù)載的增大而減

小。而且輸出紋波電流在某一點(diǎn)以前輸出紋波電流隨著輸入電壓的增大而增大，隨負(fù)載的減小，與輸入電壓無(wú)關(guān)。

通過(guò)Saber 仿真軟件得到放電火花波形如圖9所示，但從放電能量角度看，仿真值與試驗(yàn)值接近，均小于前面計(jì)算出的最大輸出短路釋放能量。因此，該設(shè)計(jì)滿足本質(zhì)安全要求，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)滿足最大輸出短路釋放能量最小的本質(zhì)安全性能。

5 結(jié)論

本文主要針對(duì)礦用本質(zhì)安全型LED驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行設(shè)計(jì)。在對(duì)本質(zhì)安全電路框架、電路結(jié)構(gòu)的分析基礎(chǔ)上，將二次本安電源Buck開(kāi)關(guān)變換器與LED驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)結(jié)合，通過(guò)Buck主電路及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模塊、反饋比較模塊、PWM生成開(kāi)關(guān)控制模塊三個(gè)模塊，由采樣回路采樣并且通過(guò)反饋回路調(diào)節(jié)，改變開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空比，實(shí)現(xiàn)恒流控制。然后分析Buck電路的運(yùn)行模式，綜合電路在正常情況或規(guī)定故障下工作，最大輸出紋波電流最低和最大短路釋放能量最低兩個(gè)因素對(duì)礦用本安電源Buck變換器中的電感電容參數(shù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)的電氣性能和本安性能的要求，并且給出了Buck開(kāi)關(guān)變換器內(nèi)部電容電感參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟，以便更好的設(shè)計(jì)本安型LED驅(qū)動(dòng)電源。

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Design and Research of LED Driving Power Supply for Mine

Han Hongjun1 Yang Guilei2
（1.Zaozhuang mining（Group）Co.，Ltd.，Shandong Zaozhuang 277100；2.Shan xi Changwuting South mining Co.Ltd，Shan xi Changwuting 713602）

Abstract：The LED driver，with high power，is mostly used in safe place and easy to cause explosion in the coal mine.The intrinsically safe circuit is excellent and more mature，has been popularized in the coal mine.This paper combined the two intrinsically safe power supply of Buck converter and LED drive power system，mainly designed from two aspects for mine intrinsically safe power supply of LED，one is the design of U/I structure of two intrinsically safe power supply，to realize the constant current control of LED；the other is to meet the requirements of the hardware circuit design of the premise optimization design of Buck switching converter internal capacitance and inductance parameters，to ensure the safety performance. Through the design and calculation of parameters，the MATLAB and Saber simulation，this paper verify the correctness of the design method，and proved the practicality of the circuit.

Keywords：Intrinsically Safe；LED Power Supply；Buck Converter；Parameter Optimization

作者簡(jiǎn)介：

韓紅軍（1971—），男，江蘇豐縣人，棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司物流中心助理經(jīng)濟(jì)師，主要從事煤碳經(jīng)濟(jì)方面研究。

楊桂磊（1976—），男，山東泰安人，2007年畢業(yè)于山東大學(xué)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)。