侯立兵

摘要：文章提出了一種智能型礦用隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源（以下簡稱本安電源）的設計方案，介紹了該電源的主要電路的設計。該電源采用LM2576HV開關穩(wěn)壓集成電路來實現(xiàn)穩(wěn)壓功能，提高了電源的轉換效率，減小了輸出紋波噪聲；采用由過流檢測電阻、雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)芯片、大功率三極管等組成的雙重化過流和過壓保護電路，提高了本安電源的可靠性。

關鍵詞：智能型礦用本安電源；STM32F103；CAN總線；電路設計；煤炭開采 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD611 文章編號：1009-2374（2017）05-0222-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.108

隨著煤礦現(xiàn)代化程度的不斷提高，對煤礦供電的可靠性、安全性提出越來越高的要求。本安電源是煤礦井下的重要電氣設備，它的安全運行是現(xiàn)代化煤礦中其他礦井下各類電氣設備高效率、高質量運轉的保證。但是由于礦井下特殊的工作環(huán)境和其他原因，目前，煤礦井下本安電源的管理還存在若干問題：首先，礦井下本安電源種類繁多、獨立性強，若不在現(xiàn)場很難檢測它們的工作狀態(tài)；其次，這些電源的功能參數(shù)各不相同，電源的維護管理也不統(tǒng)一。如果礦井下現(xiàn)場設備的供電情況不能在第一時間獲取，一旦發(fā)生電源故障，不僅影響設備運行，還可能導致重大事故的發(fā)生。

近年來，數(shù)字礦山的提出使得本安電源已經由獨立的外部設備產品發(fā)展成為整個通信系統(tǒng)不可分割的一部分。這不僅要求本安電源具備傳統(tǒng)的供電、防爆等功能，而且應該通過CAN通信接口、以太網通信接口或458總線等具備智能通訊的能力，以實現(xiàn)本安電源可方便快捷的接入數(shù)字通信系統(tǒng)中?；诖耍疚奶岢隽艘环N智能型礦用隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源的設計，能夠解決當前電源獨立、管理不規(guī)范、供電情況不明以及電源故障情況等，實現(xiàn)本安電源的網絡化、智能化。

1 智能型本安電源結構

本安型電路是指在規(guī)定的試驗條件下正常工作或在規(guī)定的故障狀態(tài)下產生的電火花和熱效應均不能點燃規(guī)定的爆炸性氣體混合物的電路。智能本安型電源的設計目的是保證操作者的人身安全、防止出現(xiàn)事故后電源故障、電源不正常時能夠自我修復或及時斷電報警、通過網絡控制與監(jiān)測電源工作情況等。因此，智能本安電源的設計采用降壓、整流、穩(wěn)壓、過流過壓保護、充電及快速切斷模塊、CAN通信接口模塊、微控制器模塊。本文設計的本安電源原理框圖如圖1所示。

交流電通過隔爆電磁開關直接控制整個電源的交流輸入，再將交流電輸入變壓器降壓，經整流、濾波、穩(wěn)壓電路1輸出直流電，給蓄電池充電。用過整流、濾波、穩(wěn)壓電路2輸出的直流電給負載供電，經過切換電路，所選擇的一路輸出電壓經過穩(wěn)壓、多重過流和過壓保護電路輸出可靠的本安電源。微控制器STM32F103模塊主要采集的備用蓄電池電壓值、本安輸出電壓值以及各種報警狀態(tài)等參數(shù)。CAN通信接口模塊將微控制器STM32F103模塊采集的數(shù)據傳輸至網絡，通過上位機對各種數(shù)據進行分析統(tǒng)計，給出當前電源的運行情況，監(jiān)控室也可以通過網絡控制電源的輸出狀態(tài)，實現(xiàn)電源的智能化、網絡化管理。

2 電源硬件原理與實現(xiàn)

該本安電源由交流變壓及整流濾波電路、直流穩(wěn)壓電路、多重保護電路、充電及切換電路、微控制器系統(tǒng)電路、CAN接口電路等組成。

2.1 交流變壓及整流濾波原理

由于是煤礦井下電網供電的本安型電氣設備，則降壓所用的變壓器采用R型隔離變壓器，其輸入側采用變壓器抽頭方式。變壓器輸出24V和25V兩組交流電壓，整流濾波后輸出直流電壓，其中一路給本安輸出，另一路給蓄電池充電。如圖1所示，上面一路從變壓器25V輸出側引出，經整流濾波電路1，通過穩(wěn)壓充電電路，為蓄電池充電；下面一路從變壓器24V輸出側引出，經整流濾波電路2，輸出約32V的直流電壓，與蓄電池的輸出電壓通過切換電路進行比較后選擇一路經LM2576HV穩(wěn)壓開關電路，為本安輸出提供電源。

2.2 直流穩(wěn)壓開關電路

穩(wěn)壓電路核心器件采用可調的LM2576HV-ADJ開關穩(wěn)壓集成電路，解決了傳統(tǒng)的固定式穩(wěn)壓器和電位器調壓時精度不足的問題。LM2576HV內置有完善的保護電路，包括電流限制和熱關斷電路等，利用該器件只需很少的外圍器件便可構成高效穩(wěn)壓電路，此外，該芯片還提供了工作狀態(tài)的外部控制引腳，該引腳的電平受微控制器STM32F103控制。

2.3 過壓、過流保護電路

由于井下存在眾多可燃性氣體，當出現(xiàn)電路因過壓、過流而導致負載短路或者火花時，嚴重影響到煤礦的安全。故本安電源的設計中必須通過多重的過流、過壓保護電路，防止事故發(fā)生，該設計性能的好壞將直接影響整個系統(tǒng)是否具有實用的價值。如圖2所示，本安電源輸出電路整體思想是控制MOS管Q5和Q6的導通或關斷來實現(xiàn)的，電源過壓過流時，三極管Q4導通，集電極輸出18V，使得P溝道MOS管Q5截止；同時，N溝道MOS管Q6的G極電平為0，使Q6截止從而切斷負載的輸出。

當電路出現(xiàn)過流或短路故障時，如圖2所示，電阻R32的電流增大，導致過流檢測點VIN_I的電壓大于閥值 [ ]，經過圖3中比較器LM393（U3）的處理，使得輸出端（U3的第7腳）呈低電平，再經過比較電路LM393（U6）的處理，使得U6的第7腳輸出為低電平，這個低電平信號直接控制圖2中的三極管Q4，使Q4導通，Q5截止，切斷本安電源的輸出，起到過電流或短路保護作用。另一路過流或短路保護電路控制MOS管Q6，原理與其一致。

當電路出現(xiàn)過壓時，如圖3所示，直流穩(wěn)壓開關電路輸出電壓大于18V，電壓采樣點VIN_V大于閥值

[ ]，經過比較器LM393（U3）的處理，使得輸出端（U3的第1腳）呈低電平，再經過比較電路LM393（U6）的處理，使得U6的第7腳輸出呈低電平，這個低電平信號直接控制圖2中的三極管Q4，使Q4導通，Q5截止，切斷本安電源的輸出，起到過電壓保護作用。另一路過電壓保護電路控制Q6，原理與其一致，這里不再詳述。

圖3中所示的雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)芯片HEF4528，它的功能是在正常情況下HEF4528的第6引腳輸出的低電平，第6引腳連接的三極管Q7處于不導通狀態(tài)。當HEF4528的第5引腳收到一個低電平（即出現(xiàn)了過壓或過流的情況），第6引腳就會輸出一個高電平使三極管Q7導通，圖2中電阻R17左端的電壓就成了低電平也就達到了上面所說的關閉MOS管的目的。但是過了一定時間，HEF4528的第6引腳又會重新回到原來的狀態(tài)，使整個電路繼續(xù)工作。這樣一定時間的延遲起到保護芯片的作用，防止芯片電平變化過快使芯片易于損壞。

2.4 充電及切換電路

當主電源停止供電時，可以通過切換電路使蓄電池開始工作，減少因供電而引起的各種問題。變壓器副邊輸出25V交流電，經過整流濾波電路1可得到約為34V的直流電壓，如圖4所示，調整電位器VR1，使三端集成直流穩(wěn)壓器LM317輸出29V的直流壓。LM317的輸出電壓范圍為1.2～37V，負載電流最大為1.5A。

圖4中所示的本安電源的充電電路部分，采用一個固定電阻R1和一個電位器VR1，調節(jié)輸出電壓的大小。剛上電LM317輸出29V時，P溝道MOS管Q2是不導通的，沒有給鎳氫電池充電。則R4分得電壓為24V，即MOS管Q2的Vgs=（24-29）=-5V，Q2導通，給鎳氫電池充電，Id（充電電流）比較大。在充電過程中Vs慢慢減小，Vgs<0且慢慢增大，則充電電流Id減小。蓄電池充電一般分為快速充電、補足充電、涓流充電三個階段。如果在工作過程中，變壓器原邊失去電源輸入，則LM317的輸出端輸出為0V，LM393（U2）的第3腳為0V，由于U2的第2腳穩(wěn)壓到18V，則U2的第1腳輸出為低電平，則MOS管Q3的Vgs小于0，Q3導通，鎳氫電池給直流穩(wěn)壓開關電路LM2576HV供電，確保本安電源正常輸出。如果變壓器原邊電壓正常，則LM317為29V正常輸出，R11分得電平為29×R11/（R11+R10），高于18V，LM393（U2）的第1腳輸出高電平，MOS管Q3截止，則鎳氫電池不給直流穩(wěn)壓開關電路LM2576供電，鎳氫電池處于浮充狀態(tài)。

2.5 微控制器系統(tǒng)及CAN接口電路

文中智能型本安電源的設計采用微控制器STM32F103C8T6來采集備用蓄電池電壓（BATT_V信號）、本安輸出電壓（VIN_V信號）以及各種報警狀態(tài)等參數(shù)，利用CAN總線傳輸技術，把采集到的數(shù)據上傳到監(jiān)控室，值班人員根據這些參數(shù)可了解電源的運行狀況，可遠程控制本安電源的輸出狀態(tài)，以實現(xiàn)本安電源的智能化、網絡化。微控制器系統(tǒng)及CAN接口電路如圖5所示：

STM32F103C8T6具有高性能、低成本、低功耗等特點。CAN收發(fā)器選用NXP的高速CAN收發(fā)器TJA1040，具有速率高、低功耗、電磁性能優(yōu)越等特點，自檢錯能力強，還可工作于睡眠模式。采用高速光耦6N137來實現(xiàn)收發(fā)器與控制器之間的電氣隔離，保護系統(tǒng)電路。

3 結語

設計了一種智能型礦用本安電源，通過使用LM2576HV開關穩(wěn)壓集成電路實現(xiàn)穩(wěn)壓功能；其中多重保護電路和充電及切換電路的設計，使得該智能型本安電源具有高轉換效率、不間斷供電、低成本等優(yōu)點。同時采用微控制器STM32F103來采集備用蓄電池電壓、本安輸出電壓以及各種報警狀態(tài)等參數(shù)，利用CAN總線傳輸技術，把采集到的數(shù)據上傳到監(jiān)控室，值班人員根據這些參數(shù)可了解電源的運行狀況，可遠程控制本安電源的輸出狀態(tài)，以實現(xiàn)本安電源的智能化、網絡化。智能本安電源非常適合為目前煤礦下的各種監(jiān)測和監(jiān)控系統(tǒng)的設備提供本安電源，具有很好的應用前景。

參考文獻

[1] 王文清，田柏林.礦用本安直流穩(wěn)壓電源的設計與研究[J].煤炭科學技術，2008，36（10）.

[2] 徐磊，周孟然，趙祥.煤礦實用本安電源設計[J].煤礦機械，2012，33（3）.

[3] 周雪峰.一種新型礦用本安電源保護電路的設計[J].工礦自動化，2013，39（7）.

[4] 于月森，謝冬瑩，伍小杰.本安防爆系統(tǒng)與本安電源結構特點及分類探討[J].煤炭科學技術，2012，40（3）.

[5] 張申，丁恩杰，徐釗，等.物聯(lián)網與感知礦山專題講座之二——感知礦山與數(shù)字礦山，礦山綜合自動化[J].工礦自動化，2010，（11）.

[6] 趙四海，周杰.礦用隔爆兼本質安全型不間斷直流穩(wěn)壓電源的設計[J].工礦自動化，2012，38（4）.

[7] 陳向東.礦用本質安全電源[J].煤炭科學技術，1997，25（6）.

[8] 鄭安平，宋玉強.礦井直流穩(wěn)壓電源的設計[J].工礦自動化，2009，（2）.

[9] 梨劍兵，謝楷，程仁杰.小型礦用本安型DC-DC隔離電源模塊設計[J].煤炭科學技術，2011，39（6）.

（責任編輯：秦遜玉）