矿用本安电源的设计
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类 传 感器 工 作 电压一 般 为２ ４ Ｖ、１ ８ Ｖ、１ ２ Ｖ、５ Ｖ 直流 等 电压 等级 。本 设计 是 基于ＵＣ ３ ８ ４ ４ 为主 控芯 片 的单 端 反激 式 开关 电源 ，ｌ ２ Ｖ 直流 输 出端设 计 了两级 过压过 流保 护 电路 以确保 实现本 安直 流 电压 输 出 。
ＤＯｈ １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｉ ． ｉ ｓ ｓ ｎ． １ ６ ７ ４ － ５ ０ ４ ３ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ３ ． ０１ ５
中图分 类号 ： Ｔ Ｎ７ 文献标志码： Ａ 文章编号： １ ６ ７ ４ ． ５ ０ ４ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ ． ０ ０ ６ ２ ． ０ ３
本 安 电源 的最 大 输 出 电流 为９ ０ ０ ｍＡ，超 过该 值 电源 即处 于 保护 状 态） 。两 级 过压 保 护 电路 主 要 用 于 防止 输 出 电源 的输 出 电压 过大 （ 最 大 输 出 电源 为 ｌ ３ Ｖ，超 过 该值 电源 便处 于过 压 保护 状态） 。
两 级 过 流 和 过压 保 护 电路 ，它 的输 入 为 １ ２ ７ Ｖ交 流 电压 ，输 出为 一 路 ｌ ２ Ｖ直 流 电压 。 重点 介 绍 了开 关 电 源 的 实现 方
法及过压保 护电路和过流保护 电路 的详 细设计 。通过测试给 出了实验结果，验证 了设计的可行 性。
关键词：本质安全；开 关电源；单端反激；煤矿井 下
式 开 关 电源 可 以实现 多路输 出 ，本文介 绍 一路 １ ２ Ｖ ／ ０ ． ８ Ａ的直流输 出，该 电源主 回路 原理 图如 图２ 所示 。
收稿 日期： ２ ０ １ ３ － ０ ４ － １ １
作 者简 介 ： 张常年（ １ ９ ５ ８ － ） ， 男， 北京人， 博士， 教授＇ 主要从 事电子 电路、信 号处理方 面的研 究．
随着 人们 对 安 全 的重视 ，本 质安 全 型 电路 在矿 井 中 的使 用越 来 越广 泛 。本 质 安全 型 电 路是指 在 正 常
工 作和 规 定 的故 障条 件 下 ，产 生 的任 何 电火花 或 任何 热 效 应均 不 能点燃 规 定 的爆 炸性 气 体环 境 的 电路 。 在矿 井 等存 在 易 燃 、易爆 气 体 的工 作环 境 中，需 要 电气 设 备考 虑到 电路 中的 电压 、 电流 等情 况 ，防止 由 于过 流 或 过压 产 生 的火 花 点燃井 下 气 体 引发事 故 。作 为 电气化 装置 的供 电核 心 ， 电源 成 为本 安 电气 设 备
ｌ ２ ７ Ｖ
整 流 源自文库
开 关
过 流
ｌ ２ Ｖ
交 流 — — — — ● ■ 滤 波 — — — — １ － 电源 — — — — ■ － 过压 — — — ＇ 直 流 输 入 电 路 电 路 保 护 输 出
图１ 本安电源 系统结构框图
２ 本 安 电源主回路 设计
１ 基 本 结 构
本 安 电源 系 统 结 构 如 图１ 所 示 。该本 安 电源 设 计主 要 由交 流 输 入 电路 、整流 滤 波 电路 、开 关 电源 电 路 、两 级 过 压 、过 流 保 护 电路 和 直流 输 出 电路 组 成 。交流 输 入 、整 流 滤 波和 开 关 电源 电路 部 分 用 来 将 １ ２ ７ Ｖ的交流 电压 转 化 为ｌ ２ Ｖ的 直流 电压 。两 级 过流 保 护 电路 主 要用 于 防止本 安 电源 的输 出 电流 过 大（ 该
ＶＯ Ｉ ． ２ ３ Ｎｏ ． ３
Ｓｅ ｐ ．２ ０１ ３
矿用本安 电源 的设计
张常年，徐 中果 ，王恩成
（ 北方工业大学 信息工程 学院，北京 石号 山 １ ０ ０ ０ ４ ４ ） 摘 要 ：针对煤矿 井下 易燃 、易爆 的特殊环境 ，设计 了一种基 于单端反激式的本质安全型开 关电源。该电源拥 有
的最 关键环 节 ， 因此 矿用 本质 安全 型 电源 的技术 水平和 质量 要求越 来越 受到 人们 的重 视 。 本 安 电源 是 指 在正 常工 作 和故 障状 态 下 ，其输 出的最 高 电压 、最 大 电流 均 具有 本安 性 能 的 电源 。 根
据 煤 矿用 直流 稳 压 电源 的标 准 ，井 下 电源 输 入一般 为１ ２ ７ Ｖ交 流 电压标 称值 的７ ５ ％－ １ １ ０ ％ ，煤矿 井 下 的各
第２ ３ 卷 第３ 期 ２ ０ １ ３ 年９ 月
洛 阳理 工学 院学 报 （ 自然 科 学 版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｌ ｕ ｏ ｙ ａ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ）
电源 更 容 易 达 到 本 安 要 求 ； Ｕ Ｃ ３ ８ ４ ４ 为 设计 者 提 供 使 用 最 小 外 部元 件 的 高 性 能 解 决 方案 ， 是 驱 动 功率 ＭＯＳ Ｆ Ｅ Ｔ的理想 器 件 。此 芯 片 的启 动 电压 为１ ６ Ｖ，欠压 保 护 电压 为 ｌ ０ Ｖ，适 合于 离 线变 换 器 。单 端 反激
本 电源 的 驱动 芯 片采 用 美 国Ｕｎ ｉ ｔ ｒ ｏ ｄ ｅ公 司（ 已被Ｔｌ 公 司 收购） 生 产 的高 性 能 电流 型脉 宽 调制 器 （ ｅ Ｗ Ｍ）
Ｕ Ｃ ３ ８ ４ ４ 。该集 成 电路 具有 振 荡器 、温 度 补偿参 考 、 高增益 误差 放 大器 、电流取 样 比较 器和 大 电流 图腾 柱 式输 出 ，Ｕ Ｃ３ ８ ４ ４ 电流 模 式可 达５ ０ ０ ｋ Ｈｚ 的 开关 频 率输 出 ， 由于 提 高频 率 可 以减 小变 压 器 原边 电感 量 ，使
ＤＯｈ １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｉ ． ｉ ｓ ｓ ｎ． １ ６ ７ ４ － ５ ０ ４ ３ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ３ ． ０１ ５
中图分 类号 ： Ｔ Ｎ７ 文献标志码： Ａ 文章编号： １ ６ ７ ４ ． ５ ０ ４ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ ． ０ ０ ６ ２ ． ０ ３
本 安 电源 的最 大 输 出 电流 为９ ０ ０ ｍＡ，超 过该 值 电源 即处 于 保护 状 态） 。两 级 过压 保 护 电路 主 要 用 于 防止 输 出 电源 的输 出 电压 过大 （ 最 大 输 出 电源 为 ｌ ３ Ｖ，超 过 该值 电源 便处 于过 压 保护 状态） 。
两 级 过 流 和 过压 保 护 电路 ，它 的输 入 为 １ ２ ７ Ｖ交 流 电压 ，输 出为 一 路 ｌ ２ Ｖ直 流 电压 。 重点 介 绍 了开 关 电 源 的 实现 方
法及过压保 护电路和过流保护 电路 的详 细设计 。通过测试给 出了实验结果，验证 了设计的可行 性。
关键词：本质安全；开 关电源；单端反激；煤矿井 下
式 开 关 电源 可 以实现 多路输 出 ，本文介 绍 一路 １ ２ Ｖ ／ ０ ． ８ Ａ的直流输 出，该 电源主 回路 原理 图如 图２ 所示 。
收稿 日期： ２ ０ １ ３ － ０ ４ － １ １
作 者简 介 ： 张常年（ １ ９ ５ ８ － ） ， 男， 北京人， 博士， 教授＇ 主要从 事电子 电路、信 号处理方 面的研 究．
随着 人们 对 安 全 的重视 ，本 质安 全 型 电路 在矿 井 中 的使 用越 来 越广 泛 。本 质 安全 型 电 路是指 在 正 常
工 作和 规 定 的故 障条 件 下 ，产 生 的任 何 电火花 或 任何 热 效 应均 不 能点燃 规 定 的爆 炸性 气 体环 境 的 电路 。 在矿 井 等存 在 易 燃 、易爆 气 体 的工 作环 境 中，需 要 电气 设 备考 虑到 电路 中的 电压 、 电流 等情 况 ，防止 由 于过 流 或 过压 产 生 的火 花 点燃井 下 气 体 引发事 故 。作 为 电气化 装置 的供 电核 心 ， 电源 成 为本 安 电气 设 备
ｌ ２ ７ Ｖ
整 流 源自文库
开 关
过 流
ｌ ２ Ｖ
交 流 — — — — ● ■ 滤 波 — — — — １ － 电源 — — — — ■ － 过压 — — — ＇ 直 流 输 入 电 路 电 路 保 护 输 出
图１ 本安电源 系统结构框图
２ 本 安 电源主回路 设计
１ 基 本 结 构
本 安 电源 系 统 结 构 如 图１ 所 示 。该本 安 电源 设 计主 要 由交 流 输 入 电路 、整流 滤 波 电路 、开 关 电源 电 路 、两 级 过 压 、过 流 保 护 电路 和 直流 输 出 电路 组 成 。交流 输 入 、整 流 滤 波和 开 关 电源 电路 部 分 用 来 将 １ ２ ７ Ｖ的交流 电压 转 化 为ｌ ２ Ｖ的 直流 电压 。两 级 过流 保 护 电路 主 要用 于 防止本 安 电源 的输 出 电流 过 大（ 该
ＶＯ Ｉ ． ２ ３ Ｎｏ ． ３
Ｓｅ ｐ ．２ ０１ ３
矿用本安 电源 的设计
张常年，徐 中果 ，王恩成
（ 北方工业大学 信息工程 学院，北京 石号 山 １ ０ ０ ０ ４ ４ ） 摘 要 ：针对煤矿 井下 易燃 、易爆 的特殊环境 ，设计 了一种基 于单端反激式的本质安全型开 关电源。该电源拥 有
的最 关键环 节 ， 因此 矿用 本质 安全 型 电源 的技术 水平和 质量 要求越 来越 受到 人们 的重 视 。 本 安 电源 是 指 在正 常工 作 和故 障状 态 下 ，其输 出的最 高 电压 、最 大 电流 均 具有 本安 性 能 的 电源 。 根
据 煤 矿用 直流 稳 压 电源 的标 准 ，井 下 电源 输 入一般 为１ ２ ７ Ｖ交 流 电压标 称值 的７ ５ ％－ １ １ ０ ％ ，煤矿 井 下 的各
第２ ３ 卷 第３ 期 ２ ０ １ ３ 年９ 月
洛 阳理 工学 院学 报 （ 自然 科 学 版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｌ ｕ ｏ ｙ ａ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ）
电源 更 容 易 达 到 本 安 要 求 ； Ｕ Ｃ ３ ８ ４ ４ 为 设计 者 提 供 使 用 最 小 外 部元 件 的 高 性 能 解 决 方案 ， 是 驱 动 功率 ＭＯＳ Ｆ Ｅ Ｔ的理想 器 件 。此 芯 片 的启 动 电压 为１ ６ Ｖ，欠压 保 护 电压 为 ｌ ０ Ｖ，适 合于 离 线变 换 器 。单 端 反激
本 电源 的 驱动 芯 片采 用 美 国Ｕｎ ｉ ｔ ｒ ｏ ｄ ｅ公 司（ 已被Ｔｌ 公 司 收购） 生 产 的高 性 能 电流 型脉 宽 调制 器 （ ｅ Ｗ Ｍ）
Ｕ Ｃ ３ ８ ４ ４ 。该集 成 电路 具有 振 荡器 、温 度 补偿参 考 、 高增益 误差 放 大器 、电流取 样 比较 器和 大 电流 图腾 柱 式输 出 ，Ｕ Ｃ３ ８ ４ ４ 电流 模 式可 达５ ０ ０ ｋ Ｈｚ 的 开关 频 率输 出 ， 由于 提 高频 率 可 以减 小变 压 器 原边 电感 量 ，使