基于DSP的本质安全型数字开关电源的设计
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摘要： 本文对本质安全开关电源的放电特性进行了分析，以此为理论依据针对矿井易燃易爆的特殊环境设计了一种基于dsp的本质安全型数字开关电源。
Abstract： The paper analyzed the discharge characteristics of intrinsically safe switching power supply. As a theoretical foundation， it helped me design digital intrinsically safe power supply based on DSP which works in mine - on explosive environment.
关键词： 本质安全；开关电源；DSP；数字控制
Key words： intrinsic safety；switching power supply；DSP；digital control
中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）02-0051-02
0 引言
本质安全型开关电源在正常工作以及发生故障的情况下，所产生的电火花和热效应均不足以引燃矿井环境中存在的可燃性气体；电源中本质安全电路和非本质安全电路之间要有可靠的电气隔离；本质安全型开关电源要包含多重的限能保护电路。为此本文设计一种基于DSP的本质安全型数字电源（下文简称本安电源）。
1 本安电源放电特性分析
电路主要包括电阻性、电容性、电感性三种形式，三种电路的放电特性各不相同。在研究本安电源设计时，必须了解电容性电路放电的全过程，弄清电路放电规律[2][3]，图1为电容性电路实验原理图。
电路包括放电回路电阻R，火花放电间隙G，由图1得到回路电压方程为uc=uR+ug，即：uc-igR=ug（1）
式中：ug为火花放电电压，uc为电容电压，uR为回路电阻电压。放电电流为：ig=ic=-C■（2）
对式（1）做微分处理，然后将式（2）带入得到微分方程：■+■=-■■（3）
假设电压的指数模型为：ug=A1+A2e■（4）
式中：A1、A2为未知系数。
将式（4）带入式（3）中得：■+■=-■e■（5）
根据电容性电路火花放电电压临界条件：ug（0）=E、ug（T）=uT，式中T是每次火花放电时间，uT为每次放电结束时刻的放电电压。将电容性电路火花放电电压临界条件带入式（4）中得：A1+A2=EA1+A2e■=uT解得A1=■A2=■（6）
将式（6）带入式（5）中得：
■+■=■■e■（7）
根据电流初始条件：t=0时，ig=0，可将放电电流解出，解得放电电流为：ig=■te■（8）
将式（6）带入式（4）中可得放电电压为：
ug=A1=■+■e■（9）
则放电能量为：W=■ugigdt=■（■+■e■）■te■dt=■（■+■-E？琢）-（T？子0+？子■■）■？琢-■？琢2（10）
式中？琢=e■，？子0=RC，
放电能量是决定是否引燃的因素之一，只有电路放电总能量小于爆炸性气体环境下的最小点燃能量，才不会引燃气体。根据式（10）当单次放电时，uT=0，则有：
W=■CE2[■+■T]=■CE2？茁（11）
式中：？茁=[■+■T]
令n=■，则有？茁=■+■+■（12）
因为n>0，由式（12）可得：？茁>■，从以上递推可以看出，电容单次放电的最小放电能量为电容储存的总能量的一半，因此，电容最终放电的能量总小于电容所储存总能量。
2 本安电源总体结构设计及工作原理
根据井下一般的用电标准，本文所设计的是输入为交流127V，输出为直流24V的本安型数字电源，其总体结构设计如图2所示。
本安电源电路主要由输入整流滤波电路、DC/DC变换器、二级过流保护电路以及二级过压保护电路组成。当127V交流电通过整流滤波电路转化为直流电后，由DC/DC变换器将整流后的直流电压变换为24V直流电压，所输出的直流电压经过第二级过流过压保护电路[4]进行限能保护，最终实现本质安全直流输出。其中控制DC/DC变换器的PWM信号由DSP数字控制芯片发出，同时DSP芯片本身具有过压过流保护功能。
3 本安电源电路硬件设计
3.1 本安电源主回路的设计 本安电源主回路采用反激式拓扑结构，选用DSP芯片TMS320F2812作为控制芯片，由芯片发出PWM信号，经驱动电路光耦TLP250放大控制变换电路中开关管Q1的通断，并通过对电流、电压信号的采集反馈来调节PWM信号，该电源主回路的原理如图3所示。
整流滤波后电流直接送给变压器T1原边，图3中C1和R5构成吸收回路，可在Q1关断时吸收由高频变压器初级漏感产生的尖峰电压，保护Q1不受损坏，平滑直流信号，旁路可能存在的高频信号；R4、R6为过流检测电阻，检测电压输入到TMS320F2812中来控制输出矩形波；次级绕组输出经过二极管D3整流以及电容器C2的滤波后，通过采样电阻R10，R11分压，与TL431内部基准2.5V比较，将误差电压送入光耦，再通过光耦的导通能力来控制PWM芯片TMS320F2812进而来控制开关管导通和关断的时间从而实现恒流。此外，采样电阻R12，R13分压与TL431内部基准2.5V比较，将误差电压送入光耦，再通过光耦的导通能力将信号反馈到PWM芯片TMS320F2812进而来控制开关管导通和关断的时间，从而实现恒压。
3.2 二级过流过压保护电路的设计 根据对本质安全电路的要求，在电源主电路的输出端要设计第二级过流保护电路。并且在过流保护电路后接上三端稳压器，这样可使过流保护电路的输出端能够输出稳定直流电。如果在电源电路工作时，由于元器件损坏而使电路出现故障导致输出的电压超过规定值，输出电压就会迅速升高，这种情况可能会造成很大的损失，因此在电路中要加入第二级过压保护电路，常用的是晶闸管短路保护。图4为二级过流过压保护电路原理图。
图4（a）为二级过流保护电路，当输入进来的电流小于所设限流I时，电阻R17上的电压小于Q4的开启电压，这时Q4工作在截止状态。电阻R16将输入电压分压，使Q2的源极S和栅极G之间产生足够的电压差，这样便可使Q2导通，这时过流保护电路正常工作。当输入进来的电流比所设限流I大时，电阻R17上的电压比Q4上的开启电压要大，这时Q4是工作在导通状态的。此时输入电压直接加在Q2的栅极G上，Q2的源极S和栅极G的基本无电压差，这样便可使Q2截止，导致电路断开，使电路工作在保护状态，Q2和Q3功能相同，给电源电路提供双重保护。图4（b）为二级过压保护电路，在电路工作正常的情况下，Dz2、晶闸管SCR都处在截止状态，电路所输出的电压直接为负载供电；当直流稳压器以为一些不定因素导致输出过高电压时，稳压管Dz2进入导通状态，为电容C6充电，此时有正向电压和电流流过晶闸管SCR，使晶闸管SCR触发导通，同时由于输出端对地短接，从而使输出电压迅速下降，起到保护作用。
4 结论
本文设计了一款基于DSP的反激式数字本安电源，电源的各部分电路均符合国标GB3836.4-2000中对本质安全电路的规定。经过实验测试，该电源工作正常，保护及时，实验结果与数据理论一致。
参考文献：
[1]刘树林.本质安全开关变换器基础理论及关键技术研究[D].西安科技大学，2007.
[2]刘建华.爆炸性气体环境下本质安全电路放电理论及非爆炸评价方法的研究[D].中国矿业大学，2008.
[3]刘辉.隔爆兼本安直流稳压开关电源的研究[D].西安科技大学，2005.