基于PWM技術(shù)的煤礦井下本安驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

隨著能源的日益稀缺，低碳經(jīng)濟(jì)愈來(lái)愈被重視,LED節(jié)能、高效、環(huán)保這些特點(diǎn)必然使其大放異彩，但LED光源并不像一般的光源那樣可以直接使用公共電網(wǎng)電壓,它必須提供能滿足其LED的額定電壓和電流才能正常工作。近年來(lái)，煤礦事故頻發(fā)，因?yàn)槊旱V下存在爆炸性混合氣體，所以對(duì)所用的電器設(shè)備的安全性有著更高的要求，對(duì)設(shè)備在正常工作和發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的電火花或熱效也應(yīng)有相應(yīng)的限制。筆者針對(duì)礦下這種易燃易爆的惡劣環(huán)境,采用目前非常流行的PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款具有極高穩(wěn)定性和效率，且具有保護(hù)隔離措施的高可靠性電源。

1  脈寬調(diào)制原理及其典型電路

圖1所示是脈寬調(diào)制技術(shù)驅(qū)動(dòng)電源的典型電路,其中輸入電壓經(jīng)整流濾波后和芯片漏極電壓構(gòu)成變壓器初級(jí)端的輸入電壓,次級(jí)端按照變壓器的匝數(shù)比再經(jīng)整流濾波得到輸出電壓，輸出電壓經(jīng)采樣、比較電路后得到的信號(hào)再經(jīng)光耦傳輸?shù)叫酒姆答佉_，從而調(diào)整三極管的導(dǎo)通和截止時(shí)間，并最終使輸出電壓保持穩(wěn)定。

脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)部件，一般都是由大功率三極管或大功率場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)?yè)?dān)任的，電源輸出電壓的改變和穩(wěn)定，都是靠開(kāi)關(guān)管飽和導(dǎo)通的時(shí)間和截止時(shí)間長(zhǎng)短的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的，我們稱(chēng)之為占空比，即導(dǎo)通時(shí)間與整個(gè)周期的比。當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓也會(huì)發(fā)生變化，然后經(jīng)過(guò)采樣和反饋電路去控制開(kāi)關(guān)調(diào)整管導(dǎo)通時(shí)間的長(zhǎng)短,從而使脈沖的寬度發(fā)生變化，最終使輸出電壓保持穩(wěn)定。比如輸出電壓V。低于正常電壓，經(jīng)過(guò)采樣和反饋電路改變?nèi)龢O管導(dǎo)通時(shí)間,使它的直流分量增加，也就是使平均電壓增加，并使輸出電壓回升，從而抑制輸出電壓的下降,維持輸出電壓的穩(wěn)定。同理，若輸出電壓V。高于額定值，經(jīng)過(guò)采樣和反饋電路改變導(dǎo)通時(shí)間后，將使它的直流分量減少,平均電壓降低，并使輸出電壓降低，從而抑制輸出電壓的升高，以維持輸出電壓的穩(wěn)定。

2  電路設(shè)計(jì)

2.1  本安LED驅(qū)動(dòng)電源組成

圖2所示是一個(gè)本安LED驅(qū)動(dòng)電源的組成框圖。圖中，該本安LED驅(qū)動(dòng)電源中的開(kāi)關(guān)電源芯片可采用飛兆半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的型號(hào)為KA5M0380,該芯片的頻率為66kHz,采用單端反激式開(kāi)關(guān)電源技術(shù)來(lái)完成電源設(shè)計(jì)。

2.2  電路保護(hù)部分

系統(tǒng)中的輸入端電路保護(hù)部分由250V/2A保險(xiǎn)管、壓敏電阻、熱敏電阻組成,可用于在電源出現(xiàn)故障時(shí)，對(duì)電源其它器件進(jìn)行保護(hù)，以保證安全。

2.3  整流濾波

整流濾波電路的主要功能是將交流電變換為直流電，并供后續(xù)電路進(jìn)行相應(yīng)變換。該電路采用二極管組成全波整流或半波整流電路，再加上一定容值的電容來(lái)達(dá)到整流濾波的目的。由于整個(gè)電源電路的頻率為66kHz左右，所以，電路的輸出濾波使用高頻二極管UF4007。因?yàn)檩敵鲭妷阂糜隍?qū)動(dòng)LED,所以要求輸出電壓要盡可能的平滑，事實(shí)上,該電路也可以選用k型濾波器來(lái)濾波。

2.4  短路保護(hù)及芯片供電系統(tǒng)

將短路保護(hù)和芯片供電這兩部分放在一起研究的原因是因?yàn)槎搪繁Ｗo(hù)是通過(guò)對(duì)芯片供電的影響而達(dá)到其相應(yīng)保護(hù)目的的。圖3所示是本LED本安電源的短路保護(hù)和供電電路圖。 

由于KA5M3080芯片內(nèi)部沒(méi)有電流源，所以芯片啟動(dòng)需要外部提供一定的電流和電壓，而在剛上電時(shí)，次級(jí)給芯片供電部分的線圈沒(méi)有輸出，所以，電路部分用一個(gè)電阻直接連在輸入整流濾波后，并在芯片啟動(dòng)時(shí)給芯片供電，待芯片正常工作后，由輔助繞組給芯片供電。

該電路采用0.1。電阻來(lái)對(duì)輸出電流進(jìn)行釆樣，當(dāng)電流超過(guò)預(yù)先設(shè)定的值時(shí)，運(yùn)放輸出一個(gè)脈寬為2ms,幅度為20V左右的脈沖，并經(jīng)光耦反饋給輸入端的芯片供電電路。該光耦輸出端接三極管,三極管集電極接芯片供電管腳，另一端接地，當(dāng)光耦輸入端檢測(cè)到運(yùn)放輸出上述脈沖時(shí)，三極管瞬間導(dǎo)通，芯片供電迅速被拉低,從而使芯片停止工作，并導(dǎo)致輸出端沒(méi)有輸出。此時(shí)芯片又由啟動(dòng)供電電路供電來(lái)重新啟動(dòng)，一旦有輸出，如果短路故障仍存在，則短路保護(hù)就被激活，又重復(fù)上述過(guò)程，周而復(fù)始。

2.5  穩(wěn)壓穩(wěn)流反饋系統(tǒng)

該電源電路的反饋電路包括電壓反饋和電流反饋，它們的工作原理類(lèi)似?，F(xiàn)以電壓反饋為例，先對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)電阻分壓后接到運(yùn)算放大器正向端，反相端接基準(zhǔn)電壓，如果輸出電壓太大，運(yùn)放則會(huì)輸出一個(gè)相應(yīng)比例的電壓信號(hào)，經(jīng)光耦輸入到芯片的反饋引腳，這樣，芯片就會(huì)根據(jù)反饋電壓的大小調(diào)整占空比，從而抑制輸出電壓，直到平衡狀態(tài)。電流反饋則是在負(fù)載對(duì)輸出電流進(jìn)行采樣。

3  結(jié)語(yǔ)

本文以LED照明這一節(jié)能高效的照明技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)，主要針對(duì)煤礦井下惡劣的環(huán)境，闡述了在易爆環(huán)境下本質(zhì)安全型驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)方法。本課題從立題到完成都立足于實(shí)際應(yīng)用,并以工程的實(shí)際需要為根本出發(fā)點(diǎn)，將理論與實(shí)際聯(lián)系在一起。目前，采用本設(shè)計(jì)的本安驅(qū)動(dòng)電源已經(jīng)投入生產(chǎn)和使用，相信在實(shí)際的使用環(huán)境中還將會(huì)不斷完善。