一種12V新型本安電源的設(shè)計(jì)方案

　　本文介紹了一種基于TOP244Y的12V新型本安電源的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)的核心選用 Power Integration公司的開(kāi)關(guān)電源芯片TOP244Y，在開(kāi)關(guān)電源的基礎(chǔ)上，外加過(guò)壓保護(hù)電路和過(guò)流保護(hù)電路，使電壓穩(wěn)定在12V.經(jīng)過(guò)壓保護(hù)測(cè)試和 過(guò)流保護(hù)測(cè)試驗(yàn)證，該電源滿足本安要求，從而證實(shí)了本方案的可行性。

　　1.引言

　　近年來(lái)，我國(guó)煤礦機(jī)械化、自動(dòng)化程度日益提高，礦井監(jiān)控、通訊、儀表自動(dòng)化系統(tǒng)等應(yīng)用日益普遍，但 煤礦的特殊環(huán)境，要求煤礦電氣設(shè)備必須采用本安設(shè)備。本安電源作為礦用本安系統(tǒng)不可缺少的組成部分，其技術(shù)先進(jìn)性和產(chǎn)品質(zhì)量決定了本安設(shè)備的可靠性，從而 直接影響到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，關(guān)系到礦井安全生產(chǎn)、抗災(zāi)能力和礦工安危。

　　2.系統(tǒng)整體方案

　　根據(jù)煤礦用直流穩(wěn)壓電源的標(biāo)準(zhǔn)，電源輸入電壓為交流127V標(biāo)稱值的75%~110%（即 95V~140V），輸出電壓的紋波電壓不應(yīng)超過(guò)直流輸出電壓12V的5%.根據(jù)要求，本文采用TOP244Y開(kāi)關(guān)電源芯片，在高頻開(kāi)關(guān)電源的基礎(chǔ)上，外 加過(guò)壓保護(hù)電路、過(guò)流保護(hù)電路，設(shè)計(jì)了新型的12V本質(zhì)安全型電源（最高開(kāi)路電壓12.4V、最大短路電流150mA）。

　　如圖1所示，本系統(tǒng)包括以下3個(gè)部分：

　　開(kāi)關(guān)電源電路、過(guò)壓保護(hù)電路、過(guò)流保護(hù)電路。

　　3.硬件電路設(shè)計(jì)

　　3.1 開(kāi)關(guān)電源電路

　　開(kāi)關(guān)電源電路將交流電127V轉(zhuǎn)變成直流電23V.電路原理圖如圖2所示，交流電經(jīng)過(guò)整流、濾波，成為紋波較大的直流電，通過(guò)高頻變壓器、開(kāi)關(guān)電源芯片TOP244Y得到23V的直流電。

　　TOP244Y是Power Integration公司的TopSwitch II系列產(chǎn)品，它便于實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的交流輸入電壓范圍是85V~265V.它能同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入欠壓保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、從外部設(shè)定極限電流、降 低最大占空比等功能。TOP244Y具有頻率抖動(dòng)特性，這對(duì)降低電磁干擾很有幫助。

　　TOP244Y的1引腳用于占空比控制，根據(jù)反饋電壓改變占空比，調(diào)節(jié)電壓穩(wěn)定輸出；2引腳提供線 電壓的過(guò)壓、欠壓等自動(dòng)監(jiān)測(cè)和調(diào)整；3引腳通常與三極管相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制，當(dāng)三極管導(dǎo)通，3引腳接地，TOP244Y正常工作，當(dāng)三極管斷開(kāi)，3引 腳類于懸空，TOP244Y失能；4引腳為TOP244Y內(nèi)部MOSFET的源極，6引腳為內(nèi)部MOSFET的漏極，作為開(kāi)關(guān)使用，提供給高頻變壓器；5 引腳為頻率引腳，接地時(shí)TOP244Y的工作開(kāi)關(guān)頻率為132KHz.R3為欠壓或過(guò)壓檢測(cè)電阻，并能給線路提供電壓前饋，以減少開(kāi)關(guān)頻率的波動(dòng)。D2、 D3構(gòu)成漏極鉗位電路，可吸收內(nèi)部MOSFET關(guān)斷時(shí)由高頻變壓器T1初級(jí)漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，保護(hù)MOSFET不受損。電阻R5用來(lái)從外部設(shè)定功率開(kāi)關(guān) 管的漏極極限電流，使之略高于滿載或輸入欠壓時(shí)的漏極峰值電流，這就允許在電源起動(dòng)過(guò)程中或輸出負(fù)載不穩(wěn)定但未出現(xiàn)飽和的情況下采用較小尺寸的高頻變壓 器。當(dāng)輸入直流電壓過(guò)壓時(shí)，R5還能自動(dòng)降低最大占空比Dmax，對(duì)最大負(fù)載功率加以限制。

　　精密光耦反饋電路由線性光電耦合器PC817A、穩(wěn)壓管D7、 電阻R6、R8組成。輸出電壓Uo經(jīng)過(guò)光耦去改變TOP244Y的1引腳電流IC，使占空比發(fā)生變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)Uo保持不變。反饋繞組的輸出電壓經(jīng)D3、 C8整流濾波后，給光耦中的接收管提供偏壓。C10還與R14一起構(gòu)成尖峰電壓濾波器，使偏置電壓在負(fù)載較重時(shí)能保持恒定。

　　3.2 過(guò)壓保護(hù)電路

　　如圖3所示，當(dāng)輸出電壓12V因某種原因增加時(shí)（假設(shè)增加到13V），D11、D13穩(wěn)壓管導(dǎo)通，分別觸發(fā)快速可控硅Q4、 Q6，導(dǎo)通光電耦合器U2、U4，通過(guò)A、B點(diǎn)連接的三極管Q2、Q3基極電平被拉成低電平，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)電源芯片TOP244Y的遠(yuǎn)程失能控 制，TOP244Y停止工作，VCC電壓為零，最終輸出電壓為零，實(shí)現(xiàn)輸出過(guò)壓保護(hù)。圖中R11、R15的作用是減小快速可控硅輸入端的偏置電流。