CN102005916B

CN102005916B - 一种本质安全型直流电源的多电压转换装置

Info

Publication number: CN102005916B
Application number: CN 201010577132
Authority: CN
Inventors: 黄晓颖; 邵鹏; 武强; 张潜
Original assignee: CHANGSHU HENGZHENG APPLIANCE Co Ltd
Current assignee: CHANGSHU HENGZHENG APPLIANCE Co Ltd
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2010-12-07
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2030-12-07
Also published as: CN102005916A

Abstract

本发明公开了一种直流电源的多电压转换装置，由直流电源供电，其特征在于：主要由限流器件及至少二个稳压模块串联连接构成；每个所述稳压模块采用稳压二极管和共发射极的三极管放大电路结构，所述三极管选自单管或复合管，三极管的集电极和基极之间设有稳压管，基极和发射极之间设有阻值可调的偏置电阻，在集电极和发射极之间构成电源输出端；各稳压模块的电源输出端构成串联叠加结构。本发明可以搭成具有各种电压和电流的稳压电路，电路结构简单，实现方便；能消除稳压二极管的产品差异造成的影响，保证输出电压的稳定。

Description

一种本质安全型直流电源的多电压转换装置

技术领域

本发明涉及一种供电装置，具体涉及一种用于将本质安全型直流电源转换为多个较低电压的供电电源的装置，尤其是能在5V或更低电压下提供较大电流的本质安全型供电转换装置。

背景技术

本质安全电路是指：在国家标准GB3836.4-2000《爆炸性气体环境用电气设备第4部分：本质安全型“i”》规定的条件（包括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；本质安全设备是指：设备内部的所有电路都是本质安全电路的电器设备。这种设备的特征是不依靠坚固的外壳，而是靠设备自身具备的安全性质，即任何一个元器件短路或开路时产生的电火花，不至于引爆周围的可燃性气体。

给本质安全设备供电的电源，其输出端必须同样具备本质安全性能。对该电源的输出端的要求是：发生最不利的故障（短路或开路）时产生的电火花，均不应点燃周围的可燃性气体。作为通讯、监控、检测、报警以及控制系统的供电设备，本质安全型供电电源主要应用于石油、化工、纺织和煤矿等含有爆炸性混合物的环境中。由于对电源有上述要求，所以一百多年来，本质安全型电源一直未能突破20W左右的功率。目前常用的本质安全型电源主要有以下几种规格：(1)5V、2A；(2)12V、1.5A；(3)15V、1.2A；(4)18V、1.2A；(5)24V、0.5A。

由于本安电源是隔爆形式，外壳由钢板制成，很笨重，因此，对于现有电源的充分利用也显得重要。

当用于给LED显示灯牌供电时，显示模块采用的是3.3V供电，控制主板采用的是5V供电，如果用现有的5V本质安全型电源供电，由于5V电源目前最大只能做到2A，灯牌最大只能做到0.4平方米，这就限制了LED显示灯牌在煤矿等场合的应用。另外，在给多个低电压用电设备供电时，由于电流的限制以及各用电器隔离的要求，需要对应设置多个本质安全型供电电源，这也导致了应用成本的增加、电源总体积的增大及重量的增加。

由于目前12V、15V、18V等较高电压等级的本质安全型电源的输出功率要明显大于5V电源的输出功率，如果能够用这些较高电压等级的电源给5V或更低电压的用电器供电，则可以获得更大的功率。然而，这首先要解决如何把电源电压降到5V和3.3V。低电压的稳压二极管存在下列问题：同一型号的稳压二极管稳定电压可能存在10%的误差；在不同的工作电流下，稳压二极管的稳定电压变化较大，特别是在工作电流较小时，电压波动较大，对于3V以下的稳压二极管，约有10%左右的电压变化；同时要获得大电流的低电压稳压二极管比较困难。如果采用线性稳压器进行稳压的话，电源输出功率的很大一部分将会损耗在线性稳压器上，导致输出功率的降低。而如果采用DC-DC元件对电压进行调整，虽然现有的DC-DC模块很多都带有软启动电路以减小启动电流，但其启动电流仍偏大，对于本质安全型电源来说，只要它所接的负载大于它允许的最大负载，电源就会切断供电，所以，DC-DC模块在本质安全型电源供电场合的应用受到很大的限制。

因此，如何获得可以提供5V或更低电压、较大输出功率的本质安全型供电电源，是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明目的是提供一种本质安全型直流电源的多电压转换装置，该装置能够将较高电压的供电转换成多个较低电压的供电，使现有的本质安全型直流电源的有限功率在低电压供电的情况下得到充分利用。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种本质安全型直流电源的多电压转换装置，由直流电源供电，主要由限流器件及至少二个稳压模块串联连接构成；每个所述稳压模块由电压调整电路、电压采样电路和压控电流组件构成，所述电压调整电路中设有采样点，所述电压采样电路采样电压调整电路中采样点的电压，连接控制所述压控电流组件的工作电流，使负载变化时，稳压模块的输入、输出总电流不变；上一稳压模块的电流总输出端连接至下一稳压模块的电流总输入端，构成串联叠加结构。

上述技术方案中，电压调整模块用于稳定电压，当负载变化时，由于负载电流的改变，电压调整模块中采样点的电压会发生变化，该电压经电压采样电路传递至压控电流组件，压控电流组件中的电流随之改变，负载电流增加时，压控电流组件中的电流相应减小，负载电流减小时，压控电流组件中的电流相应增大，由此使稳压模块的输入、输出总电流不变，从而把电流传递给下级稳压模块和负载。由于设置了压控电流组件，流过稳压模块的电流主要经过负载和压控电流组件传递，电压调整模块的电流占很小部分，保证了稳压模块的输出电压稳定。

上文中，每个稳压模块具有电流输入和输出端，上一级稳压模块的电流输出端接至下一级稳压模块的电流输入端，每个稳压模块具有一对电源输出端，由此形成至少二个输出电源。使用时，将整个电源连接至较高电压的本质安全型电源上，各稳压模块即会分别输出较低的电压，由于各稳压模块间是串联的，每一稳压模块均可以提供不大于较高电压的电源额定电流的电流；限流器件可以采用电阻或恒流源，当电流较大时，可选用恒流源，一般地，设定恒流源的电流稍小于供电的较高电压的本质安全型电源的最大电流。例如，较高电压的本质安全型电源采用18V、1.0A的电源，设置五个稳压模块，除去恒流源上消耗一定电压后，每个稳压模块的输出电压为3V，则三个稳压模块可以分别提供1.0A的电流，总供电电流最大可达5A。由于各稳压模块输出电压的基准不同，当用于对同一低压用电设备的各个不同部件进行供电时，需要在用电设备各部件间设置信号隔离器件，以避免不同地产生的影响。例如，对较大面积的LED显示灯牌供电时，将显示灯牌中的LED分成几个部分，各稳压模块分别给每一部分供电，而各部分之间的信号传送，则通过信号隔离器件实现。各稳压模块的电源输出端也可以单独使用。

上述技术方案中，所述电压调整电路包括串联连接的稳压管和电阻，稳压管和电阻的连接电路上设置所述采样点。

优选的技术方案，所述电阻由至少一个电阻器和一个电位器串联构成。

压控电流组件可以采用多种现有技术中的任一种实现，只要使电流随电压的变化与负载电流变化满足互补条件即可。可选的技术方案包括：

所述压控电流组件包括运算放大器构成的负反馈放大电路、三极管构成的放大电路，运算放大器的正相输入端和反相输入端分别连接基准电压和采样点，运算放大器的输出端经基极电阻连接三极管的基极，三极管的发射极和集电极之间构成稳压模块的电压输出端。

或者，所述压控电流组件由三极管共射极放大电路构成，采样电路的输出连接三极管的基极，三极管的集电极和发射极之间构成稳压模块的电压输出端，所述三极管为单管或复合管。

或者，所述压控电流组件由场效应管放大电路构成，采样电路的输出经电阻连接场效应管的栅极，场效应管的漏极和源极之间构成稳压模块的电压输出端。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1．本发明通过设置压控电流组件，实现了多级电源串联输出，克服了稳压二极管电压和电流输出的局限，适当调整采样电路参数，可以得到各种不同的稳定电压，适当选择压控电流组件的放大倍率，可以得到各种不同的稳定电流，由此可以消除稳压二极管的产品差异造成的影响。

2．本发明的电路能将较高电压的本质安全型电源的输出转换为多个较低电压的本质安全型电源，从而获得低电压大电流的供电，特别适合于如LED显示灯牌等用电器使用，也可以用于给邻近的多个设备同时供电。

3．本发明中的稳压模块所带负载的电流在零和最大值之间变化时，仍可得到非常高的稳压精度，克服了普通稳压二极管在负载电流大范围变化时电压不稳定的曲线，该缺陷在低电压时尤为显著。

4．本发明所涉及的电源转换电路具有本质安全特性，可直接用于本安型电子设备中，不需要外加隔爆防护外壳。

附图说明

图1是本发明实施例一中的电路框图示意图；

图2是图1中一个稳压模块的电路结构示意图；

图3是图2中基极电流与电压关系示意图；

图4是实施例二中一个稳压模块的电路结构示意图；

图5是实施例三中一个稳压模块的电路结构示意图；

图6是实施例三中场效应管特性示意图一；

图7是实施例三的场效应管特性示意图二。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见图1所示，一种本质安全型直流电源的多电压转换装置，主要由恒流源及4个稳压模块串联连接构成，各稳压模块分别独立给用电器供电，各用电器之间通过信号隔离器件隔离；参见附图2所示，为其中一个稳压模块的电路结构示意图，采用共发射极的三极管放大电路结构，所述三极管为两个三极管单管构成的复合管，第一三极管为NPN管，第二三极管采用PNP管，第一三极管的集电极连接至第二三极管的基极，整个复合管为NPN型，其中，第一三极管的基极为复合管的基极，第一三极管的发射极与第二三极管的集电极连接，构成复合管的发射极，第二三极管的发射极构成复合管的集电极。

复合管的集电极和基极之间设有稳压管，基极和发射极之间设有阻值可调的偏置电阻，如图，由电阻R和电位器R_W串联构成，集电极和发射极之间构成电源输出端V₁。稳压管、电阻R和电位器R_W一起构成电压调整电路，三极管构成压控电流组件，两者的连接线则构成电压采样电路。

相邻二个稳压模块之间，下一稳压模块中复合管的集电极与上一稳压模块中复合管的发射极连接，第一个稳压模块中复合管的集电极与恒流源的输出端连接。

本实施例中，选择第一三极管的放大倍率为100，第二三极管的放大倍率为2000，从而，该放大电路结构的总放大倍率为200000。

1）本电源由恒流源供电，其中的电流关系式为；

I_fZ=I_UL-I_UZ-I_C(1)

式中I_fz为负载电流；I_UL为恒流源电流；I_UZ为流过稳压二极管的电流；I_C为流过三极管集电极的电流，三极管为复合管时为全部三极管集电极的电流的总和。

2）本电源输出电压为：

V_fZ=V_UZ+V_be1(2)

式中V_fZ为输出电压；V_UZ为稳压二极管两端的电压；V_be1为第一级NPN三极管基极与发射极两端之间的电压。

3）本电源允许负载的最大电流为：

当三极管集电极电流趋近零，此时负载上可以得到最大电流。

I_fZ=I_UL-I_UZ-I_C≈I_UL-I_UZ

4）稳压管电流与集电极电流关系：

I_UZ=I_R+I_be1≈I_R+I_C/b 即 I_C≈b ( I_UZ- I_R) (3)

式中I_R为流过电阻R的电流，I_be1为三极管基极电流，b可以是一个三极管也可以是复合管的值的总放大倍数，根据(1),(3)式可知，b越大，稳压管的电流扩扩展功能越大。

稳压过程：当负载电流增加，Uo↓，Ua↓，根据图3曲线图，T1基极电流↓，IT1↓，IT2↓，故Uo↑，由此输出电压稳定。

实施例二：参见图4所示，为一个稳压模块的电路结构示意图。稳压模块由恒流源供电，电压采样由稳压管D_w1和电阻R₂、W₂组成，压控电流组件由运算放大器LM324、反馈电阻R_f、电压基准及三极管T组成，其中电压基准由电阻R₁、W₁和稳压管D_w2组成。

电压采样电路的工作原理：稳压管在正常工作时有一个对应的伏安特性，把这个特性看成一个等效电阻RD，即

RD =

Figure 2010105771322100002DEST_PATH_IMAGE002

………………………………（1）

以C2V7为例，当电压在2.5V～2.9V变化时，对应电流约在1～9mA变化。根据公式（1）可知，当电压低时，等效电阻RD偏大，相反电压高时RD偏小。

稳压管D_w1与电阻R₂、W₂组成分压电路，Ub点为电压采样点

U_b = U_o

Figure 2010105771322100002DEST_PATH_IMAGE004

…………………（2）

适当选择稳压管与R₂、W₂可以采样到比输出电压波动更为强的电压波动信号。

W₂用于调整稳压二极管工作电流到合适的位置，运算放大器对采样到的电压波动信号放大，由R₁、D_w2、W₁组成基准电路，忽略运算放大器输入端的电压差，输出电压

U_o = U_DW1+U_b …………………………（3）

其中U_DW1为稳压管D_w1的稳定电压，调节基准电压U_b即可调整输出电压U_o。

电流调节部分可根据U_d的变化，由三极管T完成。恒流源电流IHL：

IHL = IZ+IF+IT+IFZ ………………………（4）

其中，IZ：稳压二极管电流

IF：运放电流

IT：电流调整管电流

IFZ：负载电流

稳压过程和向下一级稳压模块供电过程：当负载为0时，根据公式（4），主电流经电流调整管流入D点到下一级；当负载电阻减小时，由于恒流源的作用U_o↓，U_b↓，U_d↑，调整管T基极电流减小，IT↓，使Uo维持稳定。

调整的作用是：负载电流增加，调整管电流减小，反之负载电流减小，调整管电流增加，保证下一级稳压模块有必需的电流供应。

实施例三：参见图5所示，为一个稳压模块的电路结构示意图。场效应管稳压模块由恒流源供电，电压采样部分由电阻R₁和W₁组成，压控电流组件由一个场效应管实现，也可以由二个以上场效应管组成多级放大及电流调整结构。场效应管可以是N沟道的，也可以是P沟道的。本实例中采用一个增强型N沟道场效应管来实现放大和电流调整功能。本稳压模块的电压采样取自R₁和W₁的分压采样点a，经电阻R₂由栅极输入，漏极和源极之间构成电源输出端

模块工作原理：由场效应管的特性可知，当场效应管工作在饱和区时，每个场效应管的栅源极电压V_GS都对应有一个漏极电流I_D（见图6），假设与V_GS相对应的漏极电流I_D大于恒流源的电流，那么恒流源的输出电压Vo下降，直到V_GS与I_D的对应关系自动趋于平衡，这时输出电压Vo稳定。

输出电压Vo：

Vo =V_R1+ V_W1=V_GS×(R _W1+R₁)/R₁ ……（1）

其中：V_R1：电阻R₁两端的电压

V_W1:可变电阻W₁两端的电压

V_GS：场效应管栅极和源极之间的电压

I_D：流过场效应管漏极的电流

漏极电流I_D与栅源极电压V_GS的对应关系如下：

I_D=I_DO×(V_GS/V_T)²………………………（2）

其中：I_DO：V_GS=2 V_T时流过漏极的电流

V_T：场效应管的开启电压

忽略栅极电流，那么流过R₁和W₁的电流相等。当I_D不变，对应的V_GS(即V_R1)也不变，所以流经R₁和W₁的电流I_R1与I_W1也不变，于是通过调整W₁阻值,则调整了输出电压Vo。

负载变化时的稳压过程：当负载从空载逐渐增加至满载的过程中，由于恒流源的作用Vo↓，V_GS↓，则与V_GS相对应的漏极电流I_D↓。由公式（3）可知，当场效应管的跨导gm足够大时， I_D的变化△I_D只会引起V_GS很小的变化，由公式（1）可知，输出电压Vo也只会有很小的变化。

gm=△I_D/△V_GS ………………………（3）

其中：gm：场效应管的跨导

△V_GS: 栅源极电压的变化量

△I_D：和△V_GS相对应的漏极电流的变化量

向下一级稳压模块供电过程：主电流经电流调整管和负载流入S点到下一级。负载电流增加，调整管电流减小，反之负载电流减小，调整管电流增加，两者之和基本等于恒流源的电流。这样就保证了下一级稳压模块有必需的电流供应。

Claims

1. 一种本质安全型直流电源的多电压转换装置，由直流电源供电，其特征在于：主要由限流器件及至少二个稳压模块串联连接构成；每个所述稳压模块由电压调整电路、电压采样电路和压控电流组件构成，所述电压调整电路中设有采样点，所述电压采样电路采样电压调整电路中采样点的电压，连接控制所述压控电流组件的工作电流，使负载变化时，稳压模块的输入、输出总电流不变；上一稳压模块的电流总输出端连接至下一稳压模块的电流总输入端，构成串联叠加结构；每个稳压模块具有一对电源输出端，由此形成至少二个输出电源。

2. 根据权利要求1所述的本质安全型直流电源的多电压转换装置，其特征在于：所述限流器件为恒流源。

3. 根据权利要求1所述的本质安全型直流电源的多电压转换装置，其特征在于：所述限流器件为电阻。

4. 根据权利要求1所述的本质安全型直流电源的多电压转换装置，其特征在于：所述电压调整电路包括串联连接的稳压管和电阻，稳压管和电阻的连接电路上设置所述采样点。

5. 根据权利要求4所述的本质安全型直流电源的多电压转换装置，其特征在于：所述电阻由至少一个电阻器和一个电位器串联构成。

6. 根据权利要求1所述的本质安全型直流电源的多电压转换装置，其特征在于：所述压控电流组件包括运算放大器构成的负反馈放大电路、三极管构成的放大电路，运算放大器的正相输入端和反相输入端分别连接基准电压和采样点，运算放大器的输出端经基极电阻连接三极管的基极，三极管的发射极和集电极之间构成稳压模块的电压输出端。

7. 根据权利要求1所述的本质安全型直流电源的多电压转换装置，其特征在于：所述压控电流组件由三极管共射极放大电路构成，采样电路的输出连接三极管的基极，三极管的集电极和发射极之间构成稳压模块的电压输出端，所述三极管为单管或复合管。

8. 根据权利要求1所述的本质安全型直流电源的多电压转换装置，其特征在于：所述压控电流组件由场效应管放大电路构成，采样电路的输出经电阻连接场效应管的栅极，场效应管的漏极和源极之间构成稳压模块的电压输出端。