CN102969901A

CN102969901A - 煤矿用高隔离电压电源

Info

Publication number: CN102969901A
Application number: CN2012104695265A
Authority: CN
Inventors: 吴伟
Original assignee: CHANGZHOU NENGDONG ELECTRONIC TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: CHANGZHOU NENGDONG ELECTRONIC TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2013-03-13

Abstract

本发明公开了一种煤矿用高隔离电压电源，包括：变压器、输入滤波电路、输出滤波电路、反馈电路、控制电路和启动及辅助电源电路，所述变压器和输出滤波电路电磁耦合，所述输入滤波电路与启动及辅助电源电路连接，所述启动及辅助电源电路连接与变压器相连接，所述控制电路与启动及辅助电源电路相连接，所述反馈电路与输出滤波电路电性连接，所述启动及辅助电源电路与输出滤波电路耦合。通过上述方式，本发明煤矿设备专用电源系统能够使输入隔离电压高启动电流小，并且实现产品小型化，除此之外，能够达到电源转换效率高、功耗小、可靠性和稳定性好的效果，符合节能环保要求。

Description

煤矿用高隔离电压电源

技术领域

本发明涉及电源系统领域，特别是涉及一种煤矿用高隔离电压电源。

背景技术

中国是煤炭消耗大国，国家特别重视煤炭资源的开发和利用，通过各种安全规范和技术措施来确保这一重要能源供给的可靠性、可持续性发展。煤炭生产包括矿井探测、采掘、运输、安全监测、通信及井上调控，监控等重要环节，这些环节采用的设备均需遵照煤安标准设计。针对给众多电子设备提供电力的电源系统有这样的规格要求：体积小型化、隔离电压高、能在本安电源下正常工作。也就是要求小型化的电源能在煤矿本安电源12V和18V供电下，满足隔离电压高，启动电流小的设计、测试和认证要求。

目前，常规厂家生产的用于上述环境的电源产品时，一般有体积大不便于安装，设备小型化；需加外围电路来降低启动电流而导致设计复杂成本升高；产品效率低等缺陷。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种煤矿设备专用电源系统，能够使输入隔离电压高启动电流小，并且实现产品小型化，除此之外，能够达到电源转换效率高、功耗小、可靠性和稳定性好的效果，符合节能环保要求。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种煤矿用高隔离电压电源，包括：变压器、输入滤波电路、输出滤波电路、反馈电路、控制电路和启动及辅助电源电路，所述变压器和输出滤波电路电磁耦合，所述输入滤波电路与启动及辅助电源电路连接，所述启动及辅助电源电路连接与变压器相连接，所述控制电路与启动及辅助电源电路相连接，所述反馈电路与输出滤波电路电性连接，所述启动及辅助电源电路与输出滤波电路耦合。

在本发明一个较佳实施例中，所述输出滤波电路包括二极管、电感、第一电容和第二电容，所述二极管的阳极与变压器相连接，阴极与电感和第一电容相连接，所述电感另一端连接至第一输出端，所述第二电容的两端分别于第一输出端和第二输出端相连接，所述第一电容一端与变压器相连接，另一端连接至二极管和电感之间。

在本发明一个较佳实施例中，所述反馈电路包括光电耦合电路和误差放大电路，所述光耦合电路包括第一光电耦合器、第三电阻和偏置电阻，所述第一光电耦合器与偏置电阻并联后与第三电阻串联，所述误差放大电路包括第一电阻和稳压环路，所述第一电阻和稳压环路相连接，所述稳压环路包括第四电阻、第二电阻、第三电容和稳压源，所述第一电阻一端连接到输出滤波电路上，另一端连接在第二电阻上，所述第二电阻另一端接地，所述第四电阻和第三电容串联后与稳压源并联，所述稳压源一端连接在第一电阻和第二电阻之间，另一端接地。

在本发明一个较佳实施例中，所述控制电路包括控制芯片，所述控制电路包括控制芯片，所述控制芯片包括第一引脚、第二引脚、第三引脚、第四引脚、第五引脚、第六引脚、第七引脚和第八引脚，所述第一引脚和第二引脚之间连接有第二光电耦合器，所述，所述第三引脚上连接有第五电阻和第四电容，第五引脚接地，所述第六引脚连接与MOSFET开关管相连接，所述第七引脚与启动及辅助电源电路相连接，所述第八引脚上连接有第五电容。

在本发明一个较佳实施例中，所述启动及辅助电源电路包括第六电阻、第七电阻、整流二极管和有极性电容，所述整流二极管的阴极与第七电阻连接，阳极与变压器相连接，所述有极性电容的阳极分别与第七电阻和控制电路相连接，阴极接地，所述第六电阻一端与输入滤波电路相连接，另一端与控制电路相连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一光电耦合器包括发光二极管。

在本发明一个较佳实施例中，所述第二光电耦合器包括光电三极管，所述光电三极管一端与第一引脚相连接，光电三极管的另一端与第二引脚相连接并且接地，所述光电三极管上连接有第八电阻和第六电容，所述第八电阻和第六电容串联后与光电三极管并联。

本发明的有益效果是：本发明高隔离电压煤矿设备专用电源系统是模块化的，体积较小，利于加工和安装，隔离电压高，满载带容性负载工作时起机电流满足煤矿设备中电源的应用要求，应用领特性突出。除此之外，所述新型高隔离电压煤矿设备专用电源系统基于开关电源的原理及优化设计使得电源转换效率提高，功耗更小，符合节能环保的要求。

附图说明

图1是本发明煤矿用高隔离电压电源一较佳实施例的结构示意图；

附图中主要部件的标记如下：1、变压器，2、输入滤波电路，3、输出滤波电路，4、反馈电路，31、第一输出端，32、第二输出端，5、控制电路，6、启动及辅助电源电路，41、误差放大电路，42、第一光电耦合器，411、稳压环路，42、第二光电耦合器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1，一种煤矿用高隔离电压电源，包括：变压器1、输入滤波电路2、输出滤波电路3、反馈电路4、控制电路5和启动及辅助电源电路6，所述变压器1分别和输入滤波电路2和输出滤波电路3电磁耦合，所述启动及辅助电源电路6连接在输入滤波电路2和变压器1之间，所述控制电路5与启动及辅助电源电路5相连接，所述反馈电路4与输出滤波电路3电性连接，所述启动及辅助电源电路6与输出滤波电路3耦合。

另外，输出滤波电路3将变压器1产生的发方波经过整流滤波之后作为输出电压，所述输出滤波电路3包括二极管Do、电感Lo、第一电容Co1和第二电容Co2，所述二极管Do的阳极与变压器1的端口3相连接，阴极与电感Lo和第一电容Co1相连接，所述电感Lo另一端进一步连接至第一输出端31，所述第二电容Co2的两端与连接第一输出端31与第二输出端32相连接，所述第一电容Co1一端与变压器1的端口4相连接，另一端与第二输出端32相连接。

另外，所述反馈电路4包括光电耦合电路和误差放大电路41，所述光耦合电路包括第一光电耦合器、第三电阻Rop和偏置电阻Rbias，所述第一光电耦合器42与偏置电阻Rbias并联后与第三电阻Rop串联，所述第一光电耦合器42包括发光二极管D1，第三电阻Rop为发光二极管D1的限流电阻，改变第三电阻Rop的阻值影响光耦的输入、输出电流从而影响控制芯片中开关管的占空比，所述误差放大电路41包括第一电阻R1和稳压环路411，所述第一电阻R1和稳压环路411相连接，所述稳压环路411包括第四电阻Rf、第二电阻R2、第三电容Cf和稳压源IC431，所述第一电阻R1一端连接到输出滤波电路3上，另一端连接在第二电阻R2上，所述第二电阻R2另一端接地，所述第四电阻Rf和第三电容Cf串联后与稳压源IC431并联，第四电阻Rf和第三电容Cf串联一端接精准稳压源IC431的参考端R，另一端接其阴极K端所述稳压源IC431的R端连接在第一电阻R1和第二电阻R2之间，稳压源IC431的阳极接地。光电耦合电路用于实现信号的隔离和传输，反馈电路4主要用于将输出滤波电路3整流滤波后的输出电压与基准电压源做比较，产生的误差信号经光耦隔离送给控制电路5，从而校正输出电压值。

另外，所述控制电路5包括控制芯片，所述控制芯片包括第一引脚COMP、第二引脚FB、第三引脚ISNS、第四引脚RT、第五引脚GND、第六引脚Vout、第七引脚VDD和第八引脚VREF，所述第一引脚COMP和第二引脚FB之间连接有第二光电耦合器43，所述，所述第三引脚ISNS上连接有电阻Rs1和电容Cs1组成的滤波电路，第五引脚GND接地，所述第六引脚连接Vout与MOSFET开关管相连接，Vout端用来产生使开关MOSFET开关管导通个截止的驱动信号，主功率电路完成输入至输出的能量传递，所述第七引脚VDD与启动及辅助电源电路6相连接，所述第八引脚VREF上连接有第六电容Cref。

另外，所述启动及辅助电源电路6包括第六电阻Rst、第七电阻Rau、整流二极管Dau和有极性电容CVCC，所述第七电阻Rau与整流二极管Dau串联，所述整流二极管Dau阳极与变压器1相连接，所述有极性电容CVCC的阳极分别与第七电阻Rau和控制电路5相连接，阴极接地，所述第六电阻Rst一端与输入滤波电路2相连接，另一端与控制电路5相连接。

另外，所述第二光电耦合器43包括光电三极管VT1，所述光电三极管VT1一端与第一引脚COMP相连接，光电三极管VT1的另一端与第二引脚FB相连接并且接地，所述光电三极管VT1上连接有第八电阻Rc和第六电容Cc，所述第八电阻Rc和第六电容Cc串联后与光电三极管VT1并联。

变压器1采用独特的隔离技术，变压器1层间绕组均采用胶纸隔离和挡墙工艺，胶纸和挡墙直接作为不同绕组漆包线之间的绝缘介质。该隔离变压器的骨架选取和工艺设计方面采用了上述类似的增加绝缘介质工艺，变压器1的原副边绕组引脚的电气间隙一般足够，但是由于产品整体体积小，变压器金属引脚、漆包线浸锡后的线头和铁氧体磁芯的绝缘需要可靠的设计工艺来保证。本发明选取的方案在磁芯包胶纸时，胶纸宽度大于磁芯高度，用胶纸将磁芯的四个侧面完全裹住，作为引脚和磁芯之前的第一层绝缘，同时在靠近骨架的磁芯底四周、变压器引脚靠近骨架端的1/2长度（需留出一部分金属引脚用于焊接）点上环氧树脂，完全达到了变压器隔离电压的要求。

变压器、PCB、塑料外壳是产品隔离的主要元件，该产品元件主要采用0603表贴元件，小型贴片元件减小了PCB占用面积，同时增大了原边和副边的电气间隙，达到原副边隔离的要求。

变压器1感值的设计：

产品采用反激拓扑，实际工作时可通过磁芯气隙量的大小来决定变压器的工作方式，如下图2所示，可分为完全能量传递模式（DCM）和不完全能量传递模式（CCM）两种方式。完全能量传递模式中，变压器原边电感值较小，为保证输出功率变压器要存储足够的能量，使得原边的峰值电流较大，这样MOSFET、输入电容和取样电阻上的损耗会加大，同时根据电感原理（L=Vt/△I）产品起机时，电路输出电压还未建立，反馈环路处于开环状态，施加在变压器原边的周期伏秒比正常工作时大得多，因而造成大的起机电流，不能满足减小产品开机冲击电流的要求；选用不完全能量传递模式，可以根据产品的工作需要，确保变压器起机和过载时磁通密度不饱和的条件下，设置原边工作电流的直流分量和交流分量的比例，计算原边感值和磁芯气隙量。

本发明煤矿设备专用电源系统的工作原理如下：输入电压给电容Cdc1和Cdc2充电，得到的滤波直流电压通过第六电阻Rst给控制电路5供电，使VDD达到工作电压，控制电路5会有驱动信号产生，变压器1磁场开始储能，当变压器1开始反激工作进行功率转换时，变压器1的磁场能量释放使输出得到电压，经过多个周期的工作，反馈电路4开始稳定工作，输出电压达到稳定，同时辅助电源电路给VDD供电，使电路进入正常的工作模式，而图中输出输出滤波电路3实现整流滤波功能，得到稳定的低纹波输出电压，稳压电路将输出电压跟基准电压源作比较，产生的误差信号经光耦隔离电路送与控制电路5部分，从而校正输出电压值。

设计电感中值电流（即直流分量）Idc，励磁电流初始值Ip1，峰值电流Ip2的关系为：Ip1/Ip2=2/3，Idc/Ip2=5/6。经过测试，产品的整机效率有了显著的提高，起机电流也有了明显的减小。为了改善起机电流的余量，启动第六电阻Rst和辅助供电电路、开关频率的参数选取也在实验中得到了的优化。其优化目的是达成起机过程中降低峰值电流的大小和减小峰值电流的持续时间，并满足输出足够的功率。

区别于现有技术，本发明煤矿设备专用电源系统能够使输入隔离电压高启动电流小，并且实现产品小型化，除此之外，能够达到电源转换效率高、功耗小、可靠性和稳定性好的效果，符合节能环保要求。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种煤矿用高隔离电压电源，其特征在于，包括：变压器、输入滤波电路、输出滤波电路、反馈电路、控制电路和启动及辅助电源电路，所述变压器和输出滤波电路电磁耦合，所述输入滤波电路与启动及辅助电源电路连接，所述启动及辅助电源电路连接与变压器相连接，所述控制电路与启动及辅助电源电路相连接，所述反馈电路与输出滤波电路电性连接，所述启动及辅助电源电路与输出滤波电路耦合。

2.根据权利要求1所述的煤矿用高隔离电压电源，其特征在于，所述输出滤波电路包括二极管（Do）、电感（Lo）、第一电容（Co1）和第二电容（Co2），所述二极管（Do）的阳极与变压器相连接，阴极与电感（Lo）和第一电容（Co1）相连接，所述电感（Lo）另一端连接至第一输出端，所述第二电容（Co2）的两端分别于第一输出端和第二输出端相连接，所述第一电容（Co1）一端与变压器相连接，另一端连接至二极管（Do）和电感（Lo）之间。

3.根据权利要求1所述的煤矿用高隔离电压电源，其特征在于，所述反馈电路包括光电耦合电路和误差放大电路，所述光耦合电路包括第一光电耦合器、第三电阻（Rop）和偏置电阻（Rbias），所述第一光电耦合器与电阻（Rbias）并联后与第三电阻（Rop）串联，所述误差放大电路包括第一电阻（R1）和稳压环路，所述第一电阻（R1）和稳压环路相连接，所述稳压环路包括第四电阻（Rf）、第二电阻（R2）、第三电容（Cf）和稳压源（IC431），所述第一电阻（R1）一端连接到输出滤波电路上，另一端连接在第二电阻（R2）上，所述第二电阻（R2）另一端接地，所述第四电阻（Rf）和第三电容（Cf）串联后与稳压源（IC431）并联，所述稳压源（IC431）一端连接在第一电阻（R1）和第二电阻（R2）之间，另一端接地。

4.根据权利要求1所述的煤矿用高隔离电压电源，其特征在于，所述控制电路包括控制芯片，所述控制芯片包括第一引脚、第二引脚、第三引脚、第四引脚、第五引脚、第六引脚、第七引脚和第八引脚，所述第一引脚和第二引脚之间连接有第二光电耦合器，所述，所述第三引脚上连接有第五电阻（Rs1）和第四电容（Cs1），第五引脚接地，所述第六引脚连接与MOSFET开关管相连接，所述第七引脚与启动及辅助电源电路相连接，所述第八引脚上连接有第五电容（Cref）。

5.根据权利要求1所述的煤矿用高隔离电压电源，其特征在于，所述启动及辅助电源电路包括第六电阻（Rst）、第七电阻（Rau）、整流二极管（Dau）和有极性电容（CVCC），所述整流二极管（Dau）的阴极与第七电阻（Rau）连接，阳极与变压器相连接，所述有极性电容（CVCC）的阳极分别与第七电阻（Rau）和控制电路相连接，阴极接地，所述第六电阻（Rst）一端与输入滤波电路相连接，另一端与控制电路相连接。

6.根据权利要求4所述的煤矿用高隔离电压电源，其特征在于，所述第一光电耦合器包括发光二极管（D1）。

7.根据权利要求3所述的煤矿用高隔离电压电源，其特征在于，所述第二光电耦合器包括光电三极管（VT1），所述光电三极管（VT1）一端与第一引脚相连接，光电三极管（VT1）的另一端与第二引脚相连接并且接地，所述光电三极管（VT1）上连接有第八电阻（Rc）和第六电容（Cc），所述第八电阻（Rc）和第六电容（Cc）串联后与光电三极管（VT1）并联。