CN116683749A - 一种矿用井下传感器储能抗干扰电源 - Google Patents

一种矿用井下传感器储能抗干扰电源 Download PDF

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Abstract

在煤矿井下巷道中，电磁干扰严重。传统直流电源给传感器供电时，因电磁干扰作用可能导致直流电源出现瞬间断电现象。当直流电源同时给多个传感器供电时，任意一个传感器电路发生抖动而产生交流谐波，都将影响其他传感器的供电质量。因此本发明公开了一种矿用井下传感器储能抗干扰电源。该电源由抗干扰电路、储能电路和同步降压电路组成。抗干扰电路用于滤除交流谐波，储能电路用于储存电能。当直流电源正常工作时，抗干扰电路输入端连接输入电压，电能经抗干扰电路滤波后向储能电路充电，同时向同步降压电路供电，电能通过同步降压电路后为传感器供电。当直流电源出现瞬间断电现象，储能电路立即释放电能为同步降压电路供电，从而为传感器供电。

Description

一种矿用井下传感器储能抗干扰电源
技术领域
本发明涉及电源领域，更具体地说，本发明涉及一种矿用井下传感器储能抗干扰电源。
背景技术
在煤矿井下巷道中，由于各种供电设备线路和数据传输线路的存在，井下电磁干扰十分严重。传统的直流电源给各类传感器供电时，由于电磁干扰的作用可能导致直流电源出现瞬间断电现象。同时，当直流电源同时给5~6个传感器供电时，其中任意一个传感器电路发生抖动，都将产生交流谐波，引起直流电源抖动，从而影响其他传感器的供电质量。以上两种现象均会使得传感器采集的数据出现异常。本发明提出了一种矿用井下传感器储能抗干扰电源，通过采用电感滤除交流谐波、采用二极管和阻容元件储能的方式来解决交流谐波影响供电质量问题和直流电源瞬间断电问题。从而保证后端传感器的供电稳定性。
发明内容
为解决煤矿井下电磁干扰使传感器的直流电源出现瞬间断电的问题和交流谐波影响供电质量的问题，本发明提出了一种矿用井下传感器储能抗干扰电源。该矿用井下传感器储能抗干扰电源由抗干扰电路、储能电路和同步降压电路组成。抗干扰电路的输出端与储能电路输入端相连，同时与同步降压电路输入端相连；储能电路的输出端与同步降压电路输入端相连，同步降压电路输出端为传感器供电。抗干扰电路用于阻断交流干扰，储能电路用于储存电能，同步降压电路用于为传感器提供额定的直流电压。当直流电源正常工作时，抗干扰电路输入端连接输入电压，电能经过抗干扰电路后向储能电路充电，同时向同步降压电路供电，电能通过同步降压电路降压后为传感器供电。当直流电源出现瞬间断电现象，储能电路立即释放电能为同步降压电路供电，从而继续为传感器供电。
抗干扰电路由第一二极管、第二二极管和第一电感组成。第一二极管的正极为抗干扰电路的输入端，第一二极管的负极连接第二二极管的正极，第二二极管的负极连接第一电感的一端，第一电感的另一端为抗干扰电路的输出端。
储能电路由第三二极管、第一电阻、第一电容和第二电容组成。第三二极管和第一电阻并联。第三二极管的正极还连接第一电容和第二电容的一端，第一电容和第二电容的另一端接地。第三二极管的负极既为储能电路的输入端，也为储能电路的输出端。
同步降压电路由降压芯片和第二电感、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第十电容组成。降压芯片的输入引脚VIN作为降压电路的输入端。第三电容的一端连接降压芯片的输入引脚VIN，另一端接地。第二电阻的一端连接降压芯片的输入引脚VIN，另一端连接降压芯片的使能引脚EN，同时连接第三电阻的一端，第三电阻的另一端接地。第四电容的一端连接降压芯片的软启动引脚SS，另一端接地。第四电阻的一端连接降压芯片的内部工作频率调整引脚RT，另一端接地。第五电阻的一端连接降压芯片的外部时钟输入引脚SYNC，另一端接地。第七电容的两端分别连接降压芯片的输出引脚SW和CBOOT引脚。降压芯片的输出引脚SW还连接第二电感的一端，第二电感的另一端作为降压电路的输出端。第二电感的另一端还同时连接降压芯片的BIAS引脚和第八电容、第六电阻、第五电容、第六电容的一端，第五电容和第六电容的另一端接地。第八电容的另一端连接降压芯片的反馈引脚FB。第六电阻的另一端也连接降压芯片的反馈引脚FB，同时连接第七电阻的一端，第七电阻的另一端接地。第九电容的一端连接降压芯片的BIAS引脚，第九电容的另一端接地。第十电容的一端连接降压芯片的VCC引脚，第十电容的另一端接地。降压芯片的接地引脚AGND和PGND接地。
具体的，本发明实现矿用井下传感器储能抗干扰电源的原理如下：
（1）抗干扰电路输入端连接输入电压，电能进入抗干扰电路，流经第一二极管和第二二极管，再经过第一电感后从抗干扰电路的输出端输出。由于二极管单向导通的特性，当储能电路放电时，电能不会通过抗干扰电路倒流。由于电感具有通直流隔交流的特性，交流谐波不能通过抗干扰电路进入直流电源。
（2）电能从抗干扰电路输出端输出后，从储能电路的输入端输入，经过第一电阻向第一电容和第二电容充电。设第一电阻的阻值为r 1，则充电电流I为：
I=U/r 1
式中U为直流电源的输入电压。
当电直流电源因电磁干扰影响而出现瞬间断电时，第一电容和第二电容储存的电能将经过第三二极管放电，电能从储能电路的输出端输出，流入同步降压电路的输入端，继续为同步降压电路供电。
（3）电能从抗干扰电路输出端或储能电路的输出端输出后进入同步降压电路的输入端，经过第三电容滤波后输入降压芯片的输入引脚。通过第二电阻和第三电阻开启降压芯片的使能引脚。
第四电阻连接降压芯片的内部工作频率调整引脚，通过设计第四电阻的阻值r 2设置降压芯片的工作频率F 1。
r 2=40200/F 1-0.6
第五电阻连接降压芯片的外部时钟输入引脚，通过设计第五电阻的阻值r 3设置降压芯片的内部时钟。
第四电容连接降压芯片的软启动引脚，通过设计第四电容的大小c 1来控制同步降压电路的启动延时时间。
电能通过降压芯片降压后，从降压芯片输出引脚输出，该输出为高频开关信号，不能直接为传感器供电，因此将该高频开关信号再经过第二电感、第五电容、第六电容滤波后，同步降压电路输出直流电能。
由此可见，矿用井下传感器储能抗干扰电源所达到的有益效果包括：
1、抗干扰电路中，利用二极管的单向导通特性防止电能倒流，起单向保护作用，而两个二极管串联则提高了单向保护的可靠性。电感的使用可有效的滤除交流谐波，提升了直流电源的稳定性。因此抗干扰电路的设计解决了交流谐波影响直流电源供电质量的问题。
2、储能电路中，第一电阻的设置，有效限制了电路的充电电流，可以起到限流的作用，避免直流电源因过流保护而断电。第三二极管的设置，使放电过程中第一电阻短路，起到加速电容放电和降低电阻耗电的作用，储能电路可及时有效地为同步降压电路供电。因此储能电路的设计，解决了电磁干扰使直流电源出现瞬间断电的问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图
图2为本发明抗干扰电路的原理图
图3为本发明储能电路的原理图
图4为本发明同步降压电路的原理图
图标：100-抗干扰电路；200-储能电路；300-同步降压电路；400-传感器。
实施方式
如图1所示，该矿用井下传感器储能抗干扰电源由抗干扰电路100、储能电路200和同步降压电路300组成。抗干扰电路100的输出端Vout1与储能电路200输入端Vin1相连，同时与同步降压电路300的输入端Vin2相连；储能电路200的输出端Vout2与同步降压电路300的输入端Vin2相连，同步降压电路300的输出端Vin2为传感器400供电。抗干扰电路100用于阻断交流干扰，储能电路200用于储存电能，同步降压电路300用于为传感器400提供额定的直流电压。当直流电源正常工作时，抗干扰电路100的输入端Vin连接输入电压，电能经过抗干扰电路100后向储能电路200充电，同时向同步降压电路300供电，电能通过同步降压电路300降压后为传感器400供电。当直流电源出现瞬间断电现象，储能电路200立即释放电能为同步降压电路300供电，从而继续为传感器400供电。
如图2所示，抗干扰电路100由第一二极管D1、第二二极管D2和第一电感L1组成，第一二极管D1的正极为抗干扰电路100的输入端Vin，第一二极管D1的负极连接第二二极管D2的正极，第二二极管D2的负极连接第一电感L1的一端，第一电感L1的另一端为抗干扰电路100的输出端Vout1。
如图3所示，储能电路200由第三二极管D3、第一电阻R1、第一电容C1和第二电容C2组成。第三二极管D3和第一电阻R1并联。第三二极管D3的正极还连接第一电容C1和第二电容C2的一端，第一电容C1和第二电容C2的另一端接地。第三二极管D3的负极既为储能电路200的输入端Vin1，也为储能电路200的输出端Vout2。
如图4所示，同步降压电路300由降压芯片U1和第二电感L2、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10组成。降压芯片U1的输入引脚VIN作为同步降压电路300的输入端Vin2。第三电容C3的一端连接降压芯片U1的输入引脚VIN，另一端接地。第二电阻R2的一端连接降压芯片U1的输入引脚VIN，另一端连接降压芯片U1的使能引脚EN，同时连接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端接地。第四电容C4的一端连接降压芯片U1的软启动引脚SS，另一端接地。第四电阻R4的一端连接降压芯片U1的内部工作频率调整引脚RT，另一端接地。第五电阻R5的一端连接降压芯片的外部时钟输入引脚SYNC，另一端接地。第七电容C7的两端分别连接降压芯片U1的输出引脚SW和CBOOT引脚。降压芯片U1的输出引脚SW还连接第二电感L2的一端，第二电感L2的另一端作为同步降压电路300的输出端Vout。第二电感L2的另一端还同时连接降压芯片U1的BIAS引脚和第八电容C8、第六电阻R6、第五电容C5、第六电容C6的一端，第五电容C5和第六电容C6的另一端接地。第八电容C8的另一端连接降压芯片U1的反馈引脚FB。第六电阻R6的另一端也连接降压芯片U1的反馈引脚FB，同时连接第七电阻R7的一端，第七电阻R7的另一端接地。第九电容C9的一端连接降压芯片U1的BIAS引脚，第九电容C9的另一端接地。第十电容C10的一端连接降压芯片U1的VCC引脚，第十电容C10的另一端接地。降压芯片U1的接地引脚AGND和PGND接地。
具体的，本发明实现矿用井下传感器储能抗干扰电源的技术原理如下：
（1）如图1和图2，抗干扰电路100输入端Vin连接输入电压，电能进入抗干扰电路100后，流经第一二极管D1和第二二极管D2，再经过第一电感L1后从抗干扰电路的输出端Vout1输出。由于二极管D1和D2单向导通的特性，当储能电路200放电时，电能无法通过抗干扰电路100倒流，起到单向保护的作用。由于电感L1具有通直流隔交流的特性，交流谐波不能通过抗干扰电路100进入直流电源，提升了直流电源的稳定性。
（2）如图1和图3，电能从抗干扰电路100输出端Vout1输出后，从储能电路200的输入端Vin1输入，经过第一电阻R1向第一电容C1和第二电容C2充电。设第一电阻R1的阻值为r 1，则充电电流I为：
I=U/r 1
式中U为直流电源的输入电压。
合理设计r 1的值，能有效限制电路的充电电流，起到限流保护的作用。
当直流电源因电磁干扰影响而出现瞬间断电时，Vin端无电能输入，同步降压电路300也将瞬间断电。此时，第一电容C1和第二电容C2储存的电能将经过第三二极管D3放电，电能从储能电路200的输出端Vout2输出，流入同步降压电路300的输入端Vin2，继续为同步降压电路300供电。
（3）如图1和图4，电能从抗干扰电路100输出端Vout1或储能电路200的输出端Vout2输出后进入同步降压电路300的输入端Vin2，经过第三电容C3滤波后输入降压芯片U1的输入引脚VIN。通过第二电阻R2和第三电阻R3开启降压芯片U1的使能引脚EN。当EN引脚的电压高于3.5V时，降压芯片U1被使能，否则不使能降压芯片U1。
第四电阻R4连接降压芯片U1的内部工作频率调整引脚RT，通过设计第四电阻R4的阻值r 2设置降压芯片U1的工作频率F 1。
r 2=40200/F 1-0.6
第五电阻R5连接降压芯片U1的外部时钟输入引脚SYNC，通过设计第五电阻R5的阻值r 3可设置降压芯片U1的内部时钟。第四电容C4连接降压芯片U1的软启动引脚SS，通过设计第四电容C4的大小c 1可控制同步降压电路300的启动延时时间。
电能通过降压芯片U1降压后，从降压芯片U1输出引脚SW输出，该输出为高频开关信号，不能直接连接传感器400，因此将该高频开关信号再经过第二电感L2、第五电容C5、第六电容C6滤波后输出。电能从第二电感L2流出后进入降压芯片U1的BIAS引脚为芯片内部供电。第六电阻R6和第七电阻R7组成输出分压电路，输出电压分压后输入降压芯片U1的反馈引脚FB。由于降压芯片U1内部开关管高压端需要一个高于输入端VIN的偏置电压，CBOOT引脚和SW引脚之间连接第七电容C7将CBOOT引脚上的电压提升到SW引脚端，第八电容C8为反馈引脚FB的旁路滤波电容，保证降压芯片U1输出电压的稳定性，第九电容C9和第十电容C10组成芯片内部低压差线性稳压器输出滤波电路。降压芯片U1的AGND和PGND引脚接地。同步降压电路300输出端Vout输出平稳的直流电能，从而为传感器400供电。

Claims (4)

1.一种矿用井下传感器储能抗干扰电源，其特征在于：该矿用井下传感器储能抗干扰电源由抗干扰电路、储能电路和同步降压电路组成；抗干扰电路的输出端与储能电路输入端相连，同时与同步降压电路输入端相连；储能电路的输出端与同步降压电路输入端相连，同步降压电路输出端为传感器供电；抗干扰电路用于阻断交流干扰，储能电路用于储存电能，同步降压电路用于为传感器提供额定的直流电压。
2.如权利要求1所述的一种矿用井下传感器储能抗干扰电源，其特征在于：抗干扰电路由第一二极管、第二二极管和第一电感组成；第一二极管的正极为抗干扰电路的输入端，第一二极管的负极连接第二二极管的正极，第二二极管的负极连接第一电感的一端，第一电感的另一端为抗干扰电路的输出端。
3.如权利要求1所述的一种矿用井下传感器储能抗干扰电源，其特征在于：储能电路由第三二极管、第一电阻、第一电容和第二电容组成；第三二极管和第一电阻并联；第三二极管的正极还连接第一电容和第二电容的一端，第一电容和第二电容的另一端接地；第三二极管的负极既为储能电路的输入端，也为储能电路的输出端。
4.如权利要求1所述的一种矿用井下传感器储能抗干扰电源，其特征在于：同步降压电路由降压芯片和第二电感、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第十电容组成；降压芯片的输入引脚VIN作为降压电路的输入端；第三电容的一端连接降压芯片的输入引脚VIN，另一端接地；第二电阻的一端连接降压芯片的输入引脚VIN，另一端连接降压芯片的使能引脚EN，同时连接第三电阻的一端，第三电阻的另一端接地；第四电容的一端连接降压芯片的软启动引脚SS，另一端接地；第四电阻的一端连接降压芯片的内部工作频率调整引脚RT，另一端接地；第五电阻的一端连接降压芯片的外部时钟输入引脚SYNC，另一端接地；第七电容的两端分别连接降压芯片的输出引脚SW和CBOOT引脚；降压芯片的输出引脚SW还连接第二电感的一端，第二电感的另一端作为降压电路的输出端；第二电感的另一端还同时连接降压芯片的BIAS引脚和第八电容、第六电阻、第五电容、第六电容的一端，第五电容和第六电容的另一端接地；第八电容的另一端连接降压芯片的反馈引脚FB；第六电阻的另一端也连接降压芯片的反馈引脚FB，同时连接第七电阻的一端，第七电阻的另一端接地；第九电容的一端连接降压芯片的BIAS引脚，第九电容的另一端接地；第十电容的一端连接降压芯片的VCC引脚，第十电容的另一端接地；降压芯片的接地引脚AGND和PGND接地。
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