一種礦用本安型LED驅(qū)動電源設計

摘要 針對煤礦井下易燃易爆的特殊環(huán)境，文中基于開關電源技術，設計了一種本質(zhì)安全型LED驅(qū)動電源，能將輸入輸出隔離，并加入過壓過流等保護功能，從而使敵障時釋放的能量符合國家本質(zhì)安全標準的規(guī)定，提高煤礦井下用電設備的安全性及可靠性。
關鍵詞 煤礦安全；本質(zhì)安全型；LED；開關電源

良好的井下照明供電系統(tǒng)，能為煤礦井下提供優(yōu)質(zhì)的作業(yè)環(huán)境，同時對減少井下事故發(fā)生也具有重要作用。采用傳統(tǒng)白熾燈作為煤礦井下的主要照明，不僅照度低、眩光強、效率低下，而且電路本身也不可靠。近幾年隨著LED產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，國內(nèi)工礦企業(yè)開始將LED照明概念與煤礦井下的特殊照明技術相結(jié)合，實施礦井綠色照明。提出一種本質(zhì)安全型LED驅(qū)動電源的設計方案就是LED在煤礦井下照明系統(tǒng)的一種應用。
本質(zhì)安全型電源，以下簡稱本安電源，即在正常工作和故障狀態(tài)下，電源可能產(chǎn)生的電火花或熱效應的能量小于這一能量時，設備不可能點燃爆炸性危險氣體而產(chǎn)生爆炸，其原理是從限制能量入手，可靠地將電路中的電壓和電流限制在一個允許的范圍內(nèi)，以保證設備在正常工作或發(fā)生短接和元器件故障情況下產(chǎn)生的電火花和熱效應不致于引起其周圍可能存在的危險氣體的爆炸。所以礦用本安型LED電源設計，實際上是一種低功率、高可靠性的電源設計技術，在傳統(tǒng)LED驅(qū)動電源的基礎上，還要考慮煤礦井下的特殊環(huán)境，加入本安特性。

1 總體方案及性能指標
相對于傳統(tǒng)的LED驅(qū)動電源，煤礦井下條件惡劣，對電源本身的可靠性及安全性提出了更高的要求，故本設計在輸出環(huán)節(jié)電路加入本安特性，從而保證了電源能夠在國家標準規(guī)定的條件下，產(chǎn)生的任何電火花和熱效應均不會點燃規(guī)定的爆炸性氣體，并能在短路或過載故障排除后，自動恢復。根據(jù)煤礦用直流穩(wěn)壓電源的標準，設計采用輸入標稱電壓AC127 V，范圍75％～110％，輸出額定電流550 mA。開路電壓DC18 V，電壓電流穩(wěn)定度5‰。電源的組成框圖如圖1所示。

2 電路設計
輸入部分電路設計：為增加電源輸入端的安全性能，在電源輸入端加入防浪涌及EMI電路，電路在交流輸入側(cè)首先并聯(lián)一只壓敏電阻，串聯(lián)保險管，用于防止井下電壓沖擊，或其他原因?qū)е码娐冯娏鬟^大。之后加入了由共模電感和電容組成的EMI濾波器，主要用于消除共模和差模干擾。前端處理后，經(jīng)過整流橋和電容組成的整流濾波電路，得到直流電流，輸入到電源DC—DC變換主回路。
LED驅(qū)動電源主回路設計：采用集成的PWM芯片設計開關電源，在低功率的電源設計領域技術成熟應用廣泛。本電源采用Fairchild公司的KASH0380R開關電源集成芯片，其功能強大、工作頻率100 kHz、啟動電流100μA，具有過壓，欠壓等保護功能。引腳4根，只需幾個外圍器件就可工作，不僅減少研發(fā)時間及外圍器件的數(shù)量，同時由于芯片工作頻率高，變壓器原邊的電感量設計可以減少，從而降低了電源本身的體積，增加了電源效率和可靠性。雖然較最新的開關電源芯片的工作頻率100 kHz并不高，但是該芯片在滿足電源設計需求的同時，具有成本低的優(yōu)勢。
穩(wěn)壓穩(wěn)流電路設計：本安電源電路中不能采用大電感、大電容等儲能器件實現(xiàn)濾波穩(wěn)壓功能。因此，在輸出電路中采用電壓采樣，比較判別電路、放大電路組成的穩(wěn)壓穩(wěn)流電路。采樣電路經(jīng)電阻分壓得到，由TL431提供2．5 V基準電壓，經(jīng)LM2902組成的比較及放大電路，經(jīng)光耦反饋給電路前端電源芯片KASH0380R的反饋引腳，即PWM控制器，可調(diào)節(jié)輸出，達到輸出穩(wěn)定的目的。由于LED工作在恒流情況，所以本電源設計正常工作時，處于恒流輸出狀態(tài)，額定輸出直流電流為550 mA。在負載開路情況下，電源工作于恒壓狀態(tài)，額定輸出電壓DC18 V。
短路保護及自恢復電路設計：短路保護電路通過判斷輸出電流大小，基準電壓為DC2．5 V由TL431提供。當電路發(fā)生短路故障時，電路中的電流超過預先設計的保護值，經(jīng)采樣得到的電壓信號，經(jīng)放大后與基準電壓比較，就會輸出保護信號，該信號經(jīng)光耦反饋到前端芯片供電電路，使光耦輸出端光敏三極管導通，使Q1導通，使芯片供電電路接地，拉低芯片供電電壓，從而停止芯片工作，切斷電源輸出。如果短路故障排除后，光耦輸出端斷開，三極管處于關閉狀態(tài)，供電電路電壓恢復正常，即電源又可自動恢復工作。實際工作時可根據(jù)具體使用情況，通過改變電阻R1與R3的阻值來調(diào)節(jié)預設的電流保護門限。該部分電路如圖2所示。

3 結(jié)束語
文中設計根據(jù)煤礦井下的環(huán)境要求，采用開關電源集成芯片，提高開關工作頻率，大幅減少原邊的電感量及輸出濾波電容的容值，并加入了各種保護功能，從而使電源在斷路及短路故障下，釋放的能量符合國家標準。對于煤礦井下此類的高危場所，采用開關原理設計的本質(zhì)安全型LED驅(qū)動電源不僅提高了電源的輸出效率，更重要的是由于電路本身設計時加入了本安特性，極大的提高了煤礦井下照明用電設備的安全性，減少事故發(fā)生，對于煤礦事業(yè)而言具有重要意義。