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【摘 要】由于煤矿井下安全开关电源电路中含有很多电容、电感等储能元器件，这些元器件会对电源电流的输出产生直接影响。
【关键词】矿用;本质安全型开关电源;设计
与传统线性电源相比，开关电源具有效率高、体 积小、抗输入电压波动能力强等优点，现已大量应用 于矿用电源设计中。但现有矿用 开 关 电 源 大 多 采用传统的电容滤波型桥式整流和反激电路相结合 的方式，输入电流为脉冲状，导致电源电路产生较大 谐波电流，且电源功率因数相对较低。电源电路产 生的谐波电流会对线路产生传导干扰和辐射干扰，影响相关电子设备的可靠性;较低的功率因数导致 电源输入端工频变压器的电能损耗大、转换效率低，降低电源系统的稳定性，且增加电源成本。为了减 小谐波电流引起的干扰噪声及其对电网的污染，目 前最有效的方法是在开关电源中增加有源功率因数 校正环节。
1煤矿井下安全开关电源电路放电特性分析
1.1煤矿井下电路产生电火花的规律
在易燃、易爆的环境下，电气设备在运行过程中产生出大量的电火花，在达到爆炸性气体临界值的状态下，会引燃周围爆炸性物质，造成严重的后果。因此，必须要重视研究煤矿井下电路电火花的规律，努力从源头消除其危害。一般来说，电弧放电是在电压以及电流都不高的情况下出现的，由于某种不稳定的放电经过转化产生。在电流很小而且处于低电压的状态下，因为开关器件所具有的特殊性质，电路发生切换时会产生电弧放电现象。而辉光放电则是在高电压、小电流的情况下产生的。由于煤矿井下电源电路在一般情况下带有电容和电感的，电路在导通以及断开的过程中，由于击穿了放电间隙，会发生电火花放电现象，这就是火花放电产生的主要原因。
1.2电容性电路放电特性
煤矿井下安全开关电源应当充分满足电气设备性能指标的要求，确保电气设备的安全运行。其中，电容、电感的影响较大。如果取值太大，那么相应的输出短路释放出的能量就会显著增加，而如果取值太小，就会增加开关管中的电流应力，导致输出纹波电压变大，严重影响到输出电压的稳定性。所以，在取值过程中，应当充分考虑到电气设备性能指标的要求，合理的取值是影响煤矿井下安全开关电源设计的关键性因素。
2矿用本质安全型开关电源的设计
2.1 基本原理
传统的数码分段开关均采用 CMOS 组成电路，无法检测开关时引起的脉冲宽度的变化，因此也就 容易导致开关的误动作，另外现有数码分段开关也 不具有开关状态的记忆功能，因此采用单片机技术 实现开关状态的存储记忆与分段控制，所选用的单 片机自带 EPROM，不管开关了几次，它具有能记忆 最后一次开关状态的功能。使用起来非常方便，电 路结构简单，与常规的数码分段开关采用的元器件 数量相当，相同的使用条件与方法，几乎相近的成 本，功能和稳定性更好。本技术方案实现的基本功能和要求：
（1）由单片机控制，要求能根 据开关最后 一次 工 作 状 态，且 延 时 3～5 s（可调），并 存 储 记 忆 该 状 态，下一次开关时的初始状态，就是开关延时记忆 的状态;
（2）具有开关脉冲检测电路，能检测开关 时引 起的脉冲宽度，避免开关的错误动作;
（3）要求电路简单，与传统数码分段开关 采用 的元器件数量相当，成本低廉，且具有良好的功能 拓展性和性能稳定性。
2.2总体结构设计
现在市面上电气设备大多采用线性电源来实现电源的本质安全。其主要通过变压器变压，变压后通过整流滤波电路整流滤波后得到接近直流的电压;再经过稳压电路，使得直流电路在波动、负载变化等因素影响下保证输出电压稳定;最后经过限能保护电路输出本安直流电压。此设计不用先经过变压器降压处理，直接通过整流滤波电路得到接近直流的电压;再通过变换器控制输出电压，可控制输出电压是由变换器电路中的分压电阻与基准电压形成反馈来实现的;PWM控制器主要实现电压、电流的双闭环控制，提高电压的调整率、瞬态响应特性以及负载的调整率;然后再通过整流滤波电路、第二级过流过压保护电路，最后输出本质安全直流电压。
2.3输入整流滤波电路设计
（1）在原有电路基础上加上电容和二极管的串并联形式。
（2）分别在电容C2、C3滤波电路中串接电阻R2、R3。改进后的电路相比一般整流滤波电路，主要有导通角增大，电流波形得到改善，电路功率因数得到提高的优点。同时由于在电路中串接了电阻R2、R3，限制了电容放电能量，使得该电路更能保证开关电源的本质安全性。
2.4主电路控制系统的选择
电压型PWM和电流型PWM控制技术是开关电源常用的两种控制方式。电压型PWM控制技术的主电路电流不参与对输出的控制，是典型的单闭环控制系统。由于电路中电感的影响，电压的变化提前于电流的变化，导致响应速度慢，稳定性差。电流型PWM控制技术弥补了电压型PWM控制技术的不足。它采用双环控制，在单闭环控制系统上增加了电流反馈电路，从而使峰值电流受电流给定信号控制，限制瞬时峰值电流。
2.5反馈与过流电路的设计
（1）反馈电路的设计：开关电源大多采用光耦构成反馈通道。光耦即实现电―光―电转换的器件，光耦分为线性和非线性两种。因为使用非线性光耦会使振荡波形变坏，所以本文选用线性光耦来实现反馈通道。在该设计中，线性光耦合器和稳压管实现了开关电源的输出和输入端的电气隔离，此反馈电路具有容易改变占空比以及高稳压性的优点。使得设计跟有利于开关电源的本质安全性。过流保护电路设计
（2）过流电路的设计：为了防止开关电源因电路短路或电流增大导致电路烧毁的情况发生，本文设计了过流保护电路。当电路中由于短路或不正常工作产生过流时，三极管Qa截止，电流通过Ral、Dal、Da2整流电路整流，再通过后续的稳压器得到稳定的直流电。从而保证后续电路保持正常工作。
2.6过压保护电路设计
本质安全型开关电源不仅要设计过流保护电路，还需要设计过压保护电路。因此本文在过流保护电路后续电路加上过压保护。过压保护电路在电路正常工作时，Dz、SCR都是截止的，电路输出的直流电压直接提供给负载。如果输出的电压在18V到18.7V的范围时，Dz处于导通状态，电容将处于充电状态;因为没有达到门极触发电流的条件，所以SLR仍处于截止状态。若输出电压大于18.7V时，Dz处于导通状态;达到门极触发电流的条件，SLR导通，电路将停止输出电压，达到保护整个开关电源电路的作用。
3结语
安全开关电源是煤矿井下生产的关键性设备，其安全、高效以及稳定等特点，成为煤矿井下供电的重要供电电源。因此，在设计煤矿井下安全开关电源时，应当充分考虑到电路放电特性，研究安全开关电源技术指标，分析电路参数，合理选择电容和电感，确保电路安全运行和煤矿的安全生产。
参考文献：
[1]黄宇航.新型船用电子应急车令设计方案介绍[J].微计算机信 息，2007（8）：296-297.
[2]倪云峰，程望盛，李启瑞.基于 ARM 的矿井提升机后备保护系统 的设计[J].煤矿机械，2011，32（12）：234-236.
[3]任章，史秀珍，段剛，等.分段线性多开关时间次优控制系统的设 计[J].西北工业大学学报，1996（3）：439-443.
[4]王文杰，许文斌.单片机应用技术[M].北京：冶金工 业 出 版 社，2008.
[5]谭垒.矿用组合开关的多回路温升试验系统设计[J].煤矿机械，2015（7）：26-28.
[6]于鹏杰，齐辉，俞双懋.矿用隔爆不间断直流电源系统设计[J].煤矿机械，2015（4）：64-67.
【关键词】矿用;本质安全型开关电源;设计
与传统线性电源相比，开关电源具有效率高、体 积小、抗输入电压波动能力强等优点，现已大量应用 于矿用电源设计中。但现有矿用 开 关 电 源 大 多 采用传统的电容滤波型桥式整流和反激电路相结合 的方式，输入电流为脉冲状，导致电源电路产生较大 谐波电流，且电源功率因数相对较低。电源电路产 生的谐波电流会对线路产生传导干扰和辐射干扰，影响相关电子设备的可靠性;较低的功率因数导致 电源输入端工频变压器的电能损耗大、转换效率低，降低电源系统的稳定性，且增加电源成本。为了减 小谐波电流引起的干扰噪声及其对电网的污染，目 前最有效的方法是在开关电源中增加有源功率因数 校正环节。
1煤矿井下安全开关电源电路放电特性分析
1.1煤矿井下电路产生电火花的规律
在易燃、易爆的环境下，电气设备在运行过程中产生出大量的电火花，在达到爆炸性气体临界值的状态下，会引燃周围爆炸性物质，造成严重的后果。因此，必须要重视研究煤矿井下电路电火花的规律，努力从源头消除其危害。一般来说，电弧放电是在电压以及电流都不高的情况下出现的，由于某种不稳定的放电经过转化产生。在电流很小而且处于低电压的状态下，因为开关器件所具有的特殊性质，电路发生切换时会产生电弧放电现象。而辉光放电则是在高电压、小电流的情况下产生的。由于煤矿井下电源电路在一般情况下带有电容和电感的，电路在导通以及断开的过程中，由于击穿了放电间隙，会发生电火花放电现象，这就是火花放电产生的主要原因。
1.2电容性电路放电特性
煤矿井下安全开关电源应当充分满足电气设备性能指标的要求，确保电气设备的安全运行。其中，电容、电感的影响较大。如果取值太大，那么相应的输出短路释放出的能量就会显著增加，而如果取值太小，就会增加开关管中的电流应力，导致输出纹波电压变大，严重影响到输出电压的稳定性。所以，在取值过程中，应当充分考虑到电气设备性能指标的要求，合理的取值是影响煤矿井下安全开关电源设计的关键性因素。
2矿用本质安全型开关电源的设计
2.1 基本原理
传统的数码分段开关均采用 CMOS 组成电路，无法检测开关时引起的脉冲宽度的变化，因此也就 容易导致开关的误动作，另外现有数码分段开关也 不具有开关状态的记忆功能，因此采用单片机技术 实现开关状态的存储记忆与分段控制，所选用的单 片机自带 EPROM，不管开关了几次，它具有能记忆 最后一次开关状态的功能。使用起来非常方便，电 路结构简单，与常规的数码分段开关采用的元器件 数量相当，相同的使用条件与方法，几乎相近的成 本，功能和稳定性更好。本技术方案实现的基本功能和要求：
（1）由单片机控制，要求能根 据开关最后 一次 工 作 状 态，且 延 时 3～5 s（可调），并 存 储 记 忆 该 状 态，下一次开关时的初始状态，就是开关延时记忆 的状态;
（2）具有开关脉冲检测电路，能检测开关 时引 起的脉冲宽度，避免开关的错误动作;
（3）要求电路简单，与传统数码分段开关 采用 的元器件数量相当，成本低廉，且具有良好的功能 拓展性和性能稳定性。
2.2总体结构设计
现在市面上电气设备大多采用线性电源来实现电源的本质安全。其主要通过变压器变压，变压后通过整流滤波电路整流滤波后得到接近直流的电压;再经过稳压电路，使得直流电路在波动、负载变化等因素影响下保证输出电压稳定;最后经过限能保护电路输出本安直流电压。此设计不用先经过变压器降压处理，直接通过整流滤波电路得到接近直流的电压;再通过变换器控制输出电压，可控制输出电压是由变换器电路中的分压电阻与基准电压形成反馈来实现的;PWM控制器主要实现电压、电流的双闭环控制，提高电压的调整率、瞬态响应特性以及负载的调整率;然后再通过整流滤波电路、第二级过流过压保护电路，最后输出本质安全直流电压。
2.3输入整流滤波电路设计
（1）在原有电路基础上加上电容和二极管的串并联形式。
（2）分别在电容C2、C3滤波电路中串接电阻R2、R3。改进后的电路相比一般整流滤波电路，主要有导通角增大，电流波形得到改善，电路功率因数得到提高的优点。同时由于在电路中串接了电阻R2、R3，限制了电容放电能量，使得该电路更能保证开关电源的本质安全性。
2.4主电路控制系统的选择
电压型PWM和电流型PWM控制技术是开关电源常用的两种控制方式。电压型PWM控制技术的主电路电流不参与对输出的控制，是典型的单闭环控制系统。由于电路中电感的影响，电压的变化提前于电流的变化，导致响应速度慢，稳定性差。电流型PWM控制技术弥补了电压型PWM控制技术的不足。它采用双环控制，在单闭环控制系统上增加了电流反馈电路，从而使峰值电流受电流给定信号控制，限制瞬时峰值电流。
2.5反馈与过流电路的设计
（1）反馈电路的设计：开关电源大多采用光耦构成反馈通道。光耦即实现电―光―电转换的器件，光耦分为线性和非线性两种。因为使用非线性光耦会使振荡波形变坏，所以本文选用线性光耦来实现反馈通道。在该设计中，线性光耦合器和稳压管实现了开关电源的输出和输入端的电气隔离，此反馈电路具有容易改变占空比以及高稳压性的优点。使得设计跟有利于开关电源的本质安全性。过流保护电路设计
（2）过流电路的设计：为了防止开关电源因电路短路或电流增大导致电路烧毁的情况发生，本文设计了过流保护电路。当电路中由于短路或不正常工作产生过流时，三极管Qa截止，电流通过Ral、Dal、Da2整流电路整流，再通过后续的稳压器得到稳定的直流电。从而保证后续电路保持正常工作。
2.6过压保护电路设计
本质安全型开关电源不仅要设计过流保护电路，还需要设计过压保护电路。因此本文在过流保护电路后续电路加上过压保护。过压保护电路在电路正常工作时，Dz、SCR都是截止的，电路输出的直流电压直接提供给负载。如果输出的电压在18V到18.7V的范围时，Dz处于导通状态，电容将处于充电状态;因为没有达到门极触发电流的条件，所以SLR仍处于截止状态。若输出电压大于18.7V时，Dz处于导通状态;达到门极触发电流的条件，SLR导通，电路将停止输出电压，达到保护整个开关电源电路的作用。
3结语
安全开关电源是煤矿井下生产的关键性设备，其安全、高效以及稳定等特点，成为煤矿井下供电的重要供电电源。因此，在设计煤矿井下安全开关电源时，应当充分考虑到电路放电特性，研究安全开关电源技术指标，分析电路参数，合理选择电容和电感，确保电路安全运行和煤矿的安全生产。
参考文献：
[1]黄宇航.新型船用电子应急车令设计方案介绍[J].微计算机信 息，2007（8）：296-297.
[2]倪云峰，程望盛，李启瑞.基于 ARM 的矿井提升机后备保护系统 的设计[J].煤矿机械，2011，32（12）：234-236.
[3]任章，史秀珍，段剛，等.分段线性多开关时间次优控制系统的设 计[J].西北工业大学学报，1996（3）：439-443.
[4]王文杰，许文斌.单片机应用技术[M].北京：冶金工 业 出 版 社，2008.
[5]谭垒.矿用组合开关的多回路温升试验系统设计[J].煤矿机械，2015（7）：26-28.
[6]于鹏杰，齐辉，俞双懋.矿用隔爆不间断直流电源系统设计[J].煤矿机械，2015（4）：64-67.