XL2576本安型不间断电源的设计与实现

文 桦，罗 浩

(1.黄淮学院 电子科学与工程系，河南 驻马店463000；2.信阳师范学院 物理电子工程学院，河南 信阳 464000)

0 引言

随着科学技术的不断发展和煤矿生产管理水平的不断提高，现代化的环境监测系统和通信设备在煤矿生产中的应用越来越广泛.但是，矿井井下工作环境特殊，容易发生事故，为了对事故进行抢修处理，环境监测系统和通信设备在电网停电后必须能够继续工作[1-2].根据我国煤矿相关的规定，井下监控设备以及通信设备在电网停电后必须继续工作2 h.因此，矿用本安电源必须具有备用电池,以便在电网停电时由备用电池继续向负载供电 .另外，矿用本安直流不间断电源(简称本安电源)要求工作温度在-10 ℃～+40 ℃，相对湿度≤95%(25 ℃时)，有甲烷或煤尘爆炸性混合物等条件下能安全正常工作[3-4].通过对传统的线性电源和开关电源进行分析研究，根据矿用电源的特点，开关电源比较适合于井下使用.但是，目前市场上的开关电源多在地面上使用，大部分不能适应井下易燃易爆的工作环境，不能满足本安电气设备特性要求.因此，矿用本安型不间断直流稳压电源的设计具有一定的研究价值.

本文依据国标 GB3836.4-2010 中本安型电气设备指标要求，通过对本安防爆不间断电源电路部分进行系统的研究,分析本安电路设计的基本原理与方法[5],采用XL2576、LM317T及LM339作为核心器件，蓄电池采用性能优良的镍氢电池，设计了一种矿用本安型直流不间断电源，输入电压为220 V，允许波动范围80%～110%；输出电压为18 V；工作电流≤800 mA，其值可以根据相应的负载需求来调节.利用过压欠压、过流、短路保护和蓄电池充电管理等电路[6-11]，满足了本安型矿用不间断直流稳压电源的要求，而且还具有体积小、安装简单、成本较低等一系列优点.

1 直流不间断电源的设计

1.1 设计思路

矿用直流不间断电源组成原理框图如图1所示.在矿用交流电正常供电时，220 V的交流电经隔离变压器变换输出后，一路经整流、滤波，经稳压电路输出为镍氢电池充电；另一路经整流、滤波，由DC-DC转换后，经切换电路输出为负载供电.当矿用交流电断电时，切换电路自动切换致电池组，由24 V的镍氢电池给负载供电.设计采用模块化设计思想，非本质安全部分采用加防爆外壳、浇封等防爆措施,电源的输出侧为本质安全电路.主要包括整流滤波电路、DC-DC直流稳压电路，过压、欠压及过流保护电路，充电及切换电路，本安输出模块等.

图1 直流不间断稳压电源的组成原理框图Fig.1 Block diagram o f the DC stabilized UPS

1.2 整流滤波电路的设计

整流滤波电路如图1所示，采用单相桥式整流和电容滤波，供电网的交流经变压器降压，在变压器副边输出为18 V和24 V两路交流电，整流桥输出的脉动电压经电解电容滤除高次谐波分量后，分别接入降压型DC-DC转换器XL2576和三端可调稳压管LM317T.根据国标GB3836.4—83第6.1条关于煤矿井下电网供电的本安型电气的设备规定，变压器采用R型隔离变压器，R型隔离变压器具有漏磁小、温升低、绝缘性能强、可靠性更高、无噪音等显著特点.整流桥采用4个二极管1N4007组成，1N4007具有较强的正向浪涌承受能力，较高的反向耐压，低的反向漏电流(最大值5 μA)等特点.滤波采用单一电容器实现，滤波电容值较小，不影响电源输出电路的本安特性.

1.3 DC-DC直流转换输出电路设计

DC-DC直流转换电路如图2所示，由于交流电的不稳定性及负载的影响，需要设计稳压电路.稳压电路核心器件采用降压型DC-DC转换器XL2576，XL2576是一个52 kHz固定频率脉宽调制DC-DC直流转换器，脉宽调制控制电路可以线性调节占空比从0到100%，低纹波，内置过流和短路保护电路.当发生过流和短路保护时，XL2576工作频率从52 kHz降到31 kHz.具有频率补偿、限流、软启动、热关断和短路保护等功能.XL2576的输出电压范围为1.23～38 V，负载电流最大为3 A[12].

图2 直流不间断稳压电源的电路原理图Fig.2 The circuit diagram of the DC stabilized UPS

如图2所示，交流电经过降压、整流滤波后，接入降压型DC-DC转换器XL2576的输入引脚，XL2576的输入电压范围在3.6～40 V，输入引脚外接旁路电容，消除输入噪声.2脚为输出，3脚为接地引脚，此引脚必须放置在肖特基二极管和输出电容到地的外面，以阻止电感电压噪声引起的开关电流毛刺输入到XL2576.4脚为反馈引脚，通过固定电阻R2和一个可调电位器R1提高调节输出电压的精度.解决了利用固定式稳压器进行调压而引起的精度下降问题.

1.4 过压、欠压保护电路设计

为防止电源输出电压过高、电流过大或因负载短路引起的过流等现象烧坏负载或引起火花点燃可燃性气体.设计了过压保护和欠压保护电路，如图2所示.

图2中R9、C3、D组成延时电路，用于防止电源启动的瞬间，冲击电压过高电源还没有工作而造成误保护，使电源无法正常启动.当输入电压(Vc=Vb)时，欠压比较器N1输出为低电平，因而驱动信号PWM被封锁，此时三极管Q1由原来的导通变为截止，XL2576的5脚收到的驱动信号也由低电平转变为高电平，由于XL2576为低电平触发，所以此时XL2576停止工作，起到保护作用，调节RP5可以调节过压欠压动作的电压阈值.当对比的信号电压Vc位于门限电压之间时，窗口电压△V=Vb-Va，此电压用于判断输入信号电压是否在门限电压之间.在本设计中将Vb设置为18.5 V,将Va设置为17.5 V，所以窗口电压△V=Vb-Va=18.5-17.5=1 V.所以无论是过压还是欠压故障发生，比较器输出电平由高变低，因而驱动信号PWM被封锁，此时三极管Q1由原来的导通变为截止，XL2576的5脚收到的驱动信号也由低电平转变为高电平，由于XL2576为低电平触发所以此时XL2576停止工作，起到保护作用.

1.5 过流保护电路

过流保护电路原理如图2所示，在电路中采用电流互感器，通过电阻将采集到的电流转换为电压信号，经过电阻串联分压电路采集电压信号，将信号通过LM339与标准的+5 V电压对比.标准电压输入到比较器的反相输入端，信号输入到正向输入端.比较器的输出接DC-DC芯片XL2576的5脚.最大电流设置为800 mA，当输出电流达到800 mA时，比较器正向输入端电压为+5 V，比较器输出高电平，XL2576的5脚得到高电平信号，迅速将输出截止，起到保护的效果.误差范围在5%.

1.6 充电及切换电路

充电及切换电路主要是对蓄电池进行充电，在市电停止工作时，快速地切换到蓄电池供电工作状态，在蓄电池过度放电时停止放电，减少不必要的损失与危害，其电路原理如图2所示.220 V交流电降压后，从桥式整流输出的是脉动电压，需要通过电解电容滤除高次谐波分量后，才可以接入三端可调稳压管LM317T的输入端.其输出端通过二极管D8与动闭继电器K1连接，动闭继电器K1控制蓄电池的充电和切换电路，并且用LED高亮度发光二极管直观地显示电源的工作状态.当市电工作正常时，D6绿色发光二极管亮，继电器K1线圈有电流流过，继电器常闭触点断开，常开触点闭合，三极管Q4导通，开始充电.当蓄电池电压达到24 V时经过电阻分压采样电路采集电压后与标准+9 V电压比较，标准信号接正向输入端，当采集电压大于9 V时比较器输出低电平，Q5导通Q4截止，蓄电池停止充电.当市电出现故障时，由于二极管D8具有单向导电性，继电器K1线圈中没有电流，动开继电器常闭触点闭合，经蓄电池D7与XL2576的1脚相连，实现由蓄电池给系统供电，完成切换工作，此时D9红色LED发光二极管亮.蓄电池通过继电器与DC-DC芯片XL2576的2脚相连，由此与后面的过压欠压、过流保护电路连接.另一路，用LM7809将蓄电池的24 V电压转化为9 V提供基准电压，通过调节R29的值，在蓄电池电压小于22 V时，R28的电压小于9 V，比较器LM339输出高电平，三极管Q5截止，Q4导通，蓄电池停止放电.蓄电池采用单节1.2 V的镍氢电池共20节，而单节镍氢电池最低放电电压为1 V.

图3 过流保护仿真图 Fig.3 The simulation diagram of the over-current protection

2 仿真和测试结果

2.1 仿真结果及波形

运用Multisim仿真软件搭建模型，对过压、欠压和过流保护电路进行仿真，并得出了仿真结果.图3为过流保护电路仿真结果.由图3可以看出当输出电流达到800 mA时，比较器正向输入端电压为+5 V，比较器输出5.2 V高电平(误差范围在5%)，从而使XL2576的5脚得到高电平信号，迅速将输出截止，起到保护的效果.仿真实验输出结果如表1所示.

表1 本安电源输入输出数据Tab.1 Intrinsically safe power input and output data

2.2 实验结果及分析

在仿真的基础上，为了验证上述理论的正确性，本文完成了3台输入为AC220 V，允许波动范围80%～110%；输出电压为DC18 V；工作电流≤800 mA的样机.通过对样机进行实验测试，其保护及本安输出部分电路结果如表2所示.表2中的实际实验值与理论计算值基本一致，误差很小，在允许范围内，达到了设计要求.

表2 测试项目及测试结果Tab.2 Test project and Test results

3 结论

利用XL2576和LM317等元器件，电路设计中考虑本安型电气设备指标要求，采用模块化、双重保护设计思想设计矿用本安型直流不间断稳压电源.在驻马店化工厂和吴桂桥煤矿井下试运行6个月，通过对测试运行结果分析后可知：供电电压为220 V，允许波动范围80%～110%，整流后的直流电经充电电路给电池组恒流充电；当电网停电时，由充电控制电路控制备用电池投入使用，电池组额定电压为24 V，输出电压为18 V，工作电流≤800 mA，其值可以根据相应的负载需求来调节，确保本安输出的连续性，电池放电时间≥2 h.负载效应及源效应均小于5%，纹波电压小于1%，过压保护值 ≤19 V，输出电压偏离值 ≤5%.该电源具有结构简单、稳压性能优良、变换效率高、不间断供电、成本低等优点.可用于需要本安型直流稳压电源的煤矿、化工、石油等高危环境以及节能环保生产场所.