一種12V新型本安電源的設計方案

　　本文介紹了一種基于TOP244Y的12V新型本安電源的設計方案。該系統的核心選用 Power Integration公司的開關電源芯片TOP244Y，在開關電源的基礎上，外加過壓保護電路和過流保護電路，使電壓穩定在12V.經過壓保護測試和 過流保護測試驗證，該電源滿足本安要求，從而證實了本方案的可行性。

　　1.引言

　　近年來，我國煤礦機械化、自動化程度日益提高，礦井監控、通訊、儀表自動化系統等應用日益普遍，但 煤礦的特殊環境，要求煤礦電氣設備必須采用本安設備。本安電源作為礦用本安系統不可缺少的組成部分，其技術先進性和產品質量決定了本安設備的可靠性，從而 直接影響到監測系統數據采集的準確性、穩定性，關系到礦井安全生產、抗災能力和礦工安危。

　　2.系統整體方案

　　根據煤礦用直流穩壓電源的標準，電源輸入電壓為交流127V標稱值的75%~110%（即 95V~140V），輸出電壓的紋波電壓不應超過直流輸出電壓12V的5%.根據要求，本文采用TOP244Y開關電源芯片，在高頻開關電源的基礎上，外 加過壓保護電路、過流保護電路，設計了新型的12V本質安全型電源（最高開路電壓12.4V、最大短路電流150mA）。

　　如圖1所示，本系統包括以下3個部分：

　　開關電源電路、過壓保護電路、過流保護電路。

　　3.硬件電路設計

　　3.1 開關電源電路

　　開關電源電路將交流電127V轉變成直流電23V.電路原理圖如圖2所示，交流電經過整流、濾波，成為紋波較大的直流電，通過高頻變壓器、開關電源芯片TOP244Y得到23V的直流電。

　　TOP244Y是Power Integration公司的TopSwitch II系列產品，它便于實現開關電源的優化設計，設計的交流輸入電壓范圍是85V~265V.它能同時實現輸入欠壓保護、過壓保護、從外部設定極限電流、降 低最大占空比等功能。TOP244Y具有頻率抖動特性，這對降低電磁干擾很有幫助。

　　TOP244Y的1引腳用于占空比控制，根據反饋電壓改變占空比，調節電壓穩定輸出；2引腳提供線 電壓的過壓、欠壓等自動監測和調整；3引腳通常與三極管相連，實現遠程開關控制，當三極管導通，3引腳接地，TOP244Y正常工作，當三極管斷開，3引 腳類于懸空，TOP244Y失能；4引腳為TOP244Y內部MOSFET的源極，6引腳為內部MOSFET的漏極，作為開關使用，提供給高頻變壓器；5 引腳為頻率引腳，接地時TOP244Y的工作開關頻率為132KHz.R3為欠壓或過壓檢測電阻，并能給線路提供電壓前饋，以減少開關頻率的波動。D2、 D3構成漏極鉗位電路，可吸收內部MOSFET關斷時由高頻變壓器T1初級漏感產生的尖峰電壓，保護MOSFET不受損。電阻R5用來從外部設定功率開關 管的漏極極限電流，使之略高于滿載或輸入欠壓時的漏極峰值電流，這就允許在電源起動過程中或輸出負載不穩定但未出現飽和的情況下采用較小尺寸的高頻變壓 器。當輸入直流電壓過壓時，R5還能自動降低最大占空比Dmax，對最大負載功率加以限制。

　　精密光耦反饋電路由線性光電耦合器PC817A、穩壓管D7、 電阻R6、R8組成。輸出電壓Uo經過光耦去改變TOP244Y的1引腳電流IC，使占空比發生變化，進而調節Uo保持不變。反饋繞組的輸出電壓經D3、 C8整流濾波后，給光耦中的接收管提供偏壓。C10還與R14一起構成尖峰電壓濾波器，使偏置電壓在負載較重時能保持恒定。

　　3.2 過壓保護電路

　　如圖3所示，當輸出電壓12V因某種原因增加時（假設增加到13V），D11、D13穩壓管導通，分別觸發快速可控硅Q4、 Q6，導通光電耦合器U2、U4，通過A、B點連接的三極管Q2、Q3基極電平被拉成低電平，實現對開關電源芯片TOP244Y的遠程失能控 制，TOP244Y停止工作，VCC電壓為零，最終輸出電壓為零，實現輸出過壓保護。圖中R11、R15的作用是減小快速可控硅輸入端的偏置電流。