基于PWM技术的煤矿井下本安驱动电源设计

随着能源的日益稀缺，低碳经济愈来愈被重视,LED节能、高效、环保这些特点必然使其大放异彩，但LED光源并不像一般的光源那样可以直接使用公共电网电压,它必须提供能满足其LED的额定电压和电流才能正常工作。近年来，煤矿事故频发，因为煤矿下存在爆炸性混合气体，所以对所用的电器设备的安全性有着更高的要求，对设备在正常工作和发生故障时产生的电火花或热效也应有相应的限制。笔者针对矿下这种易燃易爆的恶劣环境,采用目前非常流行的PWM脉宽调制技术，设计了一款具有极高稳定性和效率，且具有保护隔离措施的高可靠性电源。

1  脉宽调制原理及其典型电路

图1所示是脉宽调制技术驱动电源的典型电路,其中输入电压经整流滤波后和芯片漏极电压构成变压器初级端的输入电压,次级端按照变压器的匝数比再经整流滤波得到输出电压，输出电压经采样、比较电路后得到的信号再经光耦传输到芯片的反馈引脚，从而调整三极管的导通和截止时间，并最终使输出电压保持稳定。

脉宽调制开关电源的开关部件，一般都是由大功率三极管或大功率场效应管来担任的，电源输出电压的改变和稳定，都是靠开关管饱和导通的时间和截止时间长短的改变来实现的，我们称之为占空比，即导通时间与整个周期的比。当输入电压发生变化时，输出电压也会发生变化，然后经过采样和反馈电路去控制开关调整管导通时间的长短,从而使脉冲的宽度发生变化，最终使输出电压保持稳定。比如输出电压V。低于正常电压，经过采样和反馈电路改变三极管导通时间,使它的直流分量增加，也就是使平均电压增加，并使输出电压回升，从而抑制输出电压的下降,维持输出电压的稳定。同理，若输出电压V。高于额定值，经过采样和反馈电路改变导通时间后，将使它的直流分量减少,平均电压降低，并使输出电压降低，从而抑制输出电压的升高，以维持输出电压的稳定。

2  电路设计

2.1  本安LED驱动电源组成

图2所示是一个本安LED驱动电源的组成框图。图中，该本安LED驱动电源中的开关电源芯片可采用飞兆半导体公司生产的型号为KA5M0380,该芯片的频率为66kHz,采用单端反激式开关电源技术来完成电源设计。

2.2  电路保护部分

系统中的输入端电路保护部分由250V/2A保险管、压敏电阻、热敏电阻组成,可用于在电源出现故障时，对电源其它器件进行保护，以保证安全。

2.3  整流滤波

整流滤波电路的主要功能是将交流电变换为直流电，并供后续电路进行相应变换。该电路采用二极管组成全波整流或半波整流电路，再加上一定容值的电容来达到整流滤波的目的。由于整个电源电路的频率为66kHz左右，所以，电路的输出滤波使用高频二极管UF4007。因为输出电压要用于驱动LED,所以要求输出电压要尽可能的平滑，事实上,该电路也可以选用k型滤波器来滤波。

2.4  短路保护及芯片供电系统

将短路保护和芯片供电这两部分放在一起研究的原因是因为短路保护是通过对芯片供电的影响而达到其相应保护目的的。图3所示是本LED本安电源的短路保护和供电电路图。 

由于KA5M3080芯片内部没有电流源，所以芯片启动需要外部提供一定的电流和电压，而在刚上电时，次级给芯片供电部分的线圈没有输出，所以，电路部分用一个电阻直接连在输入整流滤波后，并在芯片启动时给芯片供电，待芯片正常工作后，由辅助绕组给芯片供电。

该电路采用0.1。电阻来对输出电流进行釆样，当电流超过预先设定的值时，运放输出一个脉宽为2ms,幅度为20V左右的脉冲，并经光耦反馈给输入端的芯片供电电路。该光耦输出端接三极管,三极管集电极接芯片供电管脚，另一端接地，当光耦输入端检测到运放输出上述脉冲时，三极管瞬间导通，芯片供电迅速被拉低,从而使芯片停止工作，并导致输出端没有输出。此时芯片又由启动供电电路供电来重新启动，一旦有输出，如果短路故障仍存在，则短路保护就被激活，又重复上述过程，周而复始。

2.5  稳压稳流反馈系统

该电源电路的反馈电路包括电压反馈和电流反馈，它们的工作原理类似。现以电压反馈为例，先对输出电压进行采样，经电阻分压后接到运算放大器正向端，反相端接基准电压，如果输出电压太大，运放则会输出一个相应比例的电压信号，经光耦输入到芯片的反馈引脚，这样，芯片就会根据反馈电压的大小调整占空比，从而抑制输出电压，直到平衡状态。电流反馈则是在负载对输出电流进行采样。

3  结语

本文以LED照明这一节能高效的照明技术为出发点，主要针对煤矿井下恶劣的环境，阐述了在易爆环境下本质安全型驱动电源的设计方法。本课题从立题到完成都立足于实际应用,并以工程的实际需要为根本出发点，将理论与实际联系在一起。目前，采用本设计的本安驱动电源已经投入生产和使用，相信在实际的使用环境中还将会不断完善。