基于STM32的矿用本质安全型电源设计

0 引言

本安电源是本安型电气设备的一个重要组成部分，由于煤矿的机械化，井下传感器、弯道报警器等设备的供电，通信、报警都需要供电设备。但是基于井下复杂的环境，对供电设备的要求也是非常严格的，它要求电源电路的内部和引出线无论是在正常工作还是在故障状态下都是安全的并且产生的电火花不会点燃周围环境中的爆炸性混合物。本安电源有"ia"和"ib"两个等级。在本文中介绍的本安电源是井下常用的"ia"等级，也就是说在一个故障，一套保护电路损坏的情况下也能继续工作。

1 本安电源的组成及工作原理

1.1 电源

本系统中本安电源的输入+Vin、-Vin为48 V 直流电源，经过DC/DC 电源转换模块（U1）输出12 V直流电，U2是7805 稳压模块， 把12 V 直流电稳压输出5 V 电压为比较器提供电源。图1 中R1是第1级过流保护采样电阻，R2是第2 级过流保护采样电阻， 采样电阻把电流值转换为电压值GND1、GND2以便使用STM32 进行过流监控。

图1 工作原理

1.2 主回路

由于本系统是基于STM32 的本安电源的监控，图2 是主回路， 图中UrU1、UrU2和UrUrout
是采样电压，STM32 通过监控这3 个电压值就可以确定本安电源是否过压。当BH1是低电平的时候Q4不导通、Q3截止，那么本安电源就没有输出；当BH1是高电平的时候Q4、Q3导通，Q1、Q2
也导通。由于Q1、Q2导通UrU2上就有采样电压，BH2的电平高低决定R24上的电压是否为零。所以，只有当BH1和BH2同时为高电平的时候本安电源才有输出，其中任何一个是低电平本安电源就进入保护状态，这就是主回路的双重保护。

图2 主回路

1.3 保护电路

本系统中的保护电路有过流保护和过压保护及其恢复电路。此系统是"ia"等级的本安电源，所有保护电路都有2 级， 本文只介绍其中的1 级。第2级和第1 级的电路是相同的。

（1）过流保护

图1 中的采样电阻把电流值转换为电压值GND1、GND2。图3 中调节变阻器R32设定过流保护

值为800 mA,采样电压GND1 通过U3放大，然后通过比较器U4和设定的电压值相比较控制BH1。当GND1 大于设定值时，比较器输出为低电平，本安电源没有输出。同时放大后的GND1 经过电压跟随器U5连接到STM32 的AD 转换管脚，以便对其进行软件监控。第2 级过流保护同理。

图3 过流保护

（2）过压保护及其恢复电路

调节图4 中的变阻器R5设定过压保护值为12.5 V，本安电源的输出Urout经过R44、R47的分压通
过U7和设定值相比较。当分压值大于设定值时，BH1 输出为低电平，本安电源输出为零。调节R37使得本安电源输出为零时U6的反向输入端电压大于同向输入端的电压。当Urout=0 时，D7、D8导通，比较器的输出BH1为高电平， 那么本安电源有输出，如果Urout仍然大于保护值，U7
输出BH1为零，D7、D8导通U6输出BH1为高电平， 如此反复直到本安电源输出在正常范围内。第2 级过压保护及其恢复电路同理。

图4 过压保护

2 软件保护

图2 的主回路中有BPC1 和BPC2 这2 个管脚和STM32 普通的GPIO 管脚相连。图3 中的AD0
管脚是第1 级过流保护的监视管脚，AD1是第2 级过流保护的监视管脚。图5 中的AD2、AD3、AD4、AD5是过压监控管脚。它们分别连接到STM32 的AD 转换管脚，经过AD 转换后，判断本安电源是否过压、过流然后控制主回路中得BPC1、BPC2 两个管脚，确保本安电源工作在安全范围。

图6 是软件保护的程序流程图， 因为AD 转换是多路的，所以在数据传输的时候采用DMA 传输，在STM32 初始化的过程中除了包括系统时钟RCC、通用输入输出端口GPIO、嵌套向量中断控制器、定时器、串口、AD 转换的初始化，也要包括DMA传输的初始化。完成初始化后启动AD 转换，把转换结果进行相应的处理后判断是否超出过压过流限定值， 如果超过就清零BPC1、BPC2， 当软件保护把BPC1、BPC2 置零后，恢复只能由硬件电路来完成。

图5 软件保护

图6 软件保护流程图

3 结语

从软件和硬件2 个方面介绍了本安电源，硬件方面介绍主回路、过流保护、过压保护及其恢复
电路的工作原理， 软件方面主要是通过STM32 进行控制的,可以加上通信模块ADM2483,通过串口把AD 采集的结果通过MODBUS 通信传到上位机，可以实时地观察到本安电源的输出情况，同时可以充分利用芯片的管脚。测试该本安电源工作正常，保护及时，作为传感器，弯道报警器的工作电源。