一种矿用本安型LED驱动电源设计

摘要 针对煤矿井下易燃易爆的特殊环境，文中基于开关电源技术，设计了一种本质安全型LED驱动电源，能将输入输出隔离，并加入过压过流等保护功能，从而使敌障时释放的能量符合国家本质安全标准的规定，提高煤矿井下用电设备的安全性及可靠性。
关键词 煤矿安全；本质安全型；LED；开关电源

良好的井下照明供电系统，能为煤矿井下提供优质的作业环境，同时对减少井下事故发生也具有重要作用。采用传统白炽灯作为煤矿井下的主要照明，不仅照度低、眩光强、效率低下，而且电路本身也不可靠。近几年随着LED产业的迅速发展，国内工矿企业开始将LED照明概念与煤矿井下的特殊照明技术相结合，实施矿井绿色照明。提出一种本质安全型LED驱动电源的设计方案就是LED在煤矿井下照明系统的一种应用。
本质安全型电源，以下简称本安电源，即在正常工作和故障状态下，电源可能产生的电火花或热效应的能量小于这一能量时，设备不可能点燃爆炸性危险气体而产生爆炸，其原理是从限制能量入手，可靠地将电路中的电压和电流限制在一个允许的范围内，以保证设备在正常工作或发生短接和元器件故障情况下产生的电火花和热效应不致于引起其周围可能存在的危险气体的爆炸。所以矿用本安型LED电源设计，实际上是一种低功率、高可靠性的电源设计技术，在传统LED驱动电源的基础上，还要考虑煤矿井下的特殊环境，加入本安特性。

1 总体方案及性能指标
相对于传统的LED驱动电源，煤矿井下条件恶劣，对电源本身的可靠性及安全性提出了更高的要求，故本设计在输出环节电路加入本安特性，从而保证了电源能够在国家标准规定的条件下，产生的任何电火花和热效应均不会点燃规定的爆炸性气体，并能在短路或过载故障排除后，自动恢复。根据煤矿用直流稳压电源的标准，设计采用输入标称电压AC127 V，范围75％～110％，输出额定电流550 mA。开路电压DC18 V，电压电流稳定度5‰。电源的组成框图如图1所示。

2 电路设计
输入部分电路设计：为增加电源输入端的安全性能，在电源输入端加入防浪涌及EMI电路，电路在交流输入侧首先并联一只压敏电阻，串联保险管，用于防止井下电压冲击，或其他原因导致电路电流过大。之后加入了由共模电感和电容组成的EMI滤波器，主要用于消除共模和差模干扰。前端处理后，经过整流桥和电容组成的整流滤波电路，得到直流电流，输入到电源DC—DC变换主回路。
LED驱动电源主回路设计：采用集成的PWM芯片设计开关电源，在低功率的电源设计领域技术成熟应用广泛。本电源采用Fairchild公司的KASH0380R开关电源集成芯片，其功能强大、工作频率100 kHz、启动电流100μA，具有过压，欠压等保护功能。引脚4根，只需几个外围器件就可工作，不仅减少研发时间及外围器件的数量，同时由于芯片工作频率高，变压器原边的电感量设计可以减少，从而降低了电源本身的体积，增加了电源效率和可靠性。虽然较最新的开关电源芯片的工作频率100 kHz并不高，但是该芯片在满足电源设计需求的同时，具有成本低的优势。
稳压稳流电路设计：本安电源电路中不能采用大电感、大电容等储能器件实现滤波稳压功能。因此，在输出电路中采用电压采样，比较判别电路、放大电路组成的稳压稳流电路。采样电路经电阻分压得到，由TL431提供2．5 V基准电压，经LM2902组成的比较及放大电路，经光耦反馈给电路前端电源芯片KASH0380R的反馈引脚，即PWM控制器，可调节输出，达到输出稳定的目的。由于LED工作在恒流情况，所以本电源设计正常工作时，处于恒流输出状态，额定输出直流电流为550 mA。在负载开路情况下，电源工作于恒压状态，额定输出电压DC18 V。
短路保护及自恢复电路设计：短路保护电路通过判断输出电流大小，基准电压为DC2．5 V由TL431提供。当电路发生短路故障时，电路中的电流超过预先设计的保护值，经采样得到的电压信号，经放大后与基准电压比较，就会输出保护信号，该信号经光耦反馈到前端芯片供电电路，使光耦输出端光敏三极管导通，使Q1导通，使芯片供电电路接地，拉低芯片供电电压，从而停止芯片工作，切断电源输出。如果短路故障排除后，光耦输出端断开，三极管处于关闭状态，供电电路电压恢复正常，即电源又可自动恢复工作。实际工作时可根据具体使用情况，通过改变电阻R1与R3的阻值来调节预设的电流保护门限。该部分电路如图2所示。

3 结束语
文中设计根据煤矿井下的环境要求，采用开关电源集成芯片，提高开关工作频率，大幅减少原边的电感量及输出滤波电容的容值，并加入了各种保护功能，从而使电源在断路及短路故障下，释放的能量符合国家标准。对于煤矿井下此类的高危场所，采用开关原理设计的本质安全型LED驱动电源不仅提高了电源的输出效率，更重要的是由于电路本身设计时加入了本安特性，极大的提高了煤矿井下照明用电设备的安全性，减少事故发生，对于煤矿事业而言具有重要意义。