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一种12V新型本安电源的设计方案
来源：维库电子市场网
作者：刘峥、张胜春等日 17:37
[导读] 本文介绍了一种基于TOP244Y的12V新型本安电源的设计方案。该系统的核心选用 Power Integration公司的开关电源芯片TOP244Y，在开关电源的基础上，外加过压保护电路和过流保护电路，使电压稳定在12V.
　　本文介绍了一种基于TOP244Y的12V新型本安电源的设计方案。该系统的核心选用 Power Integration公司的开关电源芯片TOP244Y，在开关电源的基础上，外加过压保护电路和过流保护电路，使电压稳定在12V.经过压保护测试和 过流保护测试验证，该电源满足本安要求，从而证实了本方案的可行性。
　　1.引言
　　近年来，我国煤矿机械化、自动化程度日益提高，矿井监控、通讯、仪表自动化系统等应用日益普遍，但 煤矿的特殊环境，要求煤矿电气设备必须采用本安设备。本安电源作为矿用本安系统不可缺少的组成部分，其技术先进性和产品质量决定了本安设备的可靠性，从而 直接影响到监测系统数据采集的准确性、稳定性，关系到矿井安全生产、抗灾能力和矿工安危。
　　2.系统整体方案
　　根据煤矿用直流稳压电源的标准，电源输入电压为交流127V标称值的75%~110%（即 95V~140V），输出电压的纹波电压不应超过直流输出电压12V的5%.根据要求，本文采用TOP244Y开关电源芯片，在高频开关电源的基础上，外 加过压保护电路、过流保护电路，设计了新型的12V本质安全型电源（最高开路电压12.4V、最大短路电流150mA）。
　　如图1所示，本系统包括以下3个部分：
　　开关电源电路、过压保护电路、过流保护电路。
　　3.硬件电路设计
　　3.1 开关电源电路
　　开关电源电路将交流电127V转变成直流电23V.电路原理图如图2所示，交流电经过整流、滤波，成为纹波较大的直流电，通过高频变压器、开关电源芯片TOP244Y得到23V的直流电。
　　TOP244Y是Power Integration公司的TopSwitch II系列产品，它便于实现开关电源的优化设计，设计的交流输入电压范围是85V~265V.它能同时实现输入欠压保护、过压保护、从外部设定极限电流、降 低最大占空比等功能。TOP244Y具有频率抖动特性，这对降低电磁干扰很有帮助。
　　TOP244Y的1引脚用于占空比控制，根据反馈电压改变占空比，调节电压稳定输出；2引脚提供线 电压的过压、欠压等自动监测和调整；3引脚通常与三极管相连，实现远程开关控制，当三极管导通，3引脚接地，TOP244Y正常工作，当三极管断开，3引 脚类于悬空，TOP244Y失能；4引脚为TOP244Y内部MOSFET的源极，6引脚为内部MOSFET的漏极，作为开关使用，提供给高频变压器；5 引脚为频率引脚，接地时TOP244Y的工作开关频率为132KHz.R3为欠压或过压检测电阻，并能给线路提供电压前馈，以减少开关频率的波动。D2、 D3构成漏极钳位电路，可吸收内部MOSFET关断时由高频变压器T1初级漏感产生的尖峰电压，保护MOSFET不受损。电阻R5用来从外部设定功率开关 管的漏极极限电流，使之略高于满载或输入欠压时的漏极峰值电流，这就允许在电源起动过程中或输出负载不稳定但未出现饱和的情况下采用较小尺寸的高频变压 器。当输入直流电压过压时，R5还能自动降低最大占空比Dmax，对最大负载功率加以限制。
　　精密反馈电路由线性PC817A、稳压管D7、 电阻R6、R8组成。输出电压Uo经过去改变TOP244Y的1引脚电流IC，使占空比发生变化，进而调节Uo保持不变。反馈绕组的输出电压经D3、 C8整流滤波后，给光耦中的接收管提供偏压。C10还与R14一起构成尖峰电压滤波器，使偏置电压在负载较重时能保持恒定。
　　3.2 过压保护电路
　　如图3所示，当输出电压12V因某种原因增加时（假设增加到13V），D11、D13稳压管导通，分别触发快速可控硅Q4、 Q6，导通U2、U4，通过A、B点连接的三极管Q2、Q3基极电平被拉成低电平，实现对开关电源芯片TOP244Y的远程失能控 制，TOP244Y停止工作，VCC电压为零，最终输出电压为零，实现输出过压保护。图中R11、R15的作用是减小快速可控硅输入端的偏置电流。
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　　产品安全性是指避免产品可能对人身安全、健康、环境以及产品本身带来的危害，其可分为以下几类：人身安全、健康、环境和产品本身的安全。
　　产品安全性具有以下一些特点：
　　(1)产品安全性是产品固有的特性，也就是说产品安全性的形成伴随产品形成过程一起产生的；
　　(2)产品安全性所关注的是损失；
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　　(4)产品安全性是存在于产品整个寿命周期内的。
　　产品安全性形成过程是与产品形成过程相伴而生的，那么产品安全性又是怎么样在产品形成过程中“诞生”的呢?
　　的形成有如下几个大的过程：
　　(1)与顾客有关的过程
　　确认顾客的需求，明确顾客的要求，将转化为设计中的性能指标参数。
　　(2)设计开发过程
　　根据顾客需求以及转化后的性能指标参数，结合一些，设计符合顾客需要的产品。
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　　根据设计完成的技术方案，实施，最终完成产品。
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　　从上述过程中，可以看到，与有关的过程是基础，顾客的是产品诞生的根本，而设计开发是核心。
　　现在我们来关注一下产品的安全性，首先在与顾客有关的过程中，通过与顾客的交流后，可以了解到顾客对产品安全的一个基本需要，这也是产品安全性设计的一个“基石”，换成风险来说，就是顾客可以的最高的风险水平。其次，在设计开发过程中，如何把产品的风险降低到顾客水平以下，甚至远远低于顾客所期望的，就需要将产品各环节的风险进行识别、分析、评价，进而转化为产品的参数，例如：，人们可以接受的风险水平就是至少不会给人体带来不良的影响，那么，在设计阶段，就需要对人体有影响的进行分析评价：毒理性分析、不良反应、人体危害分析等等。同时，转化为设计参数：添加剂的剂量、中和剂的添加量、残留物的量等等。再进一步转化为生产要求：添加剂如何添加、加热消毒还是其他消毒形式等。依此类推，产品实现过程也是如此，分析中可能存在的，进而转化为、上的要求。同时，采用监视、测量、的方式来监督产品安全性的诞生过程，这样就可以以有效地实现前期顾客对产品安全性的要求。
　　综合以上分析，产品安全性从顾客自身、法规要求等，转化为对各过程的、，进而变化成产品中的性能参数，从而实现产品的“”。
　　产品安全性设计在国内外都有许多、规范和规程可以遵循，符合使用的、规范和规程的要求，是安全性设计必须遵守的准则。
　　安全技术可分为直接的、间接的和提示性的三类。直接安全技术，即在设计、开发时采取措施，使所设计的产品本身避免产生危险；间接的安全技术，即建立保护和安全防护装置，以防止危险事故的发生；提示性安全技术，是在危险发生之前发出警告，通过指示器进行预先警示，提醒操作人员及时采取必要措施，以免发生险情。原则上的优先顺序是：优先采用直接安全技术，然后是间接安全技术，最后采用提示性安全技术。
　　1．直接安全技术
　　常用的直接安全技术方法主要有：构件原则；有限损坏原理；允余配置原理；排除危险性；限制危险性程度；隔离、阻断和装置；安全保护装置等。
　　2.间接安全技术
　　间接安全技术的指导思想在于防御，避免或减少损伤。常用的方法有：防护装置；防护用具；配备救生器具等。
　　3.指示性安全技术
　　常用的方法有：预警装置；标明使用方法等。
　　按有关法律、法规的规定，设计者和对一般用户的安全应承担义务的范围不断扩大，不允许设计、制造者在对其产品的危险性尚未搞清、或不具备其危险性的情况下，将产品推向。但目前很多企业没有在产品的概念设计阶段系统地考虑产品安全因素，缺乏中的产品安全性评价，产品安全性不能得到保障。
　　因此，设计者在概念设计阶段分析产品所具有的危险性并采取相应的安全措施是十分必要的。只有在概念设计阶段就采取相应的安全对策，才能有效消除或降低产品的危险性。而如何评价设计中的产品安全性，就成为概念设计阶段急需解决的问题之一。
　　安全性评价也称安全度评价，即对中存在的危险性及其严重程度以既定、等级或值进行分析和评估，并针对这些危险制定相应的安全对策，使系统安全性达到社会公众需求水平的一种方法体系。安全性评价就是从数量上说明被评价对象的安全可靠程度。
　　不同产品的安全性存在着差异，且差异程度又是随着安全性设计及影响因素的变化而变化的。因此，应综合考虑影响产品安全性的各种因素，以安全性评价指标作为，进行概念设计的方案决策。在概念设计阶段，利用计算出产品安全性评价数值，在一定程度上该数值可以反映产品安全性的程度，可作为产品在概念设计阶段的参考标准。
　　鉴于产品安全性设计的广泛性和复杂性，的选取应符合科学性、代表性、可比性及可量化性等几个原则。针对设计阶段的安全性问题设计出由目标层、准则层和指标层三个层次所组成的指标体系框架，见图。
　　目标层(A层)——产品安全度，它是产品安全性好坏的综合体现。
　　准则层(B层)——包括直接性安全设计、间接性安全设计和提示性安全设计三个准则层，用以表示产品安全性在这三个方面达到的程度。
　　指标层(C层)——指标体系中最小的组成单位，具体反映准则层的各项指标。
谢华 邹超.浅谈产品安全性的形成 科技信息, 2009年16期
杨静 余隋怀 陈登凯 概念设计中产品安全性评价指标体系的建立和分析.现代制造工程,2009(11)
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