基于STM32 的本安电源的监控系统设计

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。

随着科学技术的发展，煤矿井下作业环境中使用自动化设备的程度越来越高，各种检测仪表大量涌现，致使本安电源在矿井中的使用越来越频繁,同时对其参数要求和使用要求也越来越高。目前在煤矿井下本安电源已经是一个不可替代的安全供电设备。通常情况下，煤矿井下存在瓦斯等爆炸性气体，各种仪表都要求本安设计，但是在供电过程中，也需要本安电源来供电，以达到安全要求。这就要求本安电源在设计过程中一定要考虑到电路中电压、电流以及功率等情况，某些特殊应用还需要考虑到保护的速度等情况，作好充分的保护工作，以防止过压或过流以及保护不及时而产生井下瓦斯气体爆炸等情况，造成不必要的人员和财产损失[5]。

本质安全型电源即本安电源,由于它通常有一个隔爆外壳，所以也叫做隔爆兼本安电源。在中国防爆国标和煤矿行业标准中对本安输出特点有详细规定。主要有：(1)输出的电压电流不能点燃周围的可燃气体;(2)本安与非本安之间必须有可靠的隔离[2];(3)输出保护必须采用双重保护机制[3];(4)有后备电源的要求采用安全系数高的环保型镍氢或磷酸铁锂电池,并同时满足GB3836.4-2010中第10条和MT/T1051-2007《矿灯用锂离子蓄电池》的安全规定[4]。上述这些要求同时也给设计本安电源提供了努力的方向。

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

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。

通过空气自然对流的方式将热量从电源模块外壳和暴露表面传至空气中，如果电源模块与PCB之间有间隙，也会通过其中的沟道传到周围环境中;

通过辐射由模块的暴露外壳辐射到周围物体表面或从模块的底部辐射到PCB板;

通过传导方式经模块管脚传到PCB板上。

许多应用系统中，即使加装了散热片，电源的工作条件也得不到很好的改善。在这种散热比较困难的系统中应用，需通过加强制性散热器风扇作为主要的散热方式。

风扇安装的一般指导原则是，形状较长电源模块，风扇吹风方向应该是水平的，沟道内的风扇吹风方向应该是垂直的以便于形成“烟囱效应”而有利于散热。另外还可在风扇与模块之间涂一层导热脂或其他导热填充材料，使风扇与模块电源外壳(或电源金属基板)之间的结合紧密以减少热阻，但不要因过紧而造成模块电源外壳(或电源金属基板)变形。

在高海拔条件下，因空气稀薄及大气压强的影响，系统本身的散热相对较差，为降低系统温升，必须采用强制性散热或者降额使用。