一种本质安全型Buck变换器设计方法技术

本发明专利技术公开了一种本质安全型Buck变换器设计方法，包括步骤：步骤1：根据设计要求设定相应的参数和指标；所述设定的参数包括输入电压、输出电压、输出电流、纹波电压、最大输出电阻和最小输出电阻；步骤2：设置Buck变换器的开关频率；步骤3：计算所述Buck变换器在输出短路最危险工况下和输出开路最危险工况下的输出端放电间隙总能量；步骤4：对所设计的Buck变换器输出本质安全性能进行评判，若所述Buck变换器满足输出本质安全要求则设计结束，否则返回到步骤2重新进行。本发明专利技术给出的本安Buck变换器设计方法，可适用于防爆场合用DC‑DC变换器的要求，同时具有很好的动态特性，转换效率高。

【技术实现步骤摘要】
一种本质安全型Buck变换器设计方法
本专利技术涉及防爆场合用DC-DC变换器，尤其涉及一种本安Buck变换器设计方法。
技术介绍
电气危害主要由电火花、电弧、接触高温、静电等因素引起，而当电路中出现短路、过载、接触不良、发热等情况时，则会导致上述现象产生。因此，用于危险场所的电气设备、电子装置等产品必须满足防爆要求。本质安全是最佳的防爆形式，即在正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性气体混合物。本安电源作为在煤矿、石油、化工等场合广泛使用的供电设备，由于其良好的防爆性能而得到了广泛的应用。本安电路设计有三条基本原则：第一，本安电路与其它非本安电路、其它独立本安电路必须进行适当隔离；第二，本安电路在规定的条件下，其任何元件的热效应均不能点燃规定的爆炸性气体混合物；第三，对于本安电路，应根据其电气设备规定等级进行试验或评定，其任何电火花不得引燃规定的爆炸性气体混合物。现有的本安型开关电源多采用线性电源实现，其转换效率低、输入动态范围窄、损耗较大。而伴随着高损耗的一个问题是需要加装散热器，温度的升高对于电源的可靠性有很多不良的影响。目前的本安电源的研究主要集中在各种非隔离变换器上，不能兼顾多种设计要求。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术针对上述不足，提供了一种本安Buck变换器设计方法一种本质安全型Buck变换器设计方法，包括步骤：步骤1：根据给定输入电压、负载动态范围、输出电压以及允许的最大纹波电压的要求设定相应的参数和指标；所述设定的参数包括输入电压、输出电压、输出电流、纹波电压、最大输出电阻和最小输出电阻；步骤2：设置Buck变换器的开关频率；步骤3：计算所述Buck变换器在输出短路最危险工况下和输出开路最危险工况下的输出端放电间隙总能量；步骤4：对所设计的Buck变换器输出本质安全性能进行评判，若所述Buck变换器满足输出本质安全要求则设计结束，否则返回到步骤2重新进行。所述步骤3中，所述Buck变换器在输出短路最危险工况下和输出开路最危险工况下的输出端放电间隙总能量的计算如下：输出短路情况下，存在两种情况：当整个保护响应过程处于主开关管Q导通阶段时，储能电感一方面接收来自输入电源的能量，另一方面为放电间隙提供放电能量，电流iL持续线性上升，直至保护电路P的完全保护响应时，储能电感电流从Is1上升至Is2；当整个保护响应过程处于主开关管Q关断阶段时，储能电感为放电间隙提供放电能量，电流iL持续线性下降，直至保护电路P的完全保护响应时，储能电感电流从Is1下降至Is2；整个保护响应过程，滤波电容持续放电，电容电压持续下降，直至保护电路P的完全保护响应时，滤波电容电压达到最小值Us；整个保护响应过程，额定负载R和假负载Rd均并联在滤波电容的两端，负载端电压从额定输出电压Uo下降至最小值Us；则当整个保护响应过程处于主开关管Q导通阶段时，输出端放电间隙总能量为其中，Ui为输入电压，L为储能电感，C为滤波电容，Uo为输出电压，保护电路P的保护响应时间为Tp；当整个保护响应过程处于主开关管Q关断阶段时，输出端放电间隙总能量为综上，输出短路最危险工况下，输出端放电间隙总能量最大值为Ws＝max(Wso,Wsc)；输出开路情况下：输出端放电间隙总能量为所述步骤4具体为：根据所述步骤3计算得到的所述Buck变换器在输出短路最危险工况下和输出开路最危险工况下的输出端放电间隙总能量，与国家所规定的故障瞬间允许通过的瞬态能量规定值W比较，若Ws，Wb均小于W，则设计满足输出本质安全要求。有益效果：本专利技术给出的本安Buck变换器设计方法，可适用于防爆场合用DC-DC变换器的要求，同时具有很好的动态特性，转换效率高。附图说明图1为本专利技术的Buck变换器原理图。图2为本专利技术的本安Buck变换器设计流程图。图3为本专利技术的本安Buck变换器输出短路时存在的两种情况下的关键参数波形图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本专利技术。本质安全型变换器的设计是在给定输入电压和负载动态范围、输出电压以及允许的最大纹波电压的前提下开展的。Buck变换器工作于断续导电模式(DCM)相比于连续导电模式(CCM)时，电感峰值电流较大，为了减小器件的电流应力并且获得较好的动态调节特性，一般将变换器输出功率较大的工作范围设计成CCM模式。图1为本专利技术的Buck变换器原理图。如图1所示，Ui为输入电压，Q为主开关管，ub为主开关管控制驱动信号，D为续流二极管，L为储能电感，iL为储能电感电流，C为滤波电容，ic为滤波电容电流，uc为滤波电容电压，Uo为输出电压，P为保护电路。本质安全型Buck变换器输入电压范围为[Ui,min，Ui,max]，负载电阻范围[RL,min，RL,max]，开关频率为f，开关周期为Ts，开关管的导通时间为Ton，关断时间为Toff，保护电路P的保护响应时间为Tp。当Buck变换器工作于CCM模式时，输出纹波电压峰值为：其中，d为占空比；Buck变换器工作于CCM模式，轻载时，为保证给定的输出电压，占空比大幅度减小，即开关管的导通时间很短。若这个时间小于驱动电路延时与开关管导通延时之和，变换器的输出电压将会出现失控或者输出电压纹波较大，故以Buck变换器最小输出电流Io,min作为电感临界连续电流来设计电感，即以Buck变换器最轻负载RL,max作为电感临界电流来设计电感L.Buck变换器滤波电容C通常是根据输出电压纹波Uo,p-p要求来设计：下面对本安型Buck变换器危险工况进行分析：输出短路情况下：在这种情况下，存在两种情况：当整个保护响应过程处于主开关管Q导通阶段时，储能电感一方面接收来自输入电源的能量，另一方面为放电间隙提供放电能量，电流iL持续线性上升，直至保护电路P的完全保护响应时，储能电感电流从Is1上升至Is2；当整个保护响应过程处于主开关管Q关断阶段时，储能电感为放电间隙提供放电能量，电流iL持续线性下降，直至保护电路P的完全保护响应时，储能电感电流从Is1下降至Is2。如图3所示。整个保护响应过程，滤波电容持续放电，电容电压持续下降，直至保护电路P的完全保护响应时，滤波电容电压达到最小值Us；为了便于分析此处引入假负载的概念，整个保护响应过程，额定负载R和假负载Rd均并联在滤波电容的两端，负载端电压从额定输出电压Uo下降至最小值Us，其吸收的能量大于为了简化计算，负载吸收能量简化为WRs。当整个保护响应过程处于主开关管Q导通阶段时，输出端放电间隙总能量为此阶段，滤波电容为放电间隙直接提供放电能量，电源通过储能电感的电流延缓作用间接为放电间隙提供放电能量，而负载和储能电感吸收部分能量，减小电源和滤波电容向放电间隙提供的放电能量。化简得式中电容和负载对输出端放电间隙总能量的影响不受短路时刻影响，而UiTp-L(Is2-Is1)为常量，且通常情况下UiTp-L(Is2-Is1)>0，即(Is2+Is1)的值越大，Wso越大，故此阶段最危险工况对应为：输入电压最高，额定负载，且Is2为最大电感电流IL,max。当整个保护响应过程处于主开关管Q关断阶段时，输出端放电间隙总能量为同理可知，(Is2+Is1)的值越大，Wsc越大，故此阶段最危险工况对应为：额定负本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种本质安全型Buck变换器设计方法，其特征在于：包括步骤：步骤1：根据给定输入电压、负载动态范围、输出电压以及允许的最大纹波电压的要求设定相应的参数和指标；所述设定的参数包括输入电压、输出电压、输出电流、纹波电压、最大输出电阻和最小输出电阻；步骤2：设置Buck变换器的开关频率；步骤3：计算所述Buck变换器在输出短路最危险工况下和输出开路最危险工况下的输出端放电间隙总能量；步骤4：对所设计的Buck变换器输出本质安全性能进行评判，若所述Buck变换器满足输出本质安全要求则设计结束，否则返回到步骤2重新进行。

【技术特征摘要】
1.一种本质安全型Buck变换器设计方法，其特征在于：包括步骤：步骤1：根据给定输入电压、负载动态范围、输出电压以及允许的最大纹波电压的要求设定相应的参数和指标；所述设定的参数包括输入电压、输出电压、输出电流、纹波电压、最大输出电阻和最小输出电阻；步骤2：设置Buck变换器的开关频率；步骤3：计算所述Buck变换器在输出短路最危险工况下和输出开路最危险工况下的输出端放电间隙总能量；步骤4：对所设计的Buck变换器输出本质安全性能进行评判，若所述Buck变换器满足输出本质安全要求则设计结束，否则返回到步骤2重新进行。2.根据权利要求1所述的本质安全型Buck变换器设计方法，其特征在于：所述步骤3中，所述Buck变换器在输出短路最危险工况下和输出开路最危险工况下的输出端放电间隙总能量的计算如下：输出短路情况下，存在两种情况：当整个保护响应过程处于主开关管Q导通阶段时，储能电感电流iL持续线性上升，直至保护电路P的完全保护响应时，储能电感电流从Is1上升至Is2；当整个保护响应过程处于主开关管Q关断阶段时，储能电感电流iL持续线性下降，直...

【专利技术属性】
技术研发人员：于月森，夏远哲，黄煜茹，张吉阳，吕晓彬，张亚男，张圆明，刘天宁，张帆，石蒙，柳军停，修俊瑞，伍葵，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32