本安電源裝置和包括本安電源裝置的變送器的製作方法

2024-01-24 15:36:15 2

本公開涉及一種本安電源裝置，更具體地，涉及一種利用繞組電壓進行反饋控制的具有寬輸入電壓範圍的本安電源裝置。此外，本公開涉及一種包括本安電源裝置的變送器。
背景技術：
：本安電源裝置即本質安全電源裝置，是用於爆炸性氣體環境的防爆電氣設備，它在極端情況下的放電能量不會點燃爆炸性氣體。因此，要求本安電源裝置具有穩定的電壓輸出，從而儘量避免放電現象。通常，本安電源裝置被供以非本安供電電壓。該非本安供電電壓通常具有較寬的輸入電壓範圍。例如，如果非本安供電電壓的額定值是24vdc，則供電電壓通常在18vdc至30vdc的範圍內波動。出於安全考慮，通常在上述非本安供電電壓的基礎上使用兩個電路級來構造用於為工業系統的本安電路部分供電的本安電源裝置。其中一個電路級用於實現非本安電路部分和本安電路部分之間的隔離，而另一個電路級用於實現反饋穩壓以獲得穩定的本安電源裝置的本安輸出電壓。技術實現要素：在下文中將給出關於本公開的簡要概述，以便提供關於本公開的某些方面的基本理解。應當理解，這個概述並不是關於本公開的窮舉性概述。它並不是意圖確定本公開的關鍵或重要部分，也不是意圖限定本公開的範圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念，以此作為稍後論述的更詳細描述的前序。本公開提出了一種本安電源裝置，其中僅使用一級電路即能夠實現本安電源裝置中的非本安電路部分和本安電路部分之間的隔離功能以及本安電源裝置的反饋穩壓功能二者，同時還具有寬的非本安供電電壓的輸入電壓範圍。根據本公開的一個方面，提供了一種本安電源裝置，其包括：變壓器，具有初級繞組和次級繞組，非本安供電電壓經由開關電路被提供給初級繞組，開關電路控制初級繞組上的電壓；控制單元，其對變壓器的初級繞組上的電壓進行採樣並且基於所採樣的初級繞組上的電壓輸出控制開關電路的開關的控制信號；以及輸出單元，其連接到變壓器的次級繞組並且提供本安輸出電壓。根據本公開的一個實施例，開關電路包括開關電晶體，並且控制信號施加到開關電晶體的控制電極。根據本公開的另一實施例，開關電路包括由開關電晶體構成的全橋電路，並且控制信號施加到構成全橋電路的各個開關電晶體的控制電極。根據本公開的一個實施例，控制單元對變壓器的初級繞組兩端的電壓進行採樣。根據本公開的另一實施例，控制單元對變壓器的初級繞組的特定點處的電壓進行採樣。根據本公開的一個實施例，輸出單元包括與變壓器的次級繞組串聯連接的整流二極體和電容器，本安輸出電壓是電容器兩端的電壓，以及開關電路與整流二極體和電容器構成反激電路。根據本公開的一個實施例，變壓器具有兩個或更多個次級繞組，以及本安電源裝置具有與變壓器的兩個或更多個次級繞組一一對應的兩個或更多個輸出單元，從而能夠提供兩路或更多路本安輸出電壓。根據本公開的另一方面，提供了一種包括上述本安電源裝置的變送器。根據本公開的本安電源裝置能夠簡化電源電路的設計，從而具有結構緊湊、低成本和高效率的優點。附圖說明本公開可以通過參考下文中結合附圖所給出的描述而得到更好的理解，其中在所有附圖中使用了相同或相似的附圖標記來表示相同或者相似的部件。所述附圖連同下面的詳細說明一起包含在本說明書中並且形成本說明書的一部分，而且用來進一步舉例說明本公開的優選實施方式和解釋本公開的原理和優點。圖1是圖示了現有技術的本安電源裝置的電路框圖；圖2是圖示了使用光耦合器o1構成的反饋環路的本安電源裝置的電路框圖；圖3是圖示了根據本公開的一個實施例的本安電源裝置的結構框圖；以及圖4是圖示了根據本公開的實施例的本安電源裝置的一個具體示例的示意性電路圖。具體實施方式在下文中將結合附圖對本公開的示範性實施方式進行描述。為了清楚和簡明起見，在說明書中並未描述實際實施方式的所有特徵。然而，應該了解，在開發任何這種實際實施方式的過程中可以做出很多特定於實施方式的決定，以便實現開發人員的具體目標，並且這些決定可能會隨著實施方式的不同而有所改變。在此，還需要說明的一點是，為了避免因不必要的細節而模糊了本公開，在附圖中僅僅示出了與根據本公開的方案密切相關的裝置結構，而省略了與本公開關係不大的其他細節。以下藉助附圖更為詳細地闡述根據本公開的利用繞組電壓進行反饋控制的寬輸入電壓範圍的本安電源。應理解的是，本公開並不會由於如下參照附圖的描述而只限於所描述的實施形式。圖1圖示了現有技術的本安電源裝置10的電路框圖。圖1中所示的本安電源裝置10被供以例如額定值為24vdc的非本安供電電壓v0。如上文所述，非本安供電電壓v0通常在18vdc至30vdc的範圍內波動。如圖1中所示，本安電源裝置10包括第一電路級st1、第二電路級st2以及控制單元1011和1012。第一電路級st1由開關電路102、變壓器t1和整流電路103構成。具體地，如圖1中所示，非本安供電電壓v0通過開關電路102進行斬波，隨後被施加到用於隔離非本安電路部分和本安電路部分的變壓器t1的初級繞組wp上。這裡，開關電路102例如是由開關s1至s4構成 的全橋電路。這裡所稱的「非本安電路部分」指的是變壓器t1的初級繞組wp側的電路部分，包括開關電路102等。此外，這裡所稱的「本安電路部分」指的是變壓器t1的次級繞組ws側的電路部分，包括整流電路103以及後面描述的第二電路級st2等。開關s1至s4可以是例如開關電晶體，諸如雙極型電晶體。由非本安電路部分側的控制單元1011提供用於控制開關s1至s4的開關的控制信號，從而可以控制變壓器t1的初級繞組wp上的電壓。例如，控制單元1011可以提供施加到各個開關電晶體s1至s4的控制電極的信號。在變壓器t1的次級繞組ws上感生的電壓通過整流電路103進行整流，從而獲得第一電路級st1的輸出電壓v1。例如，整流電路由開關s5和s6以及整流二極體d1和d2構成。由本安電路部分側的控制單元1012提供用於控制開關s5和s6的開關的控制信號。該第一電路級st1用於隔離非本安電路部分和本安電源部分，即用於實現隔離功能。由於第一電路級st1是開環的，因此第一電路級st1的輸出電壓v1會隨著非本安供電電壓v0的變化而變化。考慮到非本安供電電壓v0具有寬的輸入電壓範圍，因而輸出電壓v1是不穩定的。因此，需要在輸出電壓v1之後添加具有反饋穩壓功能的閉環的第二電路級st2。例如，第二電路級st2可以是具有反饋控制的降壓轉換器電路，用於進行本安電源裝置10的輸出電壓調節。該降壓轉換器由開關s7、電感器l1、電容器c1和整流二極體d3構成。由控制單元1012提供用於控制開關s7的開關的控制信號，從而實現穩壓功能。該第二電路級st2用於執行反饋穩壓的功能，從而獲得穩定的本安輸出電壓v2。注意，第一電路級st1中的開關s5和s6以及第二電路級st2中的開關s7與第一電路級st1中的開關s1至s4相似，也可以是例如開關電晶體，諸如雙極型電晶體。控制單元1011可以提供用於控制非本安電路部分中的各個元件，例如開關電晶體s1至s4的控制信號，並且控制單元1012可以提供用於控制本安電路部分中的各個元件，例如開關電晶體s5至s7的控制信號。隨後，第二電路級st2的輸出電壓v2通過例如由保險絲和穩壓管構成的齊納安全柵(未示出)提供給負載使用。如上文所述，在使用非本安供電電壓產生本安輸出電壓時，需要使用兩個電路級st1和st2來分別完成隔離和反饋穩壓的功能，尤其是在第二電路級st2中需要使用體積較大的電感器l1，因而現有技術的本安電源具有結構複雜、體積大和成本高等缺點。為了克服上述缺點，可以考慮在第一電路級st1中加入反饋穩壓的功能，從而能夠在一級電路中同時實現隔離和反饋穩壓。換言之，使得第一電路級st1的輸出電壓v1不隨非本安供電電壓v0的波動以及後端所連接的負載的變化而變化。為此，常用的方案是在第一電路級st1中加入光耦合器用於進行輸出電壓v1的反饋穩壓。圖2示出了使用光耦合器o1構成的反饋環路的本安電源裝置20的電路框圖。在圖1的電路結構的基礎上，為了實現對第一電路級st1的輸出電壓v1的直接穩壓調節並且去除第二電路級st2，加入光耦合器o1用於實現閉環反饋。如圖2中所示，首先通過電壓感測電路模塊204對第一電路級st1的輸出電壓v1進行採樣，並且將採樣信號發送到反饋補償電路模塊205。在反饋補償電路模塊204中經過補償之後，反映輸出電壓v1的狀態的反饋信號fb通過光耦合器o1被輸入到非本安電路部分側的控制單元201。控制單元201根據反饋信號fb提供用於控制開關電路的控制信號。從而實現閉環的反饋控制。然而，與變壓器t1相同，光耦合器o1也需要跨接在非本安電路部分和本安電路部分之間，因而存在對光耦合器o1的作用距離的要求。此外，在光耦合器o1兩側還需要配備電流和電壓保護電路(未示出)。當然，光耦合器o1還必須能夠實現如上文所述的反饋功能。然而，能夠滿足上述要求的光耦合器非常少，而且這樣的光耦合器的成本很高。綜上所述，採用光耦合器雖然能減少一級電路，但是也增加了本安電源裝置的電路複雜度並且提高了成本，因而仍存在對結構簡單和成本低廉的本安電源裝置的需要。圖3圖示了根據本公開的一個實施例的本安電源裝置30的結構框圖。在本公開的實施例中，本安電源裝置30包括：變壓器t1，其具有初 級繞組wp和次級繞組ws，非本安供電電壓v0經由開關電路302被提供給初級繞組wp，開關電路302控制初級繞組wp上的電壓；控制單元301，其對變壓器t1的初級繞組wp上的電壓進行採樣並且基於所採樣的初級繞組wp上的電壓輸出控制開關電路302的開關的控制信號；以及輸出單元303，其連接到變壓器t1的次級繞組ws並且提供本安輸出電壓vo。根據本公開的實施例，在本安電源裝置30的操作中，非本安電路部分側的控制單元301對變壓器t1的初級繞組wp上的電壓進行採樣，作為與輸出電壓vo對應的反饋信號。這樣，控制單元301可以根據該反饋信號控制開關電路302的開關，從而控制初級繞組wp上的電壓，因此實現輸出電壓vo的反饋穩壓。通過這種方式，在一級電路中實現了本安電源裝置的隔離和反饋穩壓二者的功能。作為一個示例，控制單元301可以對變壓器t1的初級繞組wp兩端的電壓採樣，也可以對變壓器t1的初級繞組wp上的特定點處的電壓進行採樣，不論對以上兩個電壓中的哪個電壓採樣作為反饋信號，都可以反映非本安供電電壓v0的變化。圖4圖示了根據本公開的實施例的本安電源裝置30的一個具體示例的示意性電路圖。如圖4中所示，開關電路302可以由例如單個開關s31構成。開關s31可以是開關電晶體，例如雙極型電晶體。控制單元301採集變壓器t1的初級繞組wp兩端的電壓作為反饋信號，並且根據該反饋信號提供用於控制開關s31的開關的控制信號，從而控制初級繞組wp上的電壓。例如，控制單元301可以將控制電壓施加到構成開關s31的雙極型電晶體的作為控制電極的基極。圖4中所示的輸出單元303由電容器c31和整流二極體d31構成。本安電源裝置30的本安輸出電壓是電容器c31兩端的電壓。如圖4中所示，開關s31、電容器c31和二極體d31構成了反激電路，其中開關s31構成反激電路的原邊，電容器c31和二極體d31構成反激電路的副邊。該反激電路在控制單元301的控制下進行操作，使得本安電源裝置30能夠提供穩定的本安輸出電壓vo。例如，圖4中所示的控制單元301可以由凌力爾特公司的器件lt3748實現。此外，還有許多市售器件也能夠用作圖4中所示的控制單元301。 因而，圖4中所示的本安電源裝置具有結構緊湊、低成本和高效率的優勢。表1列出了對於在10vdc至30vdc的範圍內波動的額定值為24vdc的非本安供電電壓v0以及不同的負載電流條件，通過圖4中所示的本安電源裝置30的電路結構獲得的本安輸出電壓vo。非本安供電電壓(v)負載電流條件(ma)本安輸出電壓(v)104013.411020013.29244013.392420013.34304013.373020013.33表1：不同的非本安供電電壓和不同的負載電流條件下的本安輸出電壓如從表1所見，即便非本安供電電壓v0在10vdc至30vdc的範圍內波動，負載電流在40ma和200ma的範圍內波動，本安電源裝置30的電路結構獲得的本安輸出電壓vo仍是極為穩定的。因而，根據本公開的本安電源裝置具有寬的輸入電壓範圍。在圖3和4中，變壓器t1僅具有一個次級繞組，並且本安電源裝置30僅具有一個輸出單元303，用於提供一路本安輸出電壓。然而，本公開不限於此。變壓器t1也可以具有兩個或更多個次級繞組，以及本安電源裝置具有與變壓器的兩個或更多個次級繞組一一對應的兩個或更多個輸出單元，從而能夠提供兩路或更多路本安輸出電壓。作為另一實施方式，開關電路302也可以由如圖1中所示的包括四個開關s1至s4的全橋電路構成。如圖4中所示，較之圖1和圖2中所示的本安電源裝置的電路結構，本公開的電路結構不需要圖1中所示的用於反饋穩壓的第二電路級，也不需要如圖2中所示的用於反饋的光耦合器，因而具有結構簡單、成本降低、效率提高的顯著優點，而且還具有寬的輸入電壓範圍。根據本公開的本安電源裝置可以廣泛地應用於各種工業領域。特別地，儘管以上結合附圖描述了本公開的本安電源裝置，但是本公開還涉及一種變送器，其可以包括如上文所述的本安電源裝置，由該本安電源裝置為該變送器供電，從而使變送器相應地獲得了如上文所述的技術效果。儘管上面已經通過對本公開的具體實施例的描述對本公開進行了披露，但是，應該理解，本領域的技術人員可在所附權利要求的精神和範圍內設計對本公開的各種修改、改進或者等同物。這些修改、改進或者等同物也應當被認為包括在本公開的保護範圍內。應該強調，術語「包括/包含」在本文使用時指特徵、要素、步驟或組件的存在，但並不排除一個或更多個其它特徵、要素、步驟或組件的存在或附加。涉及序數的術語「第一」，「第二」等並不表示這些術語所限定的特徵、要素、步驟或組件的實施順序或者重要性程度，而僅僅是為了描述清楚起見而用於在這些特徵、要素、步驟或組件之間進行標識。當前第1頁12