Buck－Boost型本安超声驱动系统设计

王　宇，孔维正，靳宝全，张红娟，王　东

(太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，山西太原　030024)



Buck－Boost型本安超声驱动系统设计

王宇，孔维正，靳宝全，张红娟，王东

(太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，山西太原030024)

摘要:针对常规超声设备非本质安全问题，提出了一种基于降压升压(Buck－Boost)变换器输出与多通道复用高压切换方法相融合的本质安全型超声驱动系统。首先通过计算驱动系统中储能元件的最小点燃能量来分析系统的本安性能，对Buck－Boost电路的元件参数进行了本安化研究，再设计出满足本安要求的供电单元、升压单元、切换单元和控制单元的电路结构，最后通过超声驱动平台实验验证驱动系统的实际效果，并与传统的中频变压器驱动系统进行对比。结果表明，在16～36 V驱动电压下两种系统驱动效果接近，采用灵敏超声探头检测两种驱动系统发射信号的绝对误差可控制在4 mV以内，由此判定Buck－Boost电路基本实现了超声驱动的本质安全要求，可对各类在危险环境下应用的超声波接收与发送设备提供参考。

关键词:Buck－Boost;本质安全;超声驱动

王宇，孔维正，靳宝全，等．Buck－Boost型本安超声驱动系统设计［J］．煤炭学报，2016，41(6):1582－1588．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2016．0229

Wang Yu，Kong Weizheng，Jin Baoquan，et al．The design of intrinsic safety Buck-Boost ultrasonic driving system［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1582－1588．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2016．0229

超声波具有不受光线影响、抗电磁干扰等优点，适用于高湿度、强腐蚀、多灰尘等各类特殊工业现场中的物位测量、机械手控制、倒车雷达和机器人避障等［1－4］。煤矿井下存在较多的燃爆性气体，电气电子设备和煤矿开采设备必须进行防爆设计，以满足安全生产的需求［5－8］。各类超声系统在矿井下工作时，由于机械能－电能转换效率受限，驱动超声波换能器需要提供较大的供电电压。传统方法是利用中频变压器进行升压驱动，由于中频变压器初级和次级线圈互感电感值很大，工作时中频变压器两级电感线圈瞬间储存很高电能［9］，其发生故障时释放的能量会远高于环境中物质的最小点燃能量，从而引燃煤矿井下的易燃易爆气体，造成安全事故。为此，基于中频变压器升压驱动的超声波电路在矿井下使用时通常采用隔爆外壳将驱动系统与外界易燃易爆气体隔离开来。

目前，本质安全设备因其安全性最好、使用最方便而成为最佳的防爆手段［10－11］，同时可省去隔爆外壳及其他复杂结构，兼有质量轻、尺寸小、成本低等诸多优点［12－13］。但针对超声波应用场合而进行本质安全设计与分析的设备数量极少，为此开展了基于降压升压(Buck－Boost)变换器的升压技术研究，以期替代传统的中频变压器升压技术。

Buck－Boost变换器输出电压与输入电压极性相反，可方便地实现升压输出，被广泛应用于电力、通信及仪器仪表等领域，并受到研究人员的广泛关注［14－15］。本文通过分析Buck－Boost变化器在电流连续模式(CCM)和电流断续模式(DCM)下的短路释放能量，得出变换器在驱动超声波换能器负载时的最大短路电流，以此作为电路本质安全判断依据。随后以Buck－Boost DC－DC［16］电路为基础，配合高压切换芯片，设计出一种本质安全型超声驱动系统，对于各类在危险环境下应用的超声波设备具有重要参考意义。

1　中频变压器驱动电路本安分析

图1为隔爆超声驱动系统及其电路和波形。其图1(a)为中频变压器升压型超声驱动装置，图1(b)为中频变压器升压驱动电路，其中，Vi为初级电路电压;Ri为初级调理电阻;Li为中频变压器初级电感;Lo为中频变压器次级电感;Vo为电感Lo输出电压;R1为次级电路调理电阻;Lm，Rm，Cm为换能器T的动态支路电感、电阻、电容;Co为换能器T静态支路电容。图1(c)为中频变压器两级电压图形，Vq为驱动脉冲电压;Vt为三极管BJT集电极电压。

图1　隔爆型中频变压器超声驱动系统及其电路和波形Fig.1　Flame proof ultrasonic driving system based on interme diate-frequency transformer and its circuit and waveforms

低压驱动脉冲经过电感Lo和电阻Ri调理后经中频变压器升压输出高电压送入换能器，由于中频变压器两级电感线圈的非线性电感特征［17－18］，励磁电流急剧上升时，会瞬间释放或存储大量电能。

电感储能公式如下:

其中，L为电感;I为流经电感L电流。依据图1(b)电路，计算出中频变压器初级电感电流Ii和中频变压器次级电流Io如下:

其中，f为驱动信号频率，由式(1)，(2)计算出中频变压器初级电感Li储能Wi和中频变压器次级电感Lo储能Wo为

中频变压器驱动电路参数如下:Vi=5 V，Ri= 1 kΩ，Li=1.5 mH，Vo=50 V，Lo=12 mH，R1=2 kΩ，f=40 kHz，Rm=200 Ω。对电路进行本安分析应考虑安全系数 k［4］，一般 k=1.5。由此计算出:kIi= 0.008 A，kIo=0.5 A;Wi=6 μJ，Wo=1.5 mJ，电感电路最小点燃电流和I类(甲烷－空气)点燃最小能量［4］: Imin=0.145 A，Wmin=0.28 mJ，对比可得:kIoImin，WoWmin。

由此分析计算可知中频变压器升压驱动电路明显不符合本质安全特性要求。

2　Buck－Boost变换电路分析与设计

Buck－Boost变换拓扑结构电路如图2所示，其中，Ui为输入直流电压;S为开关管，负责整个电路的通断;D为二极管;C，L分别为电容、电感;U0为输出电压;RL为负载电阻。

图2　Buck－Boost变换电路Fig.2　Buck-Boost transforming circuit

当开关S导通时，由于二极管D的反相截止功能，电源Ui向电感L供电;当S关断时，电感电流iL通过二极管D正向导通续流，向负载供电。当S导通和关断时间不同时，在L两端电压不同，即输出电压Uo与输入电压Ui不同。

若一个开关周期Ts结束时，流经电感L电流iL＞0，则认为变换器工作于电流连续模式(CCM);反之，开关周期Ts结束时iL=0，则认为变换器工作于电流断续模式(DCM)。Buck－Boost变换器工作于CCM 和DCM的临界电感［19］表达式如下:

式中，DR(Duty Ratio)为开关S闭合与断开时间比;f0为开关频率。

2.1Buck－Boost负载换能器最大电感电流分析

由图1(b)换能器T的等效电路可知，当超声波换能器不驱动时，T对外为静态支路容性负载，T的阻抗无穷大，设换能器等效静态阻抗为 Z0，此时Buck－Boost变换电路负载超声波换能器T等效电路如图3(a)所示。

当超声波换能器的驱动频率等于其谐振频率时，由图1(b)可知，驱动时换能器T的动态支路工作，此时换能器阻抗最小，设此时换能器等效动态阻抗为Zm，Buck－Boost变换电路负载超声波换能器T等效电路如图3(b)所示。

依据以上分析，Buck－Boost变换电路负载换能器的阻抗变化范围为:Zm≤ZL≤Z0。设ZLC为Buck－Boost变换电路L=LC时，变换器工作在DCM和CCM的临界阻抗，由式(4)计算出阻抗ZLC为

图3　非驱动状态和驱动状态下，负载为超声换能器时Buck－Boost等效电路Fig.3　Buck-Boost equivalent circuit while the load is ultrasonic transducer for the case of non-driving state and driving state

设Buck－Boost变换电路输入电压范围为Ui－min≤Ui≤Ui－max，而Buck－Boost变换电路负载阻抗变换范围为Zm≤ZL≤Z0，依据式(5)可得Buck－Boost变换电路的ZL－Ui关系如图4所示。

图4　ZL－Ui关系曲线Fig.4　Relationship graph of ZL－Ui

由图4可以看出:当换能器不驱动时，负载阻抗Z0＞ZLC，Buck－Boost变换负载电路工作在DCM模式;驱动时，负载阻抗ZLC＞Zm，负载电路工作在CCM模式;因此可以知道在整个驱动前后动态变化范围内，流过Buck－Boost变换负载电路电感的最大电流Imax［20］如下:

其中，Ui－min为最小输入电压，由式(6)可以看出，最大电流Imax与输入电压Ui和电感L有关。当电路输入电压Ui增大时，最大电流Imax减小;当电感L增大时，最大电流Imax减小。因此通过改变输入电压Ui和电路电感L参数可以设计出所需Buck－Boost负载超声波换能器电路，使其达到本质安全的要求。

2.2Buck－Boost负载换能器储能电感分析

由2.1节得到Buck－Boost电路负载换能器T的最大电感电流Imax，得到整个驱动前后动态范围内电路最大能量如下:

其中，Co为输出电压滤波电容。为使驱动电路达到本质安全规则要求，驱动电路最大能量应该小于I 类(甲烷－空气)点燃最小能量Wmin，即:Wmax＜Wmin，代入式(7)有不等式:

由此计算出电感L取值范围如下:

式(9)中参数a，b，c的表达式如下:

可以看出电路电感L取值和Co有关，在输出电压Uo不考虑纹波要求时Co［20］选取如下:

其中，CB为电容性电路最小点燃电流曲线中Imax对应的电路最大电容［5］，由式(6)，(8)～(11)可得LCo函数曲线如图5所示，y1为式(11)，y2为式(8)。

图5　L－Co关系曲线Fig.5　Relationship graph of L－Co

2.3Buck－Boost电路设计

按照2.2节中电路参数计算要求，设计了基于芯片Max5025的Buck－Boost电路，如图6所示，其中虚线框内为芯片Max5025内部结构。

Max5025的参数选择为Ui－min=4.5 V，Uo=36 V。当CB=4 μF，WK=0.28 mJ时，由式(8)可以计算电感L取值范围为:12.7≤L≤195.4 μH。当电感L取最小值12.7 μH时，由式(11)得到的Co最大值为3.93 μF，设计电路如图6所示。

图6　基于Max5025的Buck－Boost电路Fig.6　Buck-Boost circuit based on Max5025

主要器件设计参数见表1，当选取如下参数时，所设计Buck－Boost电路负载换能器电路符合本质安全要求。输出电压VOUT可调，与电阻R1，R2，R3和芯片内部参考电压VREF(其中VREF=1.25 V)存在如下关系:

表1　Buck－Boost变换电路设计参数Table 1　Designed parameters of Buck-Boost circuit

3　Buck－Boost本安驱动电路实现

3.1Buck－Boost驱动总电路

驱动电路如图7所示，电路分为4个单元:供电单元、升压单元、切换单元和控制单元。图7中红线为电压流向:供电单元给控制单元和升压单元供电，升压单元给切换单元供电。蓝线为控制流向:单片机通过引脚 P1.0，P1.1对切换单元控制，通过引脚P1.2对升压单元控制。

(1)供电单元。

外部DC电压驱动芯片LM7809可实现转压功能。LM7809输出电压经芯片Ams117－3.3降压后可供电给需要较小直流电压的单片机。由于LM7809输出电压接近Max5025输入电压Vin的最大值，依据2.1节的结论可知Buck－Boost电路更容易达到本安要求。

图7　Buck-Boost驱动超声换能器整体电路Fig.7　Whole Buck-Boost circuit while driving the ultrasonic transducer

(2)升压单元。

依照图 6中 Buck－Boost电路，Max5025引脚SHDN为变换控制引脚，对 SHDN置高电平时Max5025启动升压转换，反之低电平时停止转换。

(3)切换单元。

Max14753为一种高压型多通道复用器芯片，能够完成低压控制信号对高压信号的选通，通过对输入控制端口S0，S1施加不同电平以实现引脚OUTA和OUTB对相应引脚INAx和INBx的选通。

(4)控制单元。

单片机MSP430F5438A作为控制单元，该类型单片机供电电压低、功耗小，能够对超声驱动的所需高频切换信号进行精确控制。

3.2驱动电路控制时序

具体驱动控制时序如图8所示，TA为整个周期，TB为一个脉冲周期，TC为驱动时段。一个驱动周期开始时，单片机置P1.2=1来控制SHDN的电平，从而启动Buck－Boost电路的升压转换功能。在一个脉冲周期TB的前半个驱动周期，置引脚P1.0=0和P1.1=1，引脚OUTA选择引脚INA0，引脚OUTB选择引脚INB0。图7中，引脚INA0电压值等同VOUT，引脚INB0电压值为0，这时换能器正端连VOUT的高压，负端接地，并持续半个脉冲时间，即 1/2×TB= 12.5 μs。

在一个脉冲周期TB的后半个驱动周期，置引脚P1.0=1和P1.1=0，引脚OUTA选择引脚INA1，引脚OUTB选择引脚INB1。图7中，INA1电压值为0，引脚INB1电压值为VOUT。换能器正端接地，负端连接VOUT的高压，并持续1/2×TB=12.5 μs。

经过脉冲数量N为16个TB的周期之后，具有频率f=40 kHz和幅值为VOUT的一串高压驱动脉冲被送入换能器，驱动换能器发射出超声波。

4　实验验证

4.1实验设计

为验证驱动电路的驱动效果，搭建了实验平台如图9所示，图9(a)中，a0输出可调直流电源;b0为中频变压器驱动电路板;a1为本安直流电源;b1为Buck－Boost驱动电路板;c1为滑动电阻器。

图9　超声驱动实验装置Fig.9　Experiment setup of ultrasonic driving

图9(b)为实物，将收发一体防水型换能器作为发射换能器T，具有超声波接收功能的灵敏探头作为接收换能器R，T和R高度相同，正对放置在精密光学导轨上且水平相隔50 cm。实验操作过程如下:

①用单片机MSP430F5438A控制Buck－Boost升压电路负载换能器T，采用换能器R作为接收端并使用示波器检测R端口信号幅值VR大小。

②通过a1改变R1数值，使Buck－Boost电路输出电压VOUT每隔2 V输出，并依次测量VOUT不同时所对应换能器R端口信号幅值VR。选取了VOUT为16，26，36 V时驱动波形和相应检测波形VR，如图10所示。

图10　VOUT为16，26和36 V时驱动波形和检测波形Fig.10　Driving waveforms and detection waveforms while VOUTis 16，26 and 36 V

③按照图9(b)电路，用中频变压器升压驱动电路负载相同换能器T，利用a0逐步改变输入Vi，使驱动电压Vo每隔2 V增加，测量Vo不同时对应V'R。

④将步骤②，③重复3次并将VR与V'R取平均值，作差取绝对值得到VR与V'R的绝对误差。

4.2实验数据分析

VR与V'R数据对比得到图11。由图11分析可得到:采用Buck－Boost驱动电路和中频变压器升压驱动两种驱动方式驱动能力随着驱动电压的增大而增大，呈现良好的线性效果。同时最大输出电压V'R与VR的绝对差值控制在4 mV以内，由此判定采用此种Buck－Boost驱动的驱动效果与中频变压器升压驱动效果相差不大，说明采用Buck－Boost电路驱动能力良好。

图11　两种驱动效果对比Fig.11　Comparison results of two driving systems

5　结　　论

(1)通过对Buck－Boost电感L和输出电压电容的参数设计可以实现Buck－Boost电路负载超声波换能器的本安设计，计算分析表明Buck－Boost输入电压越大，电路越容易达到本安要求。

(2)Buck－Boost驱动电路可以实现16～36 V范围内对收发一体防水型超声波换能器的有效驱动，此种驱动方法和中频变压器升压驱动方法效果相近，但是Buck－Boost驱动电路可以36 V以内达到本安要求。

(3)由于各种超声电路最难达到本安要求的是驱动电路部分，所设计的本质安全型超声驱动系统为各种超声设备实现本安要求提供了非常有利的基础，使超声波测距系统在煤矿等恶劣复杂环境下得到更为广阔的应用。

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中图分类号:TB552

文献标志码:A

文章编号:0253－9993(2016)06－1582－07

收稿日期:2016－02－26修回日期:2016－05－19责任编辑:许书阁

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51504161)

作者简介:王宇(1986—)，男，山西忻州人，讲师，博士。E－mail:wangyu@tyut.edu.cn。通讯作者:靳宝全(1972—)，男，山西忻州人，教授，博士。E－mail:jbq_007@163.com

The design of intrinsic safety Buck-Boost ultrasonic driving system

WANG Yu，KONG Wei-zheng，JIN Bao-quan，ZHANG Hong-juan，WANG Dong
(Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control System，Ministry of Education and Shanxi Province，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

Abstract:In terms of the none intrinsic safety problem of conventional ultrasonic equipment，a novel intrinsic safety ultrasonic driving system is proposed based on the integration of Buck-Boost converter output and multiplexing high voltage switching circuit．The intrinsic safety property of the system is analyzed with the calculation of minimum ignition energy of the energy storage component of driving circuit．Also，the intrinsic safety component parameters of Buck-Boost circuit is studied．The design of the circuit structure is applied according to intrinsic safety requirements，including the power supply unit，boosting unit，switching unit and controlling unit．In addition，the ultrasonic driving experiment is carried out to verify the actual driving effect and the comparison with the conventional intermediate-frequency transformer driving system is also applied．The results show that two driving systems can achieve the similar effect while the driving voltage varies from 16 to 36 V，and the absolute voltage error is within the range of 4 mV by means of the signal detection of two driving systems with the sensitive probe．Thus，the intrinsic safety requirements can be satisfied by this novel driving system based on the Buck-Boost circuit，which is of significance to different ultrasonic equipment in dangerous environment．

Key words:Buck-Boost;intrinsic safety;ultrasonic driving