本发明属于开关电源技术领域，尤其涉及一种本质安全型电源及本质安全型变压器。
背景技术：
随着工业发展和自动化技术的进步，工业控制系统的应用场合越来越广泛，其中不乏许多危险易爆区域，故在许多场合下对工业控制系统的安全要求越来越高。
对于在危险区使用的工业控制系统，常见的一种防爆型式是本质安全。本质安全设备需要评估系统中的所有电路，按照本质安全标准要求进行设计。电路中的储能元件是评估、设计的重点和难点，如果储能元件中的大量能量在短时间内突然泄放，极有可能产生高温和火花，成为潜在的点燃源。
在工业控制系统中，开关电源是低功耗电路中常见的、不可或缺的组成部分，其中一个重要部件是变压器，用于升高或降低电压以满足设计输出规格。同时，变压器也是电感，起到储能能量的作用，所以需要加入保护措施，防止电感储存的能量带来危险。但是，目前的变压器不满足本质安全要求。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种本质安全型开关电源及本质安全变压器模块，具体技术方案如下：
一方面，本申请提供了一种本质安全型开关电源，包括：buck电路和本质安全保护电路；
所述buck电路包括可控开关、二极管、电感和输出滤波电容；
所述本质安全保护电路包括均并联于所述电感两端的第一稳压支路和第二稳压支路，且所述第一稳压支路和所述第二稳压支路均用于对所述电感两端的电压进行双向电压箝位；
所述电感、所述本质安全保护电路利用胶封剂胶封成一个整体。
可选地，所述第一稳压支路和所述第二稳压支路均包括两个反向串联的稳压二极管；
所述第一稳压支路中的两个稳压二极管的负极连接，两个稳压二极管的正极作为所述第一稳压支路的两端并联于所述电感两端；
所述第二稳压支路中的两个稳压二极管的负极连接，两个稳压二极管的正极作为所述第二稳压支路的两端并联于所述电感两端。
可选地，所述电感焊接在印刷电路板上，构成所述第一稳压支路的两个稳压二极管和构成所述第二稳压支路的两个稳压二极管均匀设置在所述电感的两侧；
在所述印刷电路板上设置绝缘外壳，所述绝缘外壳与所述印刷电路板之间形成腔体，且所述印刷电路板上设置有进胶口，通过所述进胶口向所述腔体内注入胶封剂形成独立模块。
另一方面，本申请还提供了一种本质安全型开关电源，包括：flybuck电路、第一本质安全保护电路和第二本质安全保护电路；
flybuck电路包括可控开关、二极管、变压器、第一输出滤波电容和第二输出滤波电容；
所述第一本质安全保护电路包括均并联于所述变压器的原边绕组两端的第一稳压支路和第二稳压支路，且所述第一稳压支路和所述第二稳压支路均用于对所述原边绕组两端的电压进行双向电压箝位；
所述第二本质安全保护电路包括均并联于所述副边绕组两端的第三稳压支路和第四稳压支路，且所述第三稳压支路和所述第四稳压支路均用于对所述副边绕组两端的电压进行双向电压箝位；
所述变压器、所述第一本质安全保护电路和所述第二本质安全保护电路利用胶封剂胶封成一个整体。
可选地，每个稳压支路均包括反向串联的两个稳压二极管，且两个稳压二极管的负极连接，两个稳压二极管的正极分别作为该稳压支路的两端。
可选地，所述变压器本体、所述第一本质安全保护电路和所述第二本质安全保护电路均设置在印刷电路板上，且所述第一本质安全保护电路和所述第二本质安全保护电路分别设置在所述变压器本体的两侧；
在所述印刷电路板上设置绝缘外壳，所述绝缘外壳与所述印刷电路板之间形成腔体，且所述印刷电路板上设置有进胶口通过该进胶口向所述腔体内注入胶封剂进行胶封。
再一方面，本申请还提供了一种本质安全型变压器，包括：包含原边绕组、副边绕组的变压器本体、第一本质安全保护电路和第二本质安全保护电路；
所述第一本质安全保护电路包括均并联于所述原边绕组两端的第一稳压支路和第二稳压支路，且所述第一稳压支路和所述第二稳压支路均用于对所述原边绕组两端的电压进行双向电压箝位；
所述第二本质安全保护电路包括均并联于所述副边绕组两端的第三稳压支路和第四稳压支路，且所述第三稳压支路和所述第四稳压支路均用于对所述原边绕组两端的电压进行双向电压箝位；
所述变压器本体、所述第一本质安全保护电路和所述第二本质安全保护电路利用胶封剂胶封成变压器模块。
可选地，每个稳压支路均包括两个反向串联的稳压二极管，且两个稳压二极管的负极连接，两个稳压二极管的正极分别作为该稳压支路的两端。
可选地，所述变压器本体、所述第一本质安全保护电路和所述第二本质安全保护电路均设置在印刷电路板上，且所述第一本质安全保护电路和所述第二本质安全保护电路分别设置在所述变压器本体的两侧；
在所述印刷电路板上设置绝缘外壳，所述绝缘外壳与所述印刷电路板之间形成腔体，且所述印刷电路板上设置有进胶口，通过该进胶口向所述腔体内注入胶封剂形成变压器模块。
本实施例提供的本质安全型开关电源，包括buck电路和本质安全保护电路，其中，buck电路包括可控开关、二极管、电感和输出滤波电容，本质安全保护电路并联于电感两端，用于对电感两端的电压进行箝位，避免电感两端的电压过高导致异常高温或火花；本质安全保护电路包括两个稳压支路，且每个稳压支路都包括两个反向串联的稳压二极管，从而使每个稳压支路均能够实现双向电压箝位作用。而且采用两个稳压支路能够降低保护器件本身发生故障失效导致整个本质安全保护电路失效的风险，因此，进一步提高了开关电源的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一种典型的buck电路的电路图；
图2是buck电路中可控开关闭合后的等效电路图；
图3是buck电路中可控开关关断后的等效电路图；
图4是本申请实施例提供的一种本质安全型开关电源的电路图；
图5是一种典型的flybuck电路的电路图；
图6是本申请实施例提供的另一种本质安全型开关电源的电路图；
图7是本申请实施例提供的一种本质安全型变压器的电路图；
图8是本申请实施例提供的一种变压器模块的侧视图；
图9是本申请实施例提供的一种变压器模块的俯视图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
电气设备用于危险区域时，需要进行防爆设计和认证。本质安全设备是一种电气设备常用的防爆型式。将电气设备设计成本质安全设备需要按标准要求加入针对性地保护电路，且将电路元器件进行胶封。开关电源是低功耗设备常用的电源方案，具有效率高、体积小等优点。但要将开关电源电路应用于危险区域，需要进行针对性地本质安全设计，因为其中的储能器件是潜在的危险点燃源。为此本申请实施例提供了满足本质安全设计要求的开关电源及变压器模块。
一方面，本申请实施例提供了基于buck电路的本质安全型开关电源。
在介绍基于buck电路的本质安全型开关电源之前，首先对buck电路的工作过程进行介绍，如图1所示，一种典型的buck电路包括可控开关s1、二极管d1、电感l1、输出滤波电容c1。
s1的一端连接电源vin的正极，s1的另一端连接l1的一端，l1的另一端连接c1的正极，c1的负极接地，c1作为开关电源的输出端，可以并联连接负载rl。d1的正极接地，d1的负极连接s1和l1的公共端。
s1具有闭合和关断两种状态，当s1闭合时，如图2所示，vin、s1、l1和rl形成闭合回路，vin为l1充电，l1储存能量，此时l1两端的电压vl1为正向。当s1关断时，如图3所示，l1、rl、d1形成闭合回路，l1放电释放能量，此时，l1两端的电压vl1为负向。由此可见，l1两端的电压可能是正向，也可能是负向。
电感两端的电压跟充放电时间、充放电电流有关，充电电流越大、充电时间越长，l1的正向电压上升越快；同理，放电电流越大、放电时间越长，l1两端的负向电压下降得越快。
假设s1或vin发生故障，此时电感l1的充放电管理就会失效，充放电电流、充放电时间都将变得不可控。l1两端的电压可能会不受限制地升高，进一步会导致电感异常高温或火花，这不符合本质安全电路的要求。
为了使基于buck电路的开关电源满足本质安全要求，如图4所示，本实施例提供的本质安全型开关电源在电感l1两端并联有具有电压箝位功能的本质安全保护电路110。
考虑到buck电路中l1两端的电压可能是正向也可能是负向，因此本质安全保护电路110需要具有双向电压箝位功能，即该本质安全保护电路对l1的正向电压和负向电压都能箝位在安全电压范围内。
在本申请的一个实施例中，如图4所示，两个反向串联的稳压二极管能够对正向电压和反向电压进行电压箝位，因此，本质安全保护电路110设置有两个反向串联的稳压二极管(dz1和dz2)，从而实现双向电压箝位功能。
此外，考虑到本质安全保护器件本身也可能发生故障而失效，所以，本质安全保护电路110采用双重化处理，如图4所示，本质安全保护电路110包括第一稳压支路111和第二稳压支路112，且第一稳压支路111和第二稳压支路112均并联于l1两端，而且，第一稳压支路111和第二稳压支路112(包括dz3和dz4)均用于对l1两端的电压进行双向电压箝位。
该本质安全保护电路110设置有两个功能相同的稳压支路能够避免某一个稳压支路内的器件本身故障导致稳压支路失效进而导致电感两端电压失控的现象发生，因此，设置两个功能相同的稳压支路提高了本质安全保护电路的安全性。
同时，将开关电源中潜在的危险点燃源(即，电感)与本质保护电路利用胶封剂胶封成一个整体。
胶封是指将电气设备有可能产生点燃爆炸性混合物的电弧、火花或高温的电气部件胶封在胶封剂中，避免这些电气部件与爆炸性混合物接触，从而使电气设备在正常运行或认可的过载和故障情况下均不能点燃周围的爆炸性混合物。
本质安全标准要求将潜在的危险点燃源和保护电路整体进行胶封，但现有的胶封工艺存在固有缺点，导致手工胶封极易出现空气间隙，而且防爆标准对胶封层的厚度有严格要求，手工胶封工艺很难保证一致性。为此，本申请提供了模块化胶封方式。
本申请实施例提供该模块化胶封方式具体如下：将电感焊接在印刷电路板上，两个稳压支路分别均匀设置在电感两侧，并在印刷电路板上设置绝缘外壳，绝缘外壳与印刷电路板之间形成腔体，电感和本质安全保护电路即设置在该腔体内。而且，印刷电路板上设置有进胶口，通过该进胶口向腔体内注入胶封剂形成独立的模块。
该模块化胶封方式，将待胶封器件设置在一个腔体内，然后向腔体内注入胶封剂，从而实现不同高度的保护器件表面的胶封层厚度一致且提高了空间利用率，减少了待胶封面积，减小整体模块体积，提高胶封质量，降低生产环节难度提高生产效率。
本实施例提供的本质安全型开关电源，buck电路和本质安全保护电路，其中，buck电路包括可控开关、二极管、电感和输出滤波电容，本质安全保护电路并联于电感两端，用于对电感两端的电压进行箝位，避免电感两端的电压过高导致异常高温或火花；本质安全保护电路包括两个稳压支路，且每个稳压支路都包括两个反向串联的稳压二极管，从而使每个稳压支路均能够实现双向电压箝位作用。而且采用两个稳压支路能够降低保护器件本身发生故障失效导致整个本质安全保护电路失效的风险，因此，进一步提高了开关电源的安全性。
另外，flybuck电路是开关电源常用的隔离型降压拓扑，但是，目前没有针对flybuck电路的本质安全设计方案。为此本申请还提供了基于flybuck电路的本质安全型开关电源。
在介绍基于flybuck电路的本质安全型开关电源之前，先介绍flybuck电路的工作原理。
如图5所示，典型的flybuck电路包括：可控开关s1、二极管c1、变压器t、第一输出滤波电容c1和第二输出滤波电容c2，rl1和rl2为等效负载；其中，变压器t包括原边绕组l1和副边绕组l2。。
对比图1所示的buck电路和图5所示的flybuck电路可知，flybuck电路是在buck电路的基础上，加以改进从而得到隔离型直流降压拓扑结构。具体的，将buck电路的电感l1替换为一个双绕组变压器，该双绕组变压器的原边绕组作为buck电路的电感，副边绕组作为副边感应电感，利用电感之间的耦合特性，在副边感应电感上产生感应电流和感应电压，经过整流和滤波后，即可得到隔离型开关电源。
根据上述图2和图3所示的buck电路的两种工作状态可知，flybuck电路中的l1上的电压可能是正向电压，也可能是负向电压。根据电感的耦合特性，当变压器t原边绕组l1的电压为正向电压时，副边绕组l2会在同名端感应出正向电压；当原边绕组l1的电压为负向电压时，l2会在同名端感应出负电压。由此可见，l2两端的电压与l1两端的电压一样，可能是正向电压，也可能是负向电压。因此，适用于原边绕组的本质安全设计同样适用于副边绕组。
如图6所示，基于flybuck电路的本质安全型开关电源包括flybuck电路、第一本质安全保护电路210和第二本质安全保护电路220，其中第一本质安全保护电路210和第二本质安全保护电路220的功能及结构完全相同。
第一本质安全保护电路210包括均并联于原边绕组l1两端的第一稳压支路(即图6中的dz1和dz2反向串联构成)和第二稳压支路(即dz3和dz4反向串联构成)。
其中，每个稳压支路都能实现双向电压箝位，采用双重化双向电压箝位设计能够避免某一个稳压支路内的器件本身故障导致稳压支路失效进而导致电感两端电压失控的现象发生，因此，设置两个功能相同的稳压支路提高了本质安全保护电路的安全性。
第二本质安全保护电路220包括均并联于副边绕组l2两端的第三稳压支路(即dz5和dz6反向串联构成)和第四稳压支路(即dz7和dz8反向串联构成)。
本质安全型开关电源除设计本质安全保护电路之外，还需要将变压器t和保护前路(即第一本质安全保护电路和第二本质安全保护电路)作为一个整体进行胶封形成变压器模块。
另一方面，本申请实施例还提供了一种本质安全型变压器模块，如图7所示，该本质安全型变压器模块包括变压器本体t、第一本质安全保护电路(dz1～dz4)和第二本质安全保护电路(dz5～dz8)，其中，本实施例中的第一、第二本质安全保护电路与图6中的第一、第二本质安全保护电路的结构及功能完全相同，此处不再赘述。
而且，变压器本体t、第一本质安全保护电路和第二本质安全保护电路作为一个整体利用胶封剂进行胶封得到变压器模块。在本申请的一个实施例中，如图8所示，变压器310焊接在印刷电路板320上，并且将第一本质安全保护电路330和第二本质安全保护电路340分别设置在变压器310的两侧。然后，在印刷电路板320上设置绝缘外壳350，绝缘外壳350和印刷电路板320之间形成腔体，变压器和本质安全保护电路即设置在该腔体内。同时，如图9所示，印刷电路板320上设置有进胶口351，通过该进胶口351将胶封剂360(图8所示)注入绝缘外壳350与印刷电路板320形成的腔体内。
此外，该变压器模块的印刷电路板320上预留有金属化过孔，以使该变压器模块支持贴片安装和焊接。
本实施例提供的本质安全型开关电源，包括flybuck电路、第一本质安全保护电路和第二本质安全保护电路，第一本质安全保护电路并联于变压器的原边绕组两端以对原边绕组进行双向电压箝位，第二本质安全保护电路并联于变压器的副边绕组两端，以对副边绕组进行双向电压箝位。而且，本质安全保护电路包括两个稳压支路，且每个稳压支路都包括两个反向串联的稳压二极管，从而使每个稳压支路均能够实现双向电压箝位作用。而且，采用两个稳压支路能够降低保护器件本身发生故障失效导致整个本质安全保护电路失效的风险，因此，进一步提高了开关电源的安全性。
此外，本实施例通过模块化胶封方式得到的变压器模块，将变压器和本质安全保护电路设置在绝缘外壳与印刷电路板形成的腔体内，然后将胶封剂注入腔体内形成胶封后的变压器模块，此种模块化胶封方式能够使不同高度的保护器件表面的胶封层厚度一致且提高了空间利用率，减少了待胶封面积，减小整体模块体积，提高胶封质量，降低生产环节难度提高生产效率。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本申请各实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。
本申请各实施例中的装置及终端中的模块和子模块可以根据实际需要进行合并、划分和删减。
本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的终端，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的终端实施例仅仅是示意性的，例如，模块或子模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个子模块或模块可以结合或者可以集成到另一个模块，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的模块或子模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块或子模块的部件可以是或者也可以不是物理模块或子模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块或子模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块或子模块来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块或子模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块或子模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块或子模块集成在一个模块中。上述集成的模块或子模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块或子模块的形式实现。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
1.一种本质安全型开关电源，其特征在于，包括：buck电路和本质安全保护电路；
所述buck电路包括可控开关、二极管、电感和输出滤波电容；
所述本质安全保护电路包括均并联于所述电感两端的第一稳压支路和第二稳压支路，且所述第一稳压支路和所述第二稳压支路均用于对所述电感两端的电压进行双向电压箝位；
所述电感、所述本质安全保护电路利用胶封剂胶封成一个整体。
2.根据权利要求1所述的本质安全型开关电源，其特征在于，所述第一稳压支路和所述第二稳压支路均包括两个反向串联的稳压二极管；
所述第一稳压支路中的两个稳压二极管的负极连接，两个稳压二极管的正极作为所述第一稳压支路的两端并联于所述电感两端；
所述第二稳压支路中的两个稳压二极管的负极连接，两个稳压二极管的正极作为所述第二稳压支路的两端并联于所述电感两端。
3.根据权利要求2所述的本质安全型开关电源，其特征在于：
所述电感焊接在印刷电路板上，构成所述第一稳压支路的两个稳压二极管和构成所述第二稳压支路的两个稳压二极管均匀设置在所述电感的两侧；
在所述印刷电路板上设置绝缘外壳，所述绝缘外壳与所述印刷电路板之间形成腔体，且所述印刷电路板上设置有进胶口，通过所述进胶口向所述腔体内注入胶封剂形成独立模块。
4.一种本质安全型开关电源，其特征在于，包括：flybuck电路、第一本质安全保护电路和第二本质安全保护电路；
flybuck电路包括可控开关、二极管、变压器、第一输出滤波电容和第二输出滤波电容；
所述第一本质安全保护电路包括均并联于所述变压器的原边绕组两端的第一稳压支路和第二稳压支路，且所述第一稳压支路和所述第二稳压支路均用于对所述原边绕组两端的电压进行双向电压箝位；
所述第二本质安全保护电路包括均并联于所述副边绕组两端的第三稳压支路和第四稳压支路，且所述第三稳压支路和所述第四稳压支路均用于对所述副边绕组两端的电压进行双向电压箝位；
所述变压器、所述第一本质安全保护电路和所述第二本质安全保护电路利用胶封剂胶封成一个整体。
5.根据权利要求4所述的本质安全型开关电源，其特征在于，每个稳压支路均包括反向串联的两个稳压二极管，且两个稳压二极管的负极连接，两个稳压二极管的正极分别作为该稳压支路的两端。
6.根据权利要求5所述的本质安全变压器，其特征在于，所述变压器本体、所述第一本质安全保护电路和所述第二本质安全保护电路均设置在印刷电路板上，且所述第一本质安全保护电路和所述第二本质安全保护电路分别设置在所述变压器本体的两侧；
在所述印刷电路板上设置绝缘外壳，所述绝缘外壳与所述印刷电路板之间形成腔体，且所述印刷电路板上设置有进胶口通过该进胶口向所述腔体内注入胶封剂进行胶封。
7.一种本质安全型变压器，其特征在于，包括：包含原边绕组、副边绕组的变压器本体、第一本质安全保护电路和第二本质安全保护电路；
所述第一本质安全保护电路包括均并联于所述原边绕组两端的第一稳压支路和第二稳压支路，且所述第一稳压支路和所述第二稳压支路均用于对所述原边绕组两端的电压进行双向电压箝位；
所述第二本质安全保护电路包括均并联于所述副边绕组两端的第三稳压支路和第四稳压支路，且所述第三稳压支路和所述第四稳压支路均用于对所述原边绕组两端的电压进行双向电压箝位；
所述变压器本体、所述第一本质安全保护电路和所述第二本质安全保护电路利用胶封剂胶封成变压器模块。
8.根据权利要求7所述的本质安全型变压器，其特征在于，每个稳压支路均包括两个反向串联的稳压二极管，且两个稳压二极管的负极连接，两个稳压二极管的正极分别作为该稳压支路的两端。
9.根据权利要求8所述的本质安全变压器，其特征在于，所述变压器本体、所述第一本质安全保护电路和所述第二本质安全保护电路均设置在印刷电路板上，且所述第一本质安全保护电路和所述第二本质安全保护电路分别设置在所述变压器本体的两侧；
在所述印刷电路板上设置绝缘外壳，所述绝缘外壳与所述印刷电路板之间形成腔体，且所述印刷电路板上设置有进胶口，通过该进胶口向所述腔体内注入胶封剂形成变压器模块。
技术总结