環境空氣質量檢測儀電源系統設計

王詩斌，汪永強

（北京英視睿達科技有限公司，北京 100071）

0 引 言

環境空氣質量檢測儀是監測大氣環境中PM2.5、PM10顆粒物濃度，SO2、NO2、O3、CO及TVOC污染物氣體濃度與風速、風向氣象參數的產品。產品采用ARM處理器，利用物聯網、智能型傳感器及GPRS無線通信技術，實時采集數據，并將數據傳輸到云端服務器上。產品是集光學、電化學、機械、物聯網、通信、電子及計算機技術于一體的新型設備，其中產品的電源系統設計是最基礎、最重要的一環，電源系統的設計直接影響產品運行的可靠性和性能指標的實現。

電源系統是將一次電源系統（電池和太陽能供電）提供的+48 V直流電源變換成產品所需要的電壓。電壓的質量對不同部件工作的穩定性和可靠性將產生重要影響[1]。同時要保證產品較高的可靠性，產品設計需要考慮其工作環境[2]。本文通過分析產品的工作環境，使設計的電源系統在滿足性能要求的同時，達到較高的穩定性、可靠性和抗干擾性。

1 設備工作環境分析

環境空氣質量檢測儀工作環境多樣，既可安裝在子站，也可安裝在工廠、工地、港口、道路交通、散煤燃燒、散亂污企業及餐飲密集區等。為適應各種工作環境，設計時必須考慮電路保護問題。

2 設備保護電路設計

2.1 保護電路設計一般原則

根據產品的工作環境，輸入保護電路應考慮以下功能[3]。

（1）輸入電源防接反設計。防止產品電源正負極接反而損壞。

（2）抑制浪涌。防止產品加斷電產生的浪涌。（3）防雷設計。防止產品雷擊損壞。

（4）電源濾波設計。防止產品的電源變換器開關噪聲等污染系統電源品質。

（5）故障隔離設計。當出現短路時，能將故障隔離，防止故障范圍擴大。

2.2 整體電路設計

整體電路設計如圖1所示。

3 電源系統的設計

3.1 輸入防接反設計

空氣質量檢測儀是直流供電的設備，若電源接反，

圖1 設計框圖

會導致設備內部電路燒壞。因此，采用MOS管型防反接保護電路。MOS管通過S管腳和D管腳串接于電源和負載之間，電阻Rg為MOS管提供電壓偏置，利用MOS管的開關特性控制電路的導通和斷開，從而防止電源反接給負載帶來損壞。輸入防接反設計如圖2所示。

3.2 防浪涌設計

產品內有電源變換器，輸入端連接小電感、大電容的濾波器，在開機瞬間會流過很大的浪涌電流，是正常輸入電流的幾倍甚至幾十倍。因此必須采取措施降低浪涌電流的幅度。為抑制一次電源加電時產生的浪涌電流，本設計采用串聯電感和續流二極管抑制浪涌電流。采用浪涌抑制電路前后測試浪涌電流如圖3和圖4所示。

圖2 輸入防接反設計

圖3 未采取任何措施測試浪涌電流

圖4 采用浪涌抑制電路測試浪涌電流

3.3 直流防雷設計

雷電具有高電壓、大電流及瞬時性特征，強大的閃電向其通道外釋放數百兆焦耳能量，產生靜電場、電磁場及電磁輻射。本產品采用防雷器HM-48DC/2串聯在電路中，防止雷電能量作用于產品。

本設備采用直流電源防雷器HM-48DC/2，電路設計如圖5所示。

圖5 直流防雷電路設計

3.4 濾波設計

產品內有電源模塊，把直流轉換為高頻交流，再把高頻交流轉換為直流，轉換過程中容易形成噪聲。本產品電源輸入端接上濾波器，可抑制電源模塊產生的噪聲影響電源品質[4]。在EMC試驗室進行了10 kHz～18 GHz電場輻射發射控制，測試結果如圖6和圖7所示。測試結果滿足GB/T17626.5的要求[5]。

圖6 10 kHz～1 GHz電場輻射發射

圖7 1 GHz～18 GHz電場輻射發射

3.5 故障隔離設計

當設備電源或后級電路出現短路時，選用電子開關能將該設備從系統供電連接中斷開，防止設備短路，將故障范圍擴大。根據系統電源需求和負載情況，選用兩種電子開關，12 V使用TPS2421，5 V使用TPS2560。

4 結 論

本文闡述了基于物聯網的空氣質量檢測儀電源系統保護電路設計，結合工程實踐，對環境空氣質量檢測儀使用場景進行了分析，給出了環境空氣質量檢測儀設備電源保護電路方案，對防反接、防浪涌、防雷及濾波進行了詳細設計。