一種新型礦用本質(zhì)安全型電源設(shè)計

石建華，王玉慶，張宏賓

(1.河南德信職業(yè)衛(wèi)生技術(shù)咨詢服務(wù)有限公司，河南 鄭州 450042；2.河南廣播電視大學(xué)機電工程系，河南 鄭州 450046；3.河南省天盾安全生產(chǎn)技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450042)

一種新型礦用本質(zhì)安全型電源設(shè)計

石建華1，王玉慶2，張宏賓3

(1.河南德信職業(yè)衛(wèi)生技術(shù)咨詢服務(wù)有限公司，河南 鄭州 450042；2.河南廣播電視大學(xué)機電工程系，河南 鄭州 450046；3.河南省天盾安全生產(chǎn)技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450042)

根據(jù)煤礦井下常用的隔爆兼本安電源的功能要求，參照ExibI本安防爆的基本標(biāo)準(zhǔn)、本安電源的工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的基本要求，利用浪涌抑制器芯片LT4356作為過壓過流保護器件，采用雙重過壓過流保護電路,設(shè)計了一種具有自動恢復(fù)功能、欠壓饋電檢測功能、電源輸出為雙路 18V/1A的本安電源。在實際使用中,它具有輸出可靠、帶負(fù)載能力強、體積小、裝配調(diào)試簡單、安裝方便等優(yōu)點。

本質(zhì)安全；浪涌抑制器；過壓過流保護電路

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，煤礦井下作業(yè)環(huán)境中使用自動化設(shè)備的程度越來越高，各種檢測儀表大量涌現(xiàn)，致使本安電源在礦井中的使用越來越頻繁,同時對其參數(shù)要求和使用要求也越來越高。目前在煤礦井下本安電源已經(jīng)是一個不可替代的安全供電設(shè)備。通常情況下，煤礦井下存在瓦斯等爆炸性氣體，各種儀表都要求本安設(shè)計，但是在供電過程中，也需要本安電源來供電，以達(dá)到安全要求。這就要求本安電源在設(shè)計過程中一定要考慮到電路中電壓、電流以及功率等情況，某些特殊應(yīng)用還需要考慮到保護的速度等情況，作好充分的保護工作，以防止過壓或過流以及保護不及時而產(chǎn)生井下瓦斯氣體爆炸等情況，造成不必要的人員和財產(chǎn)損失[5]。

本質(zhì)安全型電源即本安電源,由于它通常有一個隔爆外殼，所以也叫做隔爆兼本安電源。在中國防爆國標(biāo)和煤礦行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對本安輸出特點有詳細(xì)規(guī)定。主要有：(1)輸出的電壓電流不能點燃周圍的可燃?xì)怏w；(2)本安與非本安之間必須有可靠的隔離[2]；(3)輸出保護必須采用雙重保護機制[3]；(4)有后備電源的要求采用安全系數(shù)高的環(huán)保型鎳氫或磷酸鐵鋰電池,并同時滿足GB3836.4-2010中第 10條和 MT/T1051-2007《礦燈用鋰離子蓄電池》的安全規(guī)定[4]。上述這些要求同時也給設(shè)計本安電源提供了努力的方向。

1 系統(tǒng)原理

本文中介紹的本安電源是帶有后備電池的本安電源，根據(jù)國家煤礦行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的使用要求，隔爆兼本安電源的組成部分大致包括：隔爆外殼、變壓器、交直流變換電路、直流穩(wěn)壓電路、電池管理電路、后備電池、一級過壓過流保護、二級過壓過流保護。電池考慮到安全性和環(huán)保性，本設(shè)計采用了 24 V/5 Ah磷酸鐵鋰電池。系統(tǒng)工作原理框圖如1所示。

圖1 系統(tǒng)原理

其工作原理為：井下高壓電源通過變壓器降壓，低壓交流電經(jīng)過交直流變換穩(wěn)壓后，經(jīng)過一級過壓過流保護，再經(jīng)過二級過壓過流保護后輸出 18 V/1 A的電源。當(dāng)外供電臨時斷電后，后備電池供電，經(jīng)過直流穩(wěn)壓電路，然后再經(jīng)過一、二級過壓過流保護電路輸出18 V/1 A的電源。當(dāng)外供電正常時，外供電對電池充電。當(dāng)電池供電時，可以滿負(fù)荷供電2.5 h以上，完全滿足安全監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

2 方案設(shè)計

2.1 變壓器及交直流變換

變壓器是一個比較重要的環(huán)節(jié)，它既可以作為高壓變低壓的轉(zhuǎn)換器件，也可以作為本安與非本安的中間隔離器件。應(yīng)當(dāng)選用隔離耐壓較高，漏磁小，噪聲小的R型變壓器。由于井下一般的照明電是127 V，動力電為380 V、660 V、1 140 V幾種，為了滿足不同的電壓輸入通常采用多頭輸入的變壓器，這樣使用性更強。在變壓器輸出后再通過整流橋濾波電路輸出32 V左右的電壓。具體電路如圖2所示。

圖2 交直流變換電路

2.2 直流穩(wěn)壓電路

經(jīng)過整流變換的電源信號紋波較大，還必須進(jìn)行穩(wěn)壓和濾波處理，獲得較為理想的直流信號，并將其做為整個系統(tǒng)的輸入直流電源。本設(shè)計采用國產(chǎn)的大功率DC/DC電源模塊XL4015，此模塊輸入電壓8 V~36 V，輸出1.25 V~32 V可調(diào)，最大輸出電流 5 A。同樣滿足GB3836.4規(guī)定的1.5倍的功率余量設(shè)計。電路圖如圖3所示。

圖3 直流穩(wěn)壓電路

2.3 保護電路

傳統(tǒng)的過壓過流保護措施是先調(diào)整好合適的電壓電流閾值，通過采樣電阻采樣，然后將信號送給比較器，進(jìn)行正常的保護功能。這個方法在生產(chǎn)調(diào)試時操作復(fù)雜，有時電位器發(fā)生偏移也容易導(dǎo)致閾值發(fā)生偏移，存在諸多隱患。

本設(shè)計采用先進(jìn)的浪涌抑制器芯片 LT4356和場效應(yīng)管 IRF2805為核心器件設(shè)計過壓過流保護電路。LT4356是凌特（LT）公司生產(chǎn)的一款具有故障鎖斷功能的浪涌抑制器，該器件能同時進(jìn)行過壓和過流保護，工作電壓范圍可到 4 V~80 V，在不對自身和負(fù)載造成損壞的前提下提供-60 V的反向輸入保護、輸出電壓檢測，集檢測保護于一體，既提高了系統(tǒng)的可靠性，也簡化了調(diào)試操作，提高了生產(chǎn)效率。下面詳細(xì)介紹電路的設(shè)計情況[1]。

2.3.1 過流保護設(shè)計

如圖4所示，直流電源輸入到LT4356后通過RSNS進(jìn)行采樣，當(dāng)RSNS兩端的壓降控制LT4356的GATE端以實現(xiàn)過流保護功能。采樣電阻兩端VCC和SNS端的壓降和內(nèi)部50 mV基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)采樣電阻壓降大于50 mV時，電路進(jìn)入過流保護。SNS端最低還能夠工作在-60 V，SNS端和VCC端的壓降不能超過30 V。本文介紹的電源是 18 V/1 A的電流，故可以計算出[1]：

RSNS=50 mV/1 A=50 mΩ

圖4 過壓過流保護電路

2.3.2 過壓保護設(shè)計

LT4356的一個重要作用就是浪涌抑制，它內(nèi)部可以設(shè)置一個箝位電壓，當(dāng)電壓超過箝位電壓時，LT4356起作用，保證輸出電壓在箝位電壓以下。本文就是利用這個功能來達(dá)到過壓保護的設(shè)計目的。如圖4所示，LT4356有一個FB端，它內(nèi)部連接一個電壓比較器，F(xiàn)B端的反饋電壓和內(nèi)部的 1.25 V基準(zhǔn)電壓比較來控制芯片GATE的輸出，GATE端和外部的MOS管的柵極連接來控制電壓的輸出。當(dāng)電壓超過設(shè)定值時，MOS管關(guān)斷以實現(xiàn)過壓保護功能。R1和R2兩個電阻分壓后，連接到FB端，發(fā)生過壓時，芯片即進(jìn)入故障狀態(tài)，在故障周期內(nèi)，GATE端控制MOSFET繼續(xù)保持導(dǎo)通，直到時間超過故障設(shè)定的時間，GATE端控制MOSFET關(guān)斷，進(jìn)入保護狀態(tài)[6]。計算 R1、R2的值使用如下方法：

浪涌抑制箝位電壓VREG=1.25×(R1+R2)/R2，輸出的本安電源是18 V，所以，箝位電壓VREG=1.25×(R1+R2)/R2= 18 V，R1=13.4R2。

考慮到故障時經(jīng)過 R2的電流一般控制在0.2 mA～1 mA之間，電源本身有一定的穩(wěn)定度，而且對保護電壓也要有一定的余量，避免頻繁誤動作，取R2=1.5 kΩ，計算出 R1=20.1 kΩ，選 R1=22 kΩ，此時設(shè)計出的箝位電壓為19.58 V。在圖4中的R4、R5為電池供電時的低電壓檢測設(shè)置，根據(jù)使用電池的情況，可以合理地設(shè)置欠壓條件。如果不使用可以懸空。

2.3.3 場效應(yīng)管的功率選擇設(shè)計

當(dāng)發(fā)生過壓過流時，功率器件 MOSFET并沒有及時關(guān)閉，而是還要工作較長一段時間，此時間一般稱為故障時間，因此對MOSFET的性能提出了較高要求。對MOSFET重點考核的參數(shù)有導(dǎo)通電阻 RDS(ON)，最大漏源電壓VDSS和安全工作區(qū)SOA曲線等。根據(jù)上述的特點，本文選擇 IRF2805做為開關(guān)控制功率器件。其源漏電壓VDSS最大達(dá)到 55 V，漏極電流 ID最大為 75 A，整體耗散功率可以用下式計算：

而本設(shè)計選用的IRF2805完全滿足電路的設(shè)計要求。

2.3.4 故障時間設(shè)置

故障時間實際上是本安電路保護時的反應(yīng)時間。本安電路的故障時間能夠通過LT4356芯片上的一個TMR端的電容(CTMR)來調(diào)節(jié)。在故障時間內(nèi)電路箝位工作在給定的電壓和電流值范圍內(nèi)，當(dāng)超過故障時間時，MOSFET關(guān)斷以保護后級電路不被損壞。電容CTMR同樣也控制著電路恢復(fù)時間，經(jīng)過一段恢復(fù)時間后，LT4356會自動重啟。適當(dāng)?shù)卣{(diào)整電路故障時間來設(shè)置保護電路的保護反應(yīng)速度，這也是提高電路安全性能的一個重要方法。根據(jù)LT4356芯片數(shù)據(jù)手冊，故障時間的計算為：

如果取 CTMR=1 μF，則故障時間大約為 2 ms。

3 實驗分析

本安電源設(shè)計除了結(jié)構(gòu)上的要求外，電氣的要求就是過壓過流保護速度和恢復(fù)時間的問題了。本文設(shè)計的本安電源經(jīng)過國家煤礦防爆安全產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心試驗，主要實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)

本表格中的數(shù)據(jù)表明，本電源設(shè)計電氣參數(shù)符合要求，在實際工作過程中，其電路具體保護速度為：當(dāng)超過19.58 V達(dá)到2 ms時，電路進(jìn)入保護，當(dāng)電路等待2 ms后，電路自動恢復(fù)功能；對于負(fù)載電流，當(dāng)電路電流超過1.05 A達(dá)到2 ms時，電路進(jìn)入保護，當(dāng)電路等待2 ms后，電路自動恢復(fù)功能。經(jīng)過火花實驗，其任一選擇的正常和故障狀態(tài)下的短路、通斷實驗均未出現(xiàn)點燃現(xiàn)象，其最終本安參數(shù)分別為 UO=18 V、I0=1.05 A、CO=0.1 μF、LO=0.1 mH，完全滿足設(shè)計目標(biāo)要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一款新型的帶備電的本安電源，它具有雙重的過壓過流保護功能，當(dāng)電路發(fā)生故障時保護井下設(shè)備，當(dāng)故障解除時，可以自動恢復(fù)，進(jìn)入到正常保護狀態(tài)，重新保護井下設(shè)備安全運行。本電源已通過國家安標(biāo)檢驗，在使用過程中表現(xiàn)良好。但是由于存在過壓過流和快速保護功能，因此對于某些上電后有沖擊電流的負(fù)載，可能造成不能正常工作，還需要在設(shè)計負(fù)載設(shè)備時增加軟啟動電路，使得電源負(fù)載能穩(wěn)步增加，降低電路中的瞬間電流，從而避免誤動作的發(fā)生。

[1]LT4356-1/LT4356-2 Surge Stopper Data Sheet[OL].Linear Technology Corporation.

[2]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB3836.1-2010.爆炸性環(huán)境第1部分 設(shè)備通用要求[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[3]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB3836.4-2010爆炸性環(huán)境第 4部分由本質(zhì)安全型“i”保護的設(shè)備[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[4]中華人民共和國煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MT/T 1051-2007.礦燈用鋰離子蓄電池[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.

[5]徐磊，周孟然，趙祥.煤礦實用本安電源設(shè)計[J].煤礦機械，2012(3)：33-03.

[6]戴錢坤，謝君甫.鄒曉漁.一種新型機載防浪涌電壓保護電路設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011(11).

A new design of mine intrinsically safe power supply

Shi Jianhua1，Wang Yuqing2，Zhang Hongbin3
(1.HeNan Dickson Occupational health Technical Advisory Services CO.，Ltd，Zhengzhou 450042，China；2.Mechanical and Electrical Engineering，HeNan Radio and Television University，Zhengzhou 450046，China；3.HeNan TianDun safe production technology CO.，Ltd，Zhengzhou 450042，China)

According to the characteristics of proof and intrinsically safe power supply commonly used vibration of coal mine,introduces the basic requirements of ExibI explosion-proof and intrinsically safe power supply of the working principle,system structure and circuit design.The use of power surge suppressor chip LT4356 as the overvoltage and overcurrent protection device adopts double over-voltage and over-current protection circuit,and has the automatic recovery,undervoltage feed detection function,the output of the power supply for the dual 18 V and 1 A.In actual use,it has a reliable output and load capacity,small volume,simple assembly and debugging,simple installation etc.

intrinsically safe；surge stopper；overvoltage and overcurrent protection circuit

TP212

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.031

石建華，王玉慶，張宏賓.一種新型礦用本質(zhì)安全型電源設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(11)：112-114.

英文引用格式：Shi Jianhua，Wang Yuqing，Zhang Hongbin.A new design of mine intrinsically safe power supply[J].Application of Electronic Technique，2015，41(11)：112-114.

2015-08-27)

石建華(1976-)，男，工程師，主要研究方向：環(huán)境檢測儀器儀表開發(fā)、煤礦安全儀表的開發(fā)應(yīng)用。

王玉慶（1978-），男，碩士研究生，主要研究方向：信號智能檢測與處理。