一種礦用本安型設(shè)備電源電路設(shè)計(jì)

張一波

（1.中煤科工集團(tuán)常州自動(dòng)化研究院，江蘇常州，213015；2.天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，江蘇常州，213015）

0 引言

隨著煤炭行業(yè)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、科技化，越來(lái)越多的電子設(shè)備開(kāi)始應(yīng)用于煤礦；這也造成了礦井巷道中各種線纜的增多；受礦井空間制約，許多線纜會(huì)使用同一條電纜掛鉤，這會(huì)造成一些高壓動(dòng)力線與本安設(shè)備電源輸入電纜接觸；當(dāng)井下大功率設(shè)備工作時(shí)，極易產(chǎn)生浪涌，干擾設(shè)備正常運(yùn)行；嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)煤礦系統(tǒng)癱瘓[1,2]。本安設(shè)備由于自身電路中電容、電感的存在，在上電時(shí)會(huì)有較大的沖擊電流，如果不對(duì)啟動(dòng)電流進(jìn)行限制，本安設(shè)備往往無(wú)法正常啟動(dòng)。另外，本安電源與本安設(shè)備之間通常距離較遠(yuǎn)，并且給本安設(shè)備供電的電纜型號(hào)眾多，因此線路損耗問(wèn)題也會(huì)影響本安設(shè)備的穩(wěn)定性[3]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文介紹了一種礦用本安型設(shè)備電源電路設(shè)計(jì)方案，該電源電路基于LED驅(qū)動(dòng)芯片AL8805與BUCK芯片TPS54302設(shè)計(jì)，具有外圍電路簡(jiǎn)單、集成化高、抗浪涌、軟啟動(dòng)與限流保護(hù)等特點(diǎn)，能夠提高本安設(shè)備的穩(wěn)定性。

1 電源電路原理

電源電路整體工作原理如圖1所示，限流與軟啟動(dòng)電路用于限制電源輸入電流，降低本安設(shè)備啟動(dòng)時(shí)刻的沖擊電流[4]；抗干擾電路1與抗干擾電路2主要消除電源電路輸入端與電路中的干擾信號(hào)；DC-DC轉(zhuǎn)換是將輸入電壓轉(zhuǎn)換為本安設(shè)備所需要的穩(wěn)定直流電壓；過(guò)壓保護(hù)可防止DC-DC出現(xiàn)故障時(shí)，過(guò)高的電壓引入設(shè)備輸入側(cè)，對(duì)設(shè)備造成損壞。由于電源電路是應(yīng)用于本安設(shè)備，因此設(shè)計(jì)的電源電路也必須滿(mǎn)足本安要求，電源電路中與本安性能相關(guān)的元件都需要依據(jù)GB3836相關(guān)要求進(jìn)行安全處理。

圖1 電源電路整體原理圖

■ 1.1 抗干擾處理電路

抗干擾電路1如圖2所示。在輸入端并聯(lián)瞬態(tài)電壓抑制器（TVS），可保護(hù)電源電路內(nèi)部元件，防止輸入端出現(xiàn)浪涌時(shí)對(duì)電源電路造成損壞[6]；加入共模電感，可以減少輻射，降低高頻共模噪音；并聯(lián)的瓷介質(zhì)電容能夠減小輸入電纜帶入的干擾信號(hào)。設(shè)計(jì)的電源電路中共模電感L1選用Wurth的744228。由于本安設(shè)備的工作電壓一般在9~24VDC，因此瞬態(tài)電壓抑制器反向截止電壓應(yīng)大于24V，根據(jù)上述要求，VD1、VD2采用SMCJ26A；考慮到輸入電源的本安參數(shù)，瓷介質(zhì)電容C1為0.1μF。

圖2 抗干擾電路1

電解電容和瓷介質(zhì)電容組成了抗干擾處理電路2（見(jiàn)圖3）；電解電容不僅能濾除高頻干擾，也能作為儲(chǔ)能元件，在本安設(shè)備重啟的瞬間通過(guò)放電繼續(xù)為其提供能量；瓷介質(zhì)電容可對(duì)輸入電壓進(jìn)行濾波。設(shè)計(jì)的電源電路中電解電容為47μF，瓷介質(zhì)電容為0.1μF。

圖3 抗干擾電路2

■ 1.2 限流與軟啟動(dòng)電路

在設(shè)計(jì)的電源電路中加入限流保護(hù)與軟啟動(dòng)電路，可以將本安設(shè)備的啟動(dòng)沖擊電流限制在合理的范圍內(nèi)。整個(gè)電路基于AL8805設(shè)計(jì)；AL8805輸 入電壓范圍為6~36VDC，驅(qū)動(dòng)電流高達(dá)1A，在上電時(shí)AL8805可以軟啟動(dòng)方式開(kāi)啟，并且軟啟動(dòng)時(shí)間可調(diào)；可以根據(jù)電流采樣電阻R2來(lái)限制電路中最大輸出電流。設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

圖4 軟啟動(dòng)與限流電路設(shè)計(jì)

當(dāng)電源電路接通電源時(shí)，電容C2開(kāi)始充電；CTRL引腳電壓VCTRL低于0.5V，此時(shí)AL8805關(guān)閉輸出電流，不會(huì)為后級(jí)電路供電，整個(gè)限流與軟啟動(dòng)電路處于低電流消耗待機(jī)模式。當(dāng)VCTRL電壓上升至0.5V時(shí)，AL8805開(kāi)始工作，VCTRL處于0.5~2.5V時(shí)，電路的輸出電流會(huì)隨VCTRL增大而線性增大，當(dāng)VCTRL等于2.5V，輸出電流達(dá)到最大值，軟啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束；此時(shí)的輸出電流為后級(jí)電路正常工作時(shí)所需要的電流。軟啟動(dòng)電路的啟動(dòng)時(shí)間控制可以根據(jù)延時(shí)電容C2的值來(lái)改變；引腳CTRL浮空時(shí)，AL8805的默認(rèn)軟啟動(dòng)時(shí)間為0.1ms；當(dāng)增加軟啟動(dòng)電容C2，延遲時(shí)間T(單位為ms)與延時(shí)電容C2（單位為nF）的關(guān)系為：

電阻R2為電流采樣電阻，主要用于檢測(cè)與調(diào)節(jié)電路的輸出電流，與電路限制輸出電流IOUT(NOM)的典型關(guān)系為:

根據(jù)R2阻值的不同，可將沖擊電流限制在設(shè)定的范圍內(nèi)；若輸入電流或負(fù)載設(shè)備工作電流超過(guò)限制范圍，AL8805會(huì)使整個(gè)電源電路進(jìn)入保護(hù)模式，防止電源產(chǎn)生誤動(dòng)作；電感L1應(yīng)選用低直流電阻的電感，以此來(lái)獲得更高的轉(zhuǎn)化效率。

設(shè)計(jì)的電路中延遲電容C2為200nF，電流采樣電阻R2為400mΩ，電感L1為22μH，根據(jù)公式(1)、(2)可知軟啟動(dòng)時(shí)間為20ms；限制電流為250mA。

■ 1.3 DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路

DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路如圖5所示，DC-DC電源轉(zhuǎn)換芯片選用TPS54302；其固定開(kāi)關(guān)頻率為400kHz，具有過(guò)流、過(guò)壓與熱保護(hù)、輸出效率高、紋波小、電壓輸入范寬(4.5~28VDC)、持續(xù)輸出電流高達(dá)3A等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 DC-DC轉(zhuǎn)換電路

TPS54302輸出電壓計(jì)算公式為：

公式(3)中VREF=0.596V。

設(shè)計(jì)的電源電路中輸出電壓為5V，根據(jù)公式(3)，R2為100kΩ；R4為13.3kΩ。

在DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意電容，電感的值不能超出輸入本安電源規(guī)定的最大輸出電容值與最大輸出電感值，并且過(guò)大或過(guò)小的電感與電容會(huì)對(duì)電源的紋波產(chǎn)生較大的影響。電路中的輸出電容C4與輸出電感L1的計(jì)算公式為：

公式(4)、(5)中fsw為T(mén)PS54302開(kāi)關(guān)頻率，VOUTripple為最大允許輸出電源紋波，Iripple為電感器紋波電流，KIND為常量一般取值為0.35，VOUT為輸出電壓，IOUT表示輸出電流，VIN(MAX)表示最大輸入電壓。

假設(shè)輸入電壓范圍為9~24VDC，輸出電壓為5V，輸出電流為900mA，電感器紋波電流為1A；根據(jù)公式(4)計(jì)算得出輸出電容C4的值應(yīng)不小于10.4μF；根據(jù)公式(5)計(jì)算得出輸出電感L1的值應(yīng)不小于31.4μH。

電路中的C5為T(mén)PS54302的前饋電容，可以改善由于輸出電容C4帶來(lái)相位裕度偏小的問(wèn)題，提高電路的穩(wěn)定性。

前饋電容C5的容值可以由公式(6)計(jì)算得出：

其中fo為交叉頻率，計(jì)算公式為：

考慮到DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路環(huán)路穩(wěn)定性與內(nèi)部寄生參數(shù)的影響，交叉頻率fo應(yīng)小于40kHz；因根據(jù)公式(6)與公式(7)計(jì)算得出，選用的輸出電容C4應(yīng)不小于25.5μF；前饋電容C5應(yīng)不小于39.8pF。

通過(guò)對(duì)DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行多次實(shí)物驗(yàn)證，在DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路中輸出電感L1大小為47μH，輸出電容C4大小為33μF，前饋電容C5大小為75pF的條件下，DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路輸出效果較好。

■ 1.4 安全處理

1.4.1 輸入端本安處理

根據(jù)GB3836中最為嚴(yán)格的本質(zhì)安全ia保護(hù)等級(jí)要求，電路在正常工作、1個(gè)或者2個(gè)故障時(shí)，不會(huì)點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物，因此在電源電路輸入端串聯(lián)3個(gè)二極管SS34，如果其中1個(gè)或者2個(gè)二極管出現(xiàn)故障時(shí)候（按照短路故障），電路也可以正常工作；同時(shí)SS34也可起到防止電源反接與防止電路中電容能量向外側(cè)擴(kuò)散的作用。

為了確保在最不利的情況下電路的本安特性，需要在輸入端增加快融保險(xiǎn)絲，快融保險(xiǎn)絲的額定熔斷值應(yīng)大于AL8805 設(shè)定的限流值；考慮到電源電路需長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，因此選額定熔斷值為400mA的快融保險(xiǎn)絲。

1.4.2 輸出端過(guò)壓保護(hù)

位于DC-DC輸出端的過(guò)壓保護(hù)電路可以采用穩(wěn)壓二級(jí)管或可控硅進(jìn)行設(shè)計(jì)，起到輸出電壓過(guò)高時(shí)，防止后級(jí)本安設(shè)備電路損壞的作用[5,6]。由于穩(wěn)壓二極管的功率一般在5W以?xún)?nèi)，根據(jù)GB3836.4中的相關(guān)要求，如果采用穩(wěn)壓二極管作為輸出端過(guò)壓保護(hù)器件，電源電路的輸入端電流IIN應(yīng)滿(mǎn)足:

公式(8)中VZ為穩(wěn)壓二級(jí)管的穩(wěn)壓值，PW為穩(wěn)壓二級(jí)管的額定功率。

當(dāng)輸入電流過(guò)大，穩(wěn)壓管無(wú)法滿(mǎn)足本安功率要求的條件下，可采用可控硅進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)的電源電路輸入端限流值為250mA，選用三個(gè)額定功率PW為5W的SMBJ5342穩(wěn)壓二極管(穩(wěn)壓值VZ為6.8V)并聯(lián)在電源電路輸出端進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)。根據(jù)公式(8)計(jì)算：

因此選用穩(wěn)壓二極管SMBJ5342進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)符合GB3836.4中的相關(guān)要求。

1.4.3 電容電感本安處理

由于電源電路中存在電解電容以及其它電容、電感，這會(huì)影響電路的本安性能；為了保證電路符合本安要求，將設(shè)計(jì)的電源電路放入材質(zhì)為PVC的殼體中，并用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行澆封。

2 實(shí)驗(yàn)分析

■ 2.1 效率與紋波測(cè)試

將直流穩(wěn)壓電源作為該電源電路的輸入(輸出9~24V)，電子負(fù)載作為模擬負(fù)載對(duì)設(shè)計(jì)的電源電路幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 電源模塊測(cè)試結(jié)果

從表1可知，電源電路輸出電壓穩(wěn)定，輸出紋波控制在23mV左右，電路整體轉(zhuǎn)化效率在77.43%~85.53%。

■ 2.2 軟啟動(dòng)測(cè)試

電源電路中設(shè)置延遲電容為200nF，電路限流250mA（R2=400mΩ），輸入電壓18V，在電源電路的輸入端串聯(lián)一個(gè)0.5Ω的電阻，通過(guò)示波器測(cè)量電阻上的電壓來(lái)近似代替電流波形，分別測(cè)量負(fù)載為100mA、300mA、500mA處輸入軟啟動(dòng)波形：測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

電源電路帶載100mA、300mA、500mA時(shí)，上電后軟啟動(dòng)電路的啟動(dòng)過(guò)程明顯，啟動(dòng)時(shí)最大沖擊電流分別為164mA、226mA、212mA；小于250mA，在20ms左右軟啟動(dòng)結(jié)束，電路平穩(wěn)運(yùn)行。

■ 2.3 帶載能力測(cè)試

將具有該電源電路的紅外甲烷傳感器進(jìn)行18V@3km、24V@6km遠(yuǎn)距離帶載測(cè)試，紅外甲烷傳感器均未出現(xiàn)重啟現(xiàn)象。

■ 2.4 EMC與火花實(shí)驗(yàn)

將具有該電源電路的紅外甲烷傳感器進(jìn)行EMC等級(jí)為4的群脈沖，浪涌測(cè)試，均能正常工作；在火花點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)中，并未出現(xiàn)爆炸情況。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種礦用本安型設(shè)備電源電路，主要依據(jù)集成芯片AL8805與TPS54302進(jìn)行設(shè)計(jì)，外圍電路簡(jiǎn)潔，通過(guò)電路中所使用重要元件參數(shù)優(yōu)化以及安全處理，使得該電源電路在應(yīng)用中更加安全可靠，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電源電路具有抗干擾性強(qiáng)、效率高、紋波小的優(yōu)點(diǎn)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

圖6