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(shí)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(gè)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(jì)，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(jì)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(hù)的速度等情況，作好充分的保護(hù)工作，以防止過壓或過流以及保護(hù)不及時(shí)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(cái)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(gè)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(diǎn)有詳細(xì)規(guī)定。主要有：(1)輸出的電壓電流不能點(diǎn)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(hù)必須采用雙重保護(hù)機(jī)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(shí)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(shí)也給設(shè)計(jì)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(hù)、二級過壓過流保護(hù)。電池考慮到安全性和環(huán)保性，本設(shè)計(jì)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。

　　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(hù)，再經(jīng)過二級過壓過流保護(hù)后輸出18 V/1 A的電源。當(dāng)外供電臨時(shí)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(hù)電路輸出18 V/1 A的電源。當(dāng)外供電正常時(shí)，外供電對電池充電。當(dāng)電池供電時(shí)，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(jì)

　　2.1 變壓器及交直流變換

　　變壓器是一個(gè)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(qiáng)。在變壓器輸出后再通過整流橋?yàn)V波電路輸出32 V左右的電壓。具體電路如圖2所示。

　　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(gè)系統(tǒng)的輸入直流電源。本設(shè)計(jì)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(jì)。電路圖如圖3所示。

　　2.3 保護(hù)電路

　　傳統(tǒng)的過壓過流保護(hù)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(hù)功能。這個(gè)方法在生產(chǎn)調(diào)試時(shí)操作復(fù)雜，有時(shí)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(jì)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(jì)過壓過流保護(hù)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(shí)進(jìn)行過壓和過流保護(hù)，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(hù)、輸出電壓檢測，集檢測保護(hù)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(jì)情況[1]。

　　2.3.1 過流保護(hù)設(shè)計(jì)

　　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(shí)現(xiàn)過流保護(hù)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(shí)，電路進(jìn)入過流保護(hù)。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(jì)算出[1]：

　　RSNS=50 mV/1 A=50 mΩ

　　2.3.2 過壓保護(hù)設(shè)計(jì)

　　LT4356的一個(gè)重要作用就是浪涌抑制，它內(nèi)部可以設(shè)置一個(gè)箝位電壓，當(dāng)電壓超過箝位電壓時(shí)，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(gè)功能來達(dá)到過壓保護(hù)的設(shè)計(jì)目的。如圖4所示，LT4356有一個(gè)FB端，它內(nèi)部連接一個(gè)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(shí)，MOS管關(guān)斷以實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)功能。R1和R2兩個(gè)電阻分壓后，連接到FB端，發(fā)生過壓時(shí)，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(shí)間超過故障設(shè)定的時(shí)間，GATE端控制MOSFET關(guān)斷，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)[6]。計(jì)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(shí)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(hù)電壓也要有一定的余量，避免頻繁誤動作，取R2=1.5 kΩ，計(jì)算出R1=20.1 kΩ，選R1=22 kΩ，此時(shí)設(shè)計(jì)出的箝位電壓為19.58 V。在圖4中的R4、R5為電池供電時(shí)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(jì)

　　當(dāng)發(fā)生過壓過流時(shí)，功率器件MOSFET并沒有及時(shí)關(guān)閉，而是還要工作較長一段時(shí)間，此時(shí)間一般稱為故障時(shí)間，因此對MOSFET的性能提出了較高要求。對MOSFET重點(diǎn)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(diǎn)，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(jì)算：

　　P=VREG×50 mV/RSNS=18 V×50 mV/50 mΩ=18 W

　　而本設(shè)計(jì)選用的IRF2805完全滿足電路的設(shè)計(jì)要求。

　　2.3.4 故障時(shí)間設(shè)置

　　故障時(shí)間實(shí)際上是本安電路保護(hù)時(shí)的反應(yīng)時(shí)間。本安電路的故障時(shí)間能夠通過LT4356芯片上的一個(gè)TMR端的電容(CTMR)來調(diào)節(jié)。在故障時(shí)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(shí)間時(shí)，MOSFET關(guān)斷以保護(hù)后級電路不被損壞。電容CTMR同樣也控制著電路恢復(fù)時(shí)間，經(jīng)過一段恢復(fù)時(shí)間后，LT4356會自動重啟。適當(dāng)?shù)卣{(diào)整電路故障時(shí)間來設(shè)置保護(hù)電路的保護(hù)反應(yīng)速度，這也是提高電路安全性能的一個(gè)重要方法。根據(jù)LT4356芯片數(shù)據(jù)手冊，故障時(shí)間的計(jì)算為：

　　T=CTMR×100 mV/5 A

　　如果取CTMR=1 F，則故障時(shí)間大約為2 ms。

3 實(shí)驗(yàn)分析

　　本安電源設(shè)計(jì)除了結(jié)構(gòu)上的要求外，電氣的要求就是過壓過流保護(hù)速度和恢復(fù)時(shí)間的問題了。本文設(shè)計(jì)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(yàn)中心試驗(yàn)，主要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

　　本表格中的數(shù)據(jù)表明，本電源設(shè)計(jì)電氣參數(shù)符合要求，在實(shí)際工作過程中，其電路具體保護(hù)速度為：當(dāng)超過19.58 V達(dá)到2 ms時(shí)，電路進(jìn)入保護(hù)，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(shí)，電路進(jìn)入保護(hù)，當(dāng)電路等待2 ms后，電路自動恢復(fù)功能。經(jīng)過火花實(shí)驗(yàn)，其任一選擇的正常和故障狀態(tài)下的短路、通斷實(shí)驗(yàn)均未出現(xiàn)點(diǎn)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 ?滋F、LO=0.1 mH，完全滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

4 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)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(hù)功能，當(dāng)電路發(fā)生故障時(shí)保護(hù)井下設(shè)備，當(dāng)故障解除時(shí)，可以自動恢復(fù)，進(jìn)入到正常保護(hù)狀態(tài)，重新保護(hù)井下設(shè)備安全運(yùn)行。本電源已通過國家安標(biāo)檢驗(yàn)，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(hù)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(jì)負(fù)載設(shè)備時(shí)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。

參考文獻(xiàn)

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　　[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.

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