0 引言

　　隨著科學技術的發(fā)展,，煤礦井下作業(yè)環(huán)境中使用自動化設備的程度越來越高，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計，但是在供電過程中,，也需要本安電源來供電,，以達到安全要求。這就要求本安電源在設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,。在中國防爆國標和煤礦行業(yè)標準中對本安輸出特點有詳細規(guī)定。主要有：(1)輸出的電壓電流不能點燃周圍的可燃氣體,；(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)標準規(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,。

　　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。當外供電正常時,，外供電對電池充電,。當電池供電時，可以滿負荷供電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,。應當選用隔離耐壓較高，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,。

　　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倍的功率余量設計。電路圖如圖3所示,。

　　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,，進行正常的保護功能,。這個方法在生產(chǎn)調(diào)試時操作復雜，有時電位器發(fā)生偏移也容易導致閾值發(fā)生偏移,，存在諸多隱患,。

　　本設計采用先進的浪涌抑制器芯片LT4356和場效應管IRF2805為核心器件設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。下面詳細介紹電路的設計情況[1],。

　　2.3.1 過流保護設計

　　如圖4所示,，直流電源輸入到LT4356后通過RSNS進行采樣，當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基準電壓進行比較,，當采樣電阻壓降大于50 mV時，電路進入過流保護,。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

　　2.3.2 過壓保護設計

　　LT4356的一個重要作用就是浪涌抑制,，它內(nèi)部可以設置一個箝位電壓，當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到過壓保護的設計目的。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,。當電壓超過設定值時，MOS管關斷以實現(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,，芯片即進入故障狀態(tài),，在故障周期內(nèi)，GATE端控制MOSFET繼續(xù)保持導通,，直到時間超過故障設定的時間,，GATE端控制MOSFET關斷，進入保護狀態(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置，根據(jù)使用電池的情況,，可以合理地設置欠壓條件,。如果不使用可以懸空。

　　2.3.3 場效應管的功率選擇設計

　　當發(fā)生過壓過流時,，功率器件MOSFET并沒有及時關閉,，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做為開關控制功率器件,。其源漏電壓VDSS最大達到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：

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

　　而本設計選用的IRF2805完全滿足電路的設計要求,。

　　2.3.4 故障時間設置

　　故障時間實際上是本安電路保護時的反應時間。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),，當超過故障時間時，MOSFET關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時間,，經(jīng)過一段恢復時間后，LT4356會自動重啟,。適當?shù)卣{(diào)整電路故障時間來設置保護電路的保護反應速度,，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：

　　T=CTMR×100 mV/5 A

　　如果取CTMR=1 F,，則故障時間大約為2 ms。

3 實驗分析

　　本安電源設計除了結構上的要求外,，電氣的要求就是過壓過流保護速度和恢復時間的問題了,。本文設計的本安電源經(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,。

　　本表格中的數(shù)據(jù)表明,，本電源設計電氣參數(shù)符合要求，在實際工作過程中,，其電路具體保護速度為：當超過19.58 V達到2 ms時,，電路進入保護，當電路等待2 ms后,，電路自動恢復功能,；對于負載電流，當電路電流超過1.05 A達到2 ms時,，電路進入保護,，當電路等待2 ms后，電路自動恢復功能。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 ?滋F、LO=0.1 mH,，完全滿足設計目標要求,。

4 結論

　　本文設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,，當電路發(fā)生故障時保護井下設備,，當故障解除時，可以自動恢復,，進入到正常保護狀態(tài),，重新保護井下設備安全運行。本電源已通過國家安標檢驗,，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載,，可能造成不能正常工作,，還需要在設計負載設備時增加軟啟動電路，使得電源負載能穩(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

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

　　[2] 中華人民共和國國家標準.GB3836.1-2010.爆炸性環(huán)境 第1部分 設備通用要求[S].北京：中國標準出版社,，2011.

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

　　[4] 中華人民共和國煤炭行業(yè)標準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計[J].電子技術應用，2011(11).