0 引言

　　隨著科學技術的發展，煤礦井下作業環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，致使本安電源在礦井中的使用越來越頻繁,同時對其參數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生井下瓦斯氣體爆炸等情況，造成不必要的人員和財產損失[5]。

　　本質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標準中對本安輸出特點有詳細規定。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高的環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，根據國家煤礦行業標準規定的使用要求，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保性，本設計采用了24 V/5 Ah磷酸鐵鋰電池。系統工作原理框圖如1所示。

　　其工作原理為：井下高壓電源通過變壓器降壓，低壓交流電經過交直流變換穩壓后，經過一級過壓過流保護，再經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，經過直流穩壓電路，然后再經過一、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，完全滿足安全監控系統的要求。

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節，它既可以作為高壓變低壓的轉換器件，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 直流穩壓電路

　　經過整流變換的電源信號紋波較大，還必須進行穩壓和濾波處理，獲得較為理想的直流信號，并將其做為整個系統的輸入直流電源。本設計采用國產的大功率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，最大輸出電流5 A。同樣滿足GB3836.4規定的1.5倍的功率余量設計。電路圖如圖3所示。

　　2.3 保護電路

　　傳統的過壓過流保護措施是先調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。這個方法在生產調試時操作復雜，有時電位器發生偏移也容易導致閾值發生偏移，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，既提高了系統的可靠性，也簡化了調試操作，提高了生產效率。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端以實現過流保護功能。采樣電阻兩端VCC和SNS端的壓降和內部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，它內部連接一個電壓比較器，FB端的反饋電壓和內部的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管關斷以實現過壓保護功能。R1和R2兩個電阻分壓后，連接到FB端，發生過壓時，芯片即進入故障狀態，在故障周期內，GATE端控制MOSFET繼續保持導通，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[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重點考核的參數有導通電阻RDS(ON)，最大漏源電壓VDSS和安全工作區SOA曲線等。根據上述的特點，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)來調節。在故障時間內電路箝位工作在給定的電壓和電流值范圍內，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，經過一段恢復時間后，LT4356會自動重啟。適當地調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LT4356芯片數據手冊，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過國家煤礦防爆安全產品質量監督檢驗中心試驗，主要實驗數據如表1所示。

　　本表格中的數據表明，本電源設計電氣參數符合要求，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。經過火花實驗，其任一選擇的正常和故障狀態下的短路、通斷實驗均未出現點燃現象，其最終本安參數分別為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，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，使得電源負載能穩步增加，降低電路中的瞬間電流，從而避免誤動作的發生。

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爆炸性環境 第4部分由本質安全型“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標準MT/T 1051-2007.礦燈用鋰離子蓄電池[S].北京：煤炭工業出版社，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).