淺析煤礦井下便攜式電子設(shè)備設(shè)計(jì)要點(diǎn)

高 芬，齊杰龍

（鄭州光力科技股份有限公司，河南鄭州，450001）

淺析煤礦井下便攜式電子設(shè)備設(shè)計(jì)要點(diǎn)

高 芬，齊杰龍

（鄭州光力科技股份有限公司，河南鄭州，450001）

隨著我國工業(yè)水平的發(fā)展，煤礦是我國主要能源需求量也在逐年上升，因此煤礦產(chǎn)業(yè)對于各類便攜電子產(chǎn)品的需求量也在增多，這類電子產(chǎn)品的唯一充電源為于便攜式電源，所以，這類便攜式電源的設(shè)計(jì)應(yīng)該要考慮多方面的因素，比如怎樣才能減少電子產(chǎn)品充電時間，提高電源的利用，怎樣利用最新的技術(shù)將電源的體積縮得更小，使其更加便于攜帶等。本文主要針對煤礦產(chǎn)業(yè)中，便攜式電子電源的設(shè)計(jì)的主要的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行探究，以便使該電源在礦井中應(yīng)用更廣。

煤礦；便攜式；設(shè)計(jì)要點(diǎn)；電源設(shè)計(jì)

1 電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1電池的選擇

便攜式電源使用的主要材料分為2種，一種為鋰電池，另一種為鎳氫電池，這兩種電池在實(shí)際運(yùn)用中各有各的優(yōu)勢，其主要特征如下所示：（1）兩種電池單體電壓不一樣，前者為3.2V或者是3.7V，而后者只有1.2V；（2）兩種電池之中只有鎳氫電池?fù)碛杏洃浶?yīng)。（3）在體積、面積相等的狀態(tài)下，鋰電池所含電容量要比鎳氫電池更高。由于礦井下通道比較狹窄，所以自放電率抵、體積小、電量充足的鋰電池做便攜式電子設(shè)備的電源更為合適。

1.2安全柵保護(hù)方式

作為礦井電源，在設(shè)計(jì)階段首先就應(yīng)該考慮到本質(zhì)安全電路，它指電路在正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下以及一般定義上的故障中，出現(xiàn)的所有電火花以及任意熱輻射都不能引燃礦井環(huán)境中的易燃?xì)怏w。一般來說，本質(zhì)安全電路的過流保護(hù)方式主要有兩種，分別為限流式以及截止式。其中，限流式保護(hù)是指當(dāng)電路中的電流一旦到了限流植，保護(hù)電路將會馬上進(jìn)入到恒流的狀態(tài)，將電流控制在限定值以下，這種方法的優(yōu)勢在于能夠做到全載啟動，但是一旦發(fā)生這種情況開關(guān)管的損耗很大。這一種保護(hù)方式為截止式，這類保護(hù)的實(shí)質(zhì)其實(shí)就是觸發(fā)式保護(hù)，當(dāng)產(chǎn)生過流的情況時，采樣電阻或者是比較器將能迅速反應(yīng)，第一時間斷開開關(guān)管，從而做到保護(hù)電路。這種方法雖然產(chǎn)生的電火花極小并且容易通過礦井電火花測試，但是這種保護(hù)方式反應(yīng)靈敏度過強(qiáng)，不怎么能抗干擾，并且負(fù)載的干擾也很可能使相關(guān)設(shè)備重啟。

目前，已經(jīng)有一種較為理想的過流保護(hù)方式，即安全柵保護(hù)，這種保護(hù)方式集合限流式和截流式的優(yōu)勢，一旦電路中的負(fù)載發(fā)生短路的情況，保護(hù)電路首先將會限制電流然后再介質(zhì)，如果電流逐漸增大至限流值時，安全柵保護(hù)首先先啟動限流式保護(hù)，但是如果只是瞬時的干擾，安全柵就不會去截止電流，當(dāng)然，當(dāng)干擾頻率頻繁時，過流時間較長，就會啟動截止式保護(hù)方式。使用這種方式可以有效的保護(hù)電路安全同時使抗干擾能力也能得到顯著提升。就會方式是負(fù)載短路時先限流后截止，電流增大到保護(hù)值時，安全柵先進(jìn)入限流式保護(hù)方式，如果是瞬間干擾（如電壓尖峰等），安全柵不會截止，如果過流情況持續(xù)超過一定時間，則會進(jìn)入截止式保護(hù)方式。這種方式既能滿足本質(zhì)安全性能要求，與截止式保護(hù)方式相比又顯著提高了抗干擾能力。

2 電池升壓電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

一般來講，礦井下使用的便攜類電子設(shè)備，比如礦井地質(zhì)儀，探傷儀等的電源都是5V電源，電池電壓需要經(jīng)過升壓才能達(dá)到5V，即要用到Boost變換器。本文以TPS61070應(yīng)用電路為例進(jìn)行分析。TPS61070具有過熱保護(hù)和省電模式。在低負(fù)載電流的情況下，如果儲能電感上的電流變成了0，T PS61070就會自動調(diào)整為省電模式，在這時，想要變換器正常運(yùn)轉(zhuǎn)，除非輸出的電壓值小于預(yù)先的設(shè)計(jì)值，進(jìn)過若干開關(guān)周期后，如果輸出電壓大于預(yù)先設(shè)定值，變換器又會調(diào)整為省電模式。

便攜式電子設(shè)備長時間運(yùn)行，電源不穩(wěn)定，T P S 61070易損壞，損壞之后TPS61070呈現(xiàn)電源和地之間短路的狀態(tài)。因?yàn)殡娫床季謫栴}以及一些其他電子元器件的影響，調(diào)試過程中，開關(guān)變換器和電感連接的地方出現(xiàn)了高頻振蕩。一般情況下，電路中伴隨出現(xiàn)的寄生電感以及寄生電容會出現(xiàn)互感反應(yīng)，致使節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生高頻振蕩。Boost變換器電路的MOS管集成在TPS61070內(nèi)部，所以會出現(xiàn)TPS 61070損壞之后電源和地短路的現(xiàn)象。處于這個原因，電路設(shè)計(jì)時應(yīng)該運(yùn)用多種方法以做到振鈴的最小化，從而保護(hù)MOS管。

首先整流二極管D1的寄生電容要小，由于D1亦集成在T PS61070內(nèi)部，TPS61070應(yīng)用電路不需要調(diào)整；其次需要優(yōu)化電路板走線使回路中寄生電感最小化。例如，減小MOS管與儲能電感L1之間的距離可以使寄生電感LPAR 2和LPAR3變小，縮短TPS61070與電源接地點(diǎn)之間的距離可以使寄生電感LPAR1變小，將輸出電容Cout盡可能靠近D1的陰極，能夠讓使寄生電感LPAR4以及LP AR5最小化。另外，在電源輸出和地之間放置高頻旁路電容C out－BYP也能最小化開關(guān)節(jié)點(diǎn)處的振鈴幅值。如果振鈴幅值還是會超過MOS管的承受范圍，可以設(shè)計(jì)一個RC緩沖電路來消除開關(guān)閉合時寄生電感所產(chǎn)生的電壓毛刺。HYPERLINK“javascript:;” 當(dāng)開關(guān)閉合時，RC緩沖電路為流經(jīng)寄生電感的電流提供一條接地通道，從而抑制電壓瞬間變化并降低了MO S管的應(yīng)力。

3 結(jié)語

本文首先研究便攜式電子設(shè)備電源設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，指出集合兩種限流優(yōu)勢的安全柵設(shè)計(jì)能夠安全保護(hù)電路同時還能有效的提升電源的抗干擾能力，優(yōu)化Boost變換器的關(guān)鍵環(huán)路可有效減小電源紋波，設(shè)備也能更穩(wěn)定可靠工作。盡管電源性能通常不是在設(shè)計(jì)礦井用便攜式電子設(shè)備所需要的中重要的因素，但是優(yōu)質(zhì)的電源性能還是能對未加緩沖的RC緩沖電路有著積極的影響，加了RC緩沖電路Boost變換器開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的振鈴波形設(shè)備的質(zhì)量。

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Analysis on the design of portable electronic equipment in coal mine

Gao Fen，Qi Jielong
（Zhengzhou power Polytron Technologies Inc.,Henan Zhengzhou Henan, 450001）

with the development of our country’s industrial level, coal is the main energy demand in China is increasing year by year, so the coal industry for all kinds of portable electronic products demand is also increasing, the only source of this kind of charging electronic products for portable power supply, so the design of this kind of portable power supply should be considered many factors, such as how to reduce the charging time of electronic products, improve power utilization, how to use the latest technology to power the volume shrinkage smaller, making it more convenient to carry. In this paper, the main technical points of the design of portable electronic power supply in the coal mine industry are studied in order to make the power supply more widely used in the mine.

coal mine; portable; design key points; power supply design