礦用抗沖擊延時啟動電源模塊設(shè)計

謝 浩，謝俊生

（1．天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州213015；2．中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇 常州213015；3．陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 陽泉045000）

為提高煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)[1]準(zhǔn)確性、靈敏性、可靠性、穩(wěn)定性和易維護(hù)性，增強(qiáng)煤礦安全保障能力，國家煤礦安監(jiān)局印發(fā)了《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》[2]，其中提出“分站的最大遠(yuǎn)程供電距離（在設(shè)計工況條件下）實現(xiàn)分級管理，分別為2、3、6 km”，要達(dá)到6 km 的遠(yuǎn)距離供電，需要從電源的帶載能力[3]、供電線纜、傳感器自身功耗等方面進(jìn)行重新設(shè)計或進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，但由于煤礦行業(yè)的特殊性，要求電源輸出為本安型[4]，帶載能力受限；煤礦工作環(huán)境惡劣，大直徑線纜供電受限。這就需要降低傳感器的功耗[5]，傳感器啟動電流大，抗沖擊能力弱就是其中一個因素，由于電路中的電容、電感及一些需要電流控制芯片的相互作用，在很多情況下傳感器上電的瞬間會對供電電源產(chǎn)生電壓或電流的沖擊[6]，特別是大電流的沖擊將會使電源進(jìn)入“自保護(hù)”[7]的狀態(tài)而無法正常工作。在供電電源正常工作的情況下，額定電流范圍之內(nèi)可以帶動的傳感器越多，供電距離越遠(yuǎn)，供電電源的利用效率就會越高，所以很有必要研究防止電流的沖擊實現(xiàn)緩慢啟動電源模塊。

1 電源模塊設(shè)計

1.1 電源模塊整體組成

電源模塊整體組成原理框圖如圖1，電源模塊先經(jīng)過抗沖擊電路進(jìn)行濾波和抑制浪涌、脈沖群產(chǎn)生的沖擊[8]；然后經(jīng)過延時啟動電路[9]，降低沖擊電流；最后，通過本質(zhì)安全ia 保護(hù)等級電路實現(xiàn)穩(wěn)定的直流輸出[10]。

圖1 電源模塊整體原理框圖

1.2 抗沖擊(干擾)電路

煤礦采煤自動化程度的提高，井下大型機(jī)電設(shè)備、變頻設(shè)備普遍應(yīng)用，這些設(shè)備的頻繁啟停操作，會帶來嚴(yán)重的瞬態(tài)電壓和沖擊電流，容易導(dǎo)致井下監(jiān)測設(shè)備、通信設(shè)備出現(xiàn)工作不穩(wěn)定、設(shè)備重啟、輸出信號差等影響。國家煤礦安監(jiān)局印發(fā)的《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》要求“增強(qiáng)抗電磁干擾能力，安全監(jiān)控系統(tǒng)及組成設(shè)備采用抗干擾（EMC）技術(shù)設(shè)計。”需通過靜電抗擾度試驗、電磁輻射抗擾度試驗和脈沖群抗擾度試驗，并達(dá)到相應(yīng)的評價等級。因此，提高電源的電磁干擾屏蔽能力、抗沖擊電流的能力成為電源穩(wěn)定、可靠、安全工作的首要任務(wù)?？箾_擊（干擾）電路如圖2。

圖2 抗沖擊（干擾）電路

首先輸入的直流電壓經(jīng)過2 個壓敏電阻，當(dāng)電路中有瞬時大電壓時，壓敏電阻瞬間導(dǎo)通，起到保護(hù)電路的作用；之后經(jīng)過共模線圈，濾除信號線上的共模電磁干擾，抑制自身不向外發(fā)出電磁干擾；在共模線圈的兩端并聯(lián)電容構(gòu)成π 型濾波，從而將電源中的噪聲或諧波信號濾除；TVS 管起到靜電保護(hù)的作用；在電路末端串聯(lián)磁珠，可以有效的吸收靜電脈沖信號和高頻信號，同時也可以很好的抑制脈沖群信號。

除了需要正確的選用保護(hù)器件、合理布局元器件和接地方式外，也要對印制電路板的布線進(jìn)行抗干擾方面的技術(shù)處理，電源線、接地線要盡量加粗，電源線、地線、信號線的走向盡量一致，增強(qiáng)抗噪能力；盡量采用單點接地的方式，避免大面積接地出現(xiàn)干擾信號。對于2 條平行的信號線盡量拉開其間距并加1 條地線以消除電磁場的影響，提高電源電磁兼容性。

1.3 延時啟動電路

在電源電路的設(shè)計中電源的輸入端和輸出端均會有濾波電容，可以起到對高頻信號和低頻信號的濾除，使電源電壓有很小的紋波系數(shù)。在電源模塊上電的瞬間，電路中的電容會在上電的瞬間相當(dāng)于短路，從而產(chǎn)生較大的沖擊電流施加在電路上，所以需要在電路設(shè)計中考慮添加延時啟動電路來解決電源瞬間上電的問題。延時啟動電路如圖3。

圖3 延時啟動電路

由R4和C1構(gòu)成的充放電電路，充電電壓為穩(wěn)壓管的電壓（1.2 V），電路產(chǎn)生的緩慢啟動效果為C1充電充滿至U3的開啟電壓。充電時間越長，效果越好。由于U3的開啟電壓為0.7 V 左右，再根據(jù)RC 充放電電路特性可知，用1.2 V 比用輸入電壓9～24.5 V 充電所用的時間更長，因此效果也會更好。

1.4 本質(zhì)安全電路

根據(jù)本質(zhì)安全ia 保護(hù)等級要求，電路在正常工作、1 個或2 個故障時，都不能點燃爆炸性氣體混合物的電氣設(shè)備，所以需要在芯片電源入口端串聯(lián)3個二極管，在輸出端并聯(lián)3 個二極管，如果其中1 個或者2 個二極管出現(xiàn)故障時，電路也可以正常工作；其中入口端的二極管建議采用肖特基二極管SS14，其具有工作速度快、電流大等優(yōu)點，并且可以起到防止反接的作用；輸出端的二極管建議采用瞬態(tài)抑制二極管，其反應(yīng)速度快，是一種具有浪涌吸收能力的半導(dǎo)體器件，能夠通過吸收來自電路的瞬間大電流、高電壓鉗位，起到保護(hù)電路的作用。本質(zhì)安全ia 保護(hù)等級電源電路如圖4。

圖4 本質(zhì)安全ia 保護(hù)等級電源電路

U1采用高性能的DC-DC 電源轉(zhuǎn)換芯片MP2456 進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，該芯片外圍組件少，轉(zhuǎn)換效率高，可承受的輸入電壓范圍為5～50 V，輸出電流可達(dá)400 mA（輸入電壓為18～24 V 時），輸出電壓可調(diào)，范圍可達(dá)0.81 V 至0.9 倍的輸入電壓，同時芯片內(nèi)部設(shè)有熱關(guān)斷和逐周期過流保護(hù)。選用的SS14肖特基二極管最大壓降不超過0.5 V,經(jīng)串聯(lián)后電源芯片入口電壓為7.5 V，滿足芯片工作條件。在保證電源性能的情況下，為了能進(jìn)一步提高電源電路的安全性，應(yīng)盡量降低儲能件的容量值，輸入端和輸出端的電容最好采用鉭電容，同時電感也需要考慮最大可通過電流，應(yīng)設(shè)有續(xù)流二極管DFLS160，在保證可靠性和降低電源噪聲紋波系數(shù)的前提下，經(jīng)測量得出電源芯片輸入端電容為C1=4.7 μF、輸出端電容為C3=22 μF、輸出端電感為L1=47 μH。

2 試驗測試

經(jīng)過試驗以及長期穩(wěn)定的帶載測試，該電路可以保證電源為本質(zhì)安全型，并且電壓穩(wěn)定輸出，紋波系數(shù)低。

1）延時啟動測試。采用示波器實際測試C1充電充滿至U3的開啟電壓所用的時間為92.8 ms，實測波圖形略。

2）電源輸出測試。采用示波器實際測試電源模塊輸出端波形，從圖中可以看出輸出電壓平穩(wěn)上升，電源信號穩(wěn)定、完整。

3）紋波電壓測試。紋波電壓測試電路如圖5，對該電路的紋波電壓進(jìn)行實際測試。調(diào)整輸入電壓為9 V，調(diào)整滑動變阻器使電流表A 讀數(shù)達(dá)到0.1 A，測量此時+Vo 和GND 間的輸出電壓及紋波（20M 帶寬抑制）；調(diào)整輸入電壓為24.5 V，調(diào)整滑動變阻器使電流表A 達(dá)到0.3 A，測量此時+Vo 和GND 間的輸出電壓及紋波（20 M 帶寬抑制）；+Vo 輸出電壓5.0 V 時紋波≤60 mV；+Vo 輸出電壓3.0 V 時紋波≤60 mV。

圖5 測試電路圖

4）火花試驗。電路在正常和故障狀態(tài)下，火花放電能量小于爆炸性危險氣體的最小點燃能量，滿足GB 3836.4—2010 標(biāo)準(zhǔn)對本質(zhì)安全電源的要求。

5）傳感器沖擊電流試驗。試驗采用的采樣電阻為0.34 Ω，應(yīng)用于不同型號的傳感器進(jìn)行實際測試，各種傳感器使用抗沖擊延時電源模塊沖擊電流實測數(shù)據(jù)見表1。

表1 各種傳感器使用抗沖擊延時電源模塊沖擊電流實測數(shù)據(jù)

3 結(jié) 語

礦用抗沖擊延時電源模塊可以抑制大電流的沖擊，控制電流的供給，提高了電源抗干擾能力，轉(zhuǎn)換效率，達(dá)到本質(zhì)安全ia 保護(hù)等級，從根本上限制了電火花和熱效應(yīng)，該模塊已在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器中得到推廣應(yīng)用。