本安電源降低火花能量的幾個(gè)措施

董建國(guó)，李艷民，周興東，張 磊

（天津中煤電子信息工程有限公司，天津 300457）

在煤礦井下使用本質(zhì)安全類(lèi)用電設(shè)備的數(shù)量是最多的，因此，為本安型用電設(shè)備供電的本安型電源的安全要求也是非常嚴(yán)格的。而本安型電源的設(shè)計(jì)以及本安電源的輸出參數(shù)往往會(huì)成為煤礦電氣設(shè)備生產(chǎn)廠家重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。國(guó)內(nèi)外對(duì)提高本安電源輸出參數(shù)進(jìn)行了大量研究工作，推動(dòng)了本安電源技術(shù)的進(jìn)步[1-5]。本安電源火花能量的問(wèn)題很大程度上能影響本安電源的輸出參數(shù)。本安電源的輸出參數(shù)通常包括輸出電壓U0、輸出電流I0、輸出電容C0、輸出電感L0以及過(guò)流保護(hù)值、過(guò)壓保護(hù)值等。

1 本安電源輸出參數(shù)的提高

電火花是本安電源研發(fā)過(guò)程中的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象之一。電火花的引燃特性取決于電路的電氣能量,當(dāng)電路閉合或切斷時(shí),以火花形式釋放能量。本安科學(xué)理論研究的目的,就是要控制電路產(chǎn)生的電火花能量[6],使火花能量處在爆炸性混合物或易燃易爆氣體的最小點(diǎn)燃能量之下，使之成為安全火花，從爆炸發(fā)生的根本原因上解決防爆。本質(zhì)安全電路主要從以下2個(gè)方面保證本質(zhì)安全：一是限制電路的能量；二是控制電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)[7]。本安型電源中的過(guò)流保護(hù)或過(guò)壓保護(hù)的功能之一就是限制本安輸出電流或電壓的大小，從而能限制本安電路的能量和熱效應(yīng)。

如果對(duì)電源的本安輸出參數(shù)有很高的要求時(shí)，也可以通過(guò)適當(dāng)?shù)販p少保護(hù)動(dòng)作時(shí)間即減少放電時(shí)間的方式來(lái)降低火花點(diǎn)燃能量，從而變相地提高電源的本安輸出參數(shù)。原理就是通過(guò)提高保護(hù)動(dòng)作速率，在正常的放電時(shí)間周期內(nèi)，提前完成1次放電過(guò)程，火花區(qū)放電能量示意圖如圖1。

圖1 火花區(qū)放電能量示意圖Fig.1 Energy of discharge spark diagram

從圖1中可以看出，放電能量代表圖形的面積，如果保護(hù)動(dòng)作時(shí)間△t＜△T，或者調(diào)節(jié)控制的足夠短，那么，放電能量就可以按要求降低。換一句話說(shuō)，通過(guò)減小過(guò)壓或過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間（放電時(shí)間）確實(shí)可以提高本安輸出電源的輸出電壓和電流[8]。

在實(shí)際測(cè)試中，通常會(huì)選擇關(guān)斷速度很快的三極管或場(chǎng)效應(yīng)管作為過(guò)流保護(hù)的開(kāi)關(guān)管，能在一定程度上使本安電路的過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間縮短，本安電路輸出端放電的火花能量會(huì)降低，從而提高本安電源的輸出參數(shù)，例如提高輸出電流或輸出電壓值。但是，設(shè)計(jì)本安電源過(guò)程中，僅僅選擇快速的開(kāi)關(guān)管來(lái)縮短過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，只能在一定程度上提高本安電源的輸出參數(shù)。如果輸出參數(shù)要求較高，還需要采取一些其它的輔助措施，組合起來(lái)綜合提高過(guò)流保護(hù)動(dòng)作速率，減少過(guò)流保護(hù)放電時(shí)間。

2 降低火花能量的幾個(gè)措施

本安電源示意圖如圖2，圖2是一個(gè)只包括了2路過(guò)流保護(hù)的本安電源的示意圖,為了便于闡述清楚，假定圖中的開(kāi)關(guān)管都為N溝道場(chǎng)效應(yīng)管或NPN的三極管。

圖2 本安電源示意圖Fig.2 Intrinsic safety power supply diagram

如圖2，U1是一個(gè)DC-DC或AC-DC模塊,U2是一個(gè)升壓模塊，將Uin的電壓升壓到Ux，Ux的電壓值應(yīng)大于Uin。Q1、Q2為2個(gè)用于過(guò)流保護(hù)的開(kāi)關(guān)管。R3和R4為Q1提供偏置電壓，R5和R6為Q2提供偏置電壓。R0是GND和OV之間的電阻。 Q3、Q4為控制Q1和Q2的開(kāi)關(guān)管。U1輸出的電壓是Uin和GND，本安電源的輸出電壓是U0和0 V間的電壓差。R1和 R2是 2 個(gè)過(guò)流采樣電阻，U3、U4是與 R1、R2對(duì)應(yīng)的過(guò)流采樣電路,當(dāng)通過(guò)R1和R2上的電流上升到設(shè)定的過(guò)流保護(hù)值時(shí)，R1上的電壓會(huì)使U3輸出過(guò)流保護(hù)信號(hào)CtrlA，從而Q3導(dǎo)通，Q1的柵極或基極電壓降低，導(dǎo)致Q1關(guān)斷；同理，R2上的電壓也會(huì)使U4輸出過(guò)流保護(hù)信號(hào)CtrlB，從而Q4導(dǎo)通，Q2的柵極或基極電壓降低，導(dǎo)致Q2關(guān)斷。

為了使過(guò)流保護(hù)的動(dòng)作速率更快，通常Q1、Q2、Q3、Q4都應(yīng)當(dāng)選用高速的開(kāi)關(guān)管。另外，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)電路時(shí)，若能有選擇地采用以下的措施，也可以部分地改善過(guò)流保護(hù)的火花能量。

1）過(guò)流保護(hù)時(shí)關(guān)掉DC-DC或AC-DC模塊。若發(fā)生過(guò)流保護(hù)時(shí)，控制電路能快速地將DC-DC或AC-DC模塊關(guān)掉，會(huì)一定程度使火花能量降下來(lái)。其中火花能量下降的程度與DC-DC或AC-DC模塊關(guān)斷速率有關(guān)。如果關(guān)斷速率比圖2中過(guò)流開(kāi)關(guān)管Q1或Q2還慢，該措施就基本失去改善火花能量的效果了。若采用市場(chǎng)上通用的DC-DC或AC-DC模塊，控制速率一般比較慢，而且為了隔離，有可能需要采用光耦來(lái)關(guān)斷DC-DC或AC-DC模塊，使控制速率不容易滿足過(guò)流保護(hù)的要求。但是，如果自行設(shè)計(jì)DC-DC或AC-DC模塊，就可以采用該措施提升過(guò)流保護(hù)效果。

2）主回路過(guò)流保護(hù)的開(kāi)關(guān)管避免工作在深度飽和狀態(tài)。也就是說(shuō)要避免將過(guò)流保護(hù)的開(kāi)關(guān)管設(shè)置在深度飽和區(qū)。若過(guò)流保護(hù)的開(kāi)關(guān)管是場(chǎng)效應(yīng)管，假設(shè)場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)啟電壓UGS(th)等于4.0 V，可將場(chǎng)效應(yīng)管控制極電壓設(shè)置在5～6 V之間。假設(shè)場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓UGS=9 V，這時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管的UDS壓降會(huì)比較低，但在發(fā)生過(guò)流保護(hù)時(shí)，柵極電壓UGS從9 V到4 V需要一定的時(shí)間，從而導(dǎo)致場(chǎng)效應(yīng)管的關(guān)斷速率可能不理想。若主回路過(guò)流保護(hù)的開(kāi)關(guān)管是NPN 三極管，三極管飽和導(dǎo)通時(shí)，Ub＞Uc且 Ub＞Ue。若基極電流Ib值比較大，發(fā)生過(guò)流保護(hù)時(shí)，將Ib降低到使開(kāi)關(guān)管關(guān)斷所需要的時(shí)間會(huì)比Ib小的情況長(zhǎng)一些，導(dǎo)致發(fā)生過(guò)流保護(hù)時(shí)關(guān)斷時(shí)間變長(zhǎng)。例如在圖2中，應(yīng)避免Q3、Q4的漏源電流IDS值比較大的情況，可以通過(guò)增大電阻R3、R5的限流作用使Q3、Q4關(guān)斷的電流降低到一定程度。但是Q1、Q3、Q4關(guān)斷的電流非常小時(shí)，過(guò)流保護(hù)可能會(huì)變得很靈敏，在有電磁干擾的情況下，Q1或Q2有可能在沒(méi)有過(guò)流情況下出現(xiàn)關(guān)斷的情況，以致脈沖群、浪涌等不容易通過(guò)。所以參數(shù)的選擇最好通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)確定。

3）主回路開(kāi)關(guān)管的控制電路進(jìn)行過(guò)流保護(hù)時(shí)以導(dǎo)通代替關(guān)斷。如果查閱各種場(chǎng)效應(yīng)管、三極管的參數(shù)，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管或三極管用作開(kāi)關(guān)管時(shí)，有很多管子的td(on)（Turn-On Delay Time）是小于td(off)（Turn-Off Delay Time）的，而且不少管子的tr（Rise Time）也小于tf（Fall Time）。所以在設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)的控制電路時(shí)，如果選擇td(on)＜td(off)且tr＜tf的開(kāi)關(guān)管，并且把主回路開(kāi)關(guān)管的控制管設(shè)計(jì)成以導(dǎo)通代替關(guān)斷，如圖2，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流保護(hù)信號(hào)后，Q3、Q4導(dǎo)通，使Q1或Q2的偏置電壓降低，導(dǎo)致Q1或Q2關(guān)斷。因?yàn)樗x的控制管導(dǎo)通時(shí)間比關(guān)斷時(shí)間短，以導(dǎo)通代替關(guān)斷可以縮短過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，從而改善過(guò)流保護(hù)的火花能量。

4）通過(guò)對(duì)電路板合理布線來(lái)改善火花的能量。如果電路板PCB的布線合理，也能一定程度改善火花能量。可參照高速PCB設(shè)計(jì)要求，并兼顧抗電磁干擾抑制方法，對(duì)電路板的布局、布線進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如，數(shù)字地和模擬地要分開(kāi)，二者可通過(guò)0 Ω電阻相連[9]；數(shù)字地可構(gòu)成閉環(huán)并且可采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；盡量加寬電源線和地線的寬度，并且電源線和地線盡量直、短，電源線和地線之間加去耦電容等。地線可使用大面積覆銅，但是，如果本安電源需要通過(guò)電磁干擾測(cè)試時(shí)，應(yīng)該考慮這樣的情況：對(duì)傳導(dǎo)干擾信號(hào)，如果地線不帶扼流圈，則高頻共模干擾信號(hào)會(huì)從地線中無(wú)遮攔地進(jìn)入受試設(shè)備內(nèi)部；地線阻抗越小，進(jìn)入就越容易[10]。因此，本安輸出端附近的地線是否適合大面積覆銅，可能需要根據(jù)電路設(shè)計(jì)情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3 結(jié)語(yǔ)

提升保護(hù)動(dòng)作速率，減少保護(hù)放電時(shí)間，能在一定程度上使本安電路輸出端放電的火花能量降低，從而提高本安電源的輸出參數(shù)。為提升過(guò)流保護(hù)動(dòng)作速率，不僅需要快速的元器件，還需要相關(guān)電路的輔助。論述了改善過(guò)流保護(hù)火花能量的輔助措施。