煤礦用本質(zhì)安全型電源設計理論研究

楊曉丹(煤科集團沈陽研究院有限公司， 遼寧 撫順 113122)

1 前言

通常所說的電源，通常首先要提到它的輸出功率，從本質(zhì)上來說就是它的額定輸出電壓及最大輸出電流，本安電源也是如此，它的過電流保護以及過電壓保護電路是本質(zhì)安全電路在工程師設計時需要重點考慮的方向[1]。過電壓保護主要通過分壓電路采集供電主回路上的電壓值，從而通過一系列電路處理反饋到開關管的控制端。當輸出端電壓超過一定值時控制電路使輸出拉低，使輸出電壓控制在要求范圍之內(nèi)。過電流保護是在主回路加上一定功率的限流電阻，將通過此限流電阻的電流轉(zhuǎn)化為電壓信號，同樣將該電壓信號反饋到開關管的控制端。本文主要分析本質(zhì)安全電源電路的基本原理，論述了本安電源的過流保護、過壓保護電路在煤礦本質(zhì)安全型穩(wěn)壓電源電路中的應用。

2 本安電源保護電路的設計方法及參數(shù)選定

2.1 本質(zhì)安全電源的基本電路原理

煤礦井下本質(zhì)安全電源是將普通穩(wěn)壓電源的輸出通過一些多方位的保護手段使輸出電源變成本質(zhì)安全輸出，所以本質(zhì)安全電源的設計方式大多是對電源輸出電壓及電源輸出電流的合理保護來限制該穩(wěn)壓電源的能量，限制后的穩(wěn)壓電源就可以認定為本質(zhì)安全電源。電源電壓的保護方式是通過判斷輸出端電壓，該電壓高了就斷開輸出，終而復始。而電源電流的保護方式大致上分為兩種，即恒電流型及截電流型，這兩種保護電路方式在煤礦井下本質(zhì)安全電源的使用最為普遍。恒電流型本質(zhì)安全電源具有外圍電路簡單、可靠性高、電流持續(xù)性的特點，尤其是對音視頻負載，能夠最大限度保證負載電路供電正常，不易受外界因素的干擾而中斷能量供給；截流型保護電路相比較而言有電路功耗低、效率高的特點，往往可以將本質(zhì)安全電源輸出參數(shù)(功率)設計的相對更大些。煤礦井下使用的本質(zhì)安全電源一般情況下分為“Ma級” 和“Mb級”兩種保護級別，但目前以“Mb級”居多，本文主要研究“Mb級”，即本質(zhì)安全電源在設計時可以采用相同兩部分電路以串聯(lián)的形式來保護電路，即其中一個部分出現(xiàn)故障(通常短路最為嚴重)時，另外一部分保護電路仍然可以對該功能起到保護的要求[2]。因此，本質(zhì)安全電源的保護電路要設計兩部分相同的過電壓及過電流保護電路，同時也可以設計一個專門針對輸出短路的限能電路，能夠更快的將短路時前端輸出的能量加以限制。

2.2 本質(zhì)安全電源的輸出功率

本質(zhì)安全電源的輸出功率不但要滿足煤礦井下儀器儀表正常工作時的額定電流，而且要滿足當儀器儀表在重啟或者其他瞬時功率增大時工作電流突然增大而出現(xiàn)的突變電流，甚至接近本安電源的最大輸出電流。原則上本安電源的本安參數(shù)要符合GB 3836.4—2010附錄A的評定要求，評定內(nèi)容至少包括最大輸出電壓、最高輸出電流及最大外部電容、電感等參數(shù)，都要符合附錄A中要求。

3 本質(zhì)安全電源的過電壓保護設計研究

本質(zhì)安全電源的過電壓保護電路通過分壓電路，將采集到的與主回路電壓經(jīng)過一些列的信號處理，最終輸出高低兩種電平信號反饋至控制電路。當穩(wěn)壓電源的前端穩(wěn)壓模塊發(fā)生故障而使輸出端電壓突然增高，這種情況下如果沒有過壓保護措施將會有安全隱患，因為負載不能保證在增高的電壓下工作是否仍然安全。此時可以通過運放等器件來實現(xiàn)，例如電壓比較器等電路，并通過一定的邏輯性來控制開關管工作。

3.1 本質(zhì)安全電源的過電壓保護原理

主回路上的開關管通常采用兩個開關管串聯(lián)使用。電位器通過與穩(wěn)壓管串聯(lián)，將自身抽頭的分壓值反饋到可控硅的控制端。當電壓高到可控硅的門級閥值時，可控硅的控制腳電壓升高，最終到使可控硅導通，放電容放電后使上下兩端的電壓會迅速降低，從而使三極管的基極電流逐漸變小，其Vce電壓增大，導致三極管的狀態(tài)為截止狀態(tài)，開關管的Vgs沒有足夠的導通壓降，會立刻關斷，達到了切斷主回路的作用，這個過程會是一個往復的過程，最終形成閉環(huán)。即在前端電壓增高到一定程度時，經(jīng)過過壓保護電路后使本安輸出部分沒有輸出，從而達到本質(zhì)安全要求?；驹韴D如圖1所示。

圖1 過電壓保護電路

3.2 過壓保護電路測試

實際測試本安電源的輸出參數(shù)如圖2所示。從該圖可以看出，此保護電路滿足本質(zhì)安全電源過壓保護要求。示波器帶寬限制20MHz。

在電壓增高到一定程度時(即可控硅達到動作閾值)，立刻激發(fā)保護電路動作，并能在很短的時間內(nèi)被拉低，及時起到限制電壓增高，從而達到了過本安電源的過壓保護要求。

4 本質(zhì)安全電源的過電流保護設計研究

圖2 過壓保護瞬間波形圖

本質(zhì)安全電源的過電流保護主要通過硬件電路得出一個電壓比較基準，并采集主回路中的較低阻值、較大功率采樣電阻的壓差值，通過電壓比較器電路將主回路的工作電流反映出來，從而能夠?qū)崟r反饋電路主回路工作電流到控制電路。這種電路具有電路結(jié)構(gòu)簡單、邏輯性強、造價較低的優(yōu)點。

4.1 過電流保護電路原理

1)簡單三極管過電流保護電路

該電路經(jīng)常應用在電流較小的本質(zhì)安全電源中。在負載電路電阻變小時，從而導致主回路電流變大，電阻兩端壓降增加，當增加到過流保護值時，三極管達到飽和，那么三極管發(fā)射極與集電極導通，最終拉低開關管的柵極與源極的壓差，導致開關管全部關斷，迫使電源沒有輸出，達到了過流保護的作用，符合本質(zhì)安全型要求。具體線路如圖3所示。

圖3 三極管過電流保護電路

2) RC電路與三極管聯(lián)合控制過電流保護電路

該本質(zhì)安全電源電路在正常工作情況下，負載側(cè)的正常工作電流較小，限流電阻上的壓降也較小，該壓降不能使限流三極管導通，所以正常情況下電容所在回路不能充電，即電容兩端沒有壓差，因此控制三極管正常情況下也截止。如果主回路的工作電流增加到一定程度(根據(jù)開發(fā)者設計值不同)，使限流電阻兩端的壓降大于等于限流三極管基級電壓與R1電壓之和,則限流三極管導通，電容開始充電，RC電路開始工作，電容充電電流的充電時間常數(shù)為R×C。該電路需要計算器件的參數(shù)，要保證電容兩端電壓能夠足以保證控制三極管飽和導通的狀態(tài)，控制三極管集電極開漏輸出，足以驅(qū)動主回路的控制開關管動作。具體線路如圖4所示。

圖4 RC電路與三極管聯(lián)合控制過電流保護電路

3) 555定時器與PWM聯(lián)合控制過電流保護電路

UC384X系列芯片(IC1)是Unitrode公司生產(chǎn)的一款高性能單端輸出式電流控制型PWM芯片，該芯片的脈寬調(diào)制器特性可以用在煤礦井下本質(zhì)安全型電源上。IC1可以通過兩種方式控制開關管[3]：一是將3腳的電流輸入檢測端電壓升高超過1V，觸發(fā)過流保護功能，使6腳控制開關管關閉；二是將1腳電壓降低至1V以下，促使比較器輸出高電平而將PWM鎖存器復位，控制開關管關閉。當有負載電流達到過流閾值時，IC1的1腳電壓下降，使IC2觸發(fā)器工作，當7腳開始放電時，又強迫PWM控制器的1腳拉低，最終形成有周期的不斷控制開關管關閉，使電源的供電電路斷開，達到保護要求。若負載的電路的過電流始終存在，則開關管不斷的嘗試導通。而且，開關管的嘗試導通時間間隔相比導通時間較長，開關管雖然在嘗試導通時通過電流較大，但是時間很短，不會發(fā)熱。這個周期由RC電流的R和C取值決定，本例中τ=R1×C1，當負載電流恢復至正常值時開關管導通，恢復供電回路[4]。具體電路如圖5所示。

圖5 555定時器與PWM聯(lián)合控制過電流保護電路

圖6 過電流保護瞬間電路波形

4.2 過電流保護電路波形分析

本質(zhì)安全電源的輸出參數(shù)可以通過高精度示波器抓取。示波器帶寬同樣也限制在20MHz。在負載不變的情況下，電流值也為恒定不變，而在負載不斷變小時主回路電流變大，當主回路電流達到過流保護值時，三極管開始飽和，開關管關斷，形成一個閉環(huán)控制。瞬間電路波形如圖6所示。

電源在發(fā)生故障時持續(xù)供電的時間決定了該電源的限能能力。圖7所示為一個直流24V本安電源，在瞬間短路一次時的電壓及電流雙通道采樣波形圖，采樣時基為1uS，電壓經(jīng)過約0.3uS的下降時間的同時，電流迅速增加至峰值最高約為3.3A，所以在整個保護過程中，該0.3uS時間段為本安電源的保護延時時間，將這段過程盡可能縮短，是限能的最終目標。

圖7 短路保護瞬間電路波形

5 本安電源故障時瞬態(tài)輸出能量的測試評估

綜述以上幾種本質(zhì)安全型電源的保護方式，是從電路的原理上進行分析，可以達到保護的要求。一個安全性能優(yōu)越的本安電源，也可以從電源輸出的瞬態(tài)輸出能量方面去考核。瞬態(tài)輸出能量的實質(zhì)含義，就是當本安電源的負載側(cè)出現(xiàn)故障時(短路或過電流)，利用雙通道示波器同時抓取該電源輸出的電壓和電流波形圖，需要注意的是采樣頻率應至少1MHz以上，將整個保護過程的波形圖導出并通過專用軟件分析計算，圖形的計算方法為瞬時功率與時間的積分(t1時間至t2時間)，“t1”為故障開始時間，“t2”為本安電源保護結(jié)束時間，計算本次故障時從故障開始至結(jié)束時輸出的總能量，通過多種故障形式，多次計算電源的輸出能量，這個能量值理論上越小越能體現(xiàn)出電源的保護速度快。積分公式為

函數(shù)“W(t)”為在t時刻時該電源的瞬時功率值，“E”為整個故障過程中本安電源輸出的總能量。

國家標準關于本質(zhì)安全電源瞬態(tài)能量的考核也有明確方法，即在已知本安電源電壓等級的情況下，超過該電壓等級所對應的評定電流時的這段時間里，計算該段時間里的總能量，該能量值規(guī)定為不能大于260μJ。

6 結(jié)論

針對現(xiàn)有國內(nèi)煤礦井下設備供電用的關鍵設備——本質(zhì)安全型穩(wěn)壓電源，論述了本安電源保護電路的設計方法和測試評估，并詳細研究了過壓保護和過流保護兩種保護電路的基本原理。從實際應用電路、輸出波形分析以及國家標準要求相結(jié)合的方式，分析了煤礦用本質(zhì)安全電源的幾種保護方法。這幾種保護方法能夠滿足煤礦用本質(zhì)安全電源的輸出部分在煤礦井下正常工作以及遇到負載故障時達到本質(zhì)安全的要求，雙重保護設計可靠性高。這幾種保護方法采用分立元件設計，而相比其他集成芯片具有反應速度塊、成本低廉、在大電流工作時散熱快的優(yōu)點。本質(zhì)安全型電源的研究，可提高煤礦井下設備工作時安全性能，避免井下用電設備產(chǎn)生火花引起瓦斯爆炸事故，達到以人為本、安全第一的重要目的。