鄒德東，劉 鵬

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

隨著礦山數(shù)字化、智能化的迅猛發(fā)展，越來越多的本質(zhì)安全類監(jiān)控設(shè)備被實(shí)施部署到煤礦井下。為其供電的本安電源穩(wěn)定與否直接影響到這些設(shè)備能否穩(wěn)定準(zhǔn)確可靠的工作，甚至影響整個(gè)礦山的安全生產(chǎn)，給作業(yè)人員的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來隱患。

本質(zhì)安全型電源的設(shè)計(jì)主要需要考慮2個(gè)方面：①安全性：在任何情況下，本安電源與負(fù)載的任何工作狀態(tài)所產(chǎn)生的電火花均不足以點(diǎn)燃的周圍的爆炸性氣體[1-3]；②穩(wěn)定性：既要滿足大容量負(fù)載的帶載需求，又要避免由于負(fù)載短時(shí)起動(dòng)沖擊造成的誤動(dòng)作，同時(shí)要盡可能降低靜態(tài)工作電流，在后備電源工作時(shí)，延長(zhǎng)工作時(shí)間。然而安全性與穩(wěn)定性是矛盾對(duì)立的關(guān)系，所以在設(shè)計(jì)本安電源時(shí)，要結(jié)合實(shí)際負(fù)載情況，在安全性和穩(wěn)定性之間找到結(jié)合點(diǎn)，選擇合適的保護(hù)方式及參數(shù)，既保證安全，又能使負(fù)載穩(wěn)定工作。為此，通過對(duì)影響本質(zhì)安全的因素及其保護(hù)方式的研究，提出了一套集低損耗、抗沖擊、緩起動(dòng)、自恢復(fù)功能于一體的大容量本質(zhì)安全型電源設(shè)計(jì)方案。

1 本質(zhì)安全型電源關(guān)鍵技術(shù)

1）本安電源容量與保護(hù)時(shí)間的關(guān)系。任何一款直流電源的輸出，在短路的瞬間必然要產(chǎn)生電火花，在感性負(fù)載斷開的瞬間由于反向電動(dòng)勢(shì)的存在也會(huì)產(chǎn)生電火花[3-4]。如果電火花釋放的能量足以點(diǎn)燃周圍的爆炸性氣體就會(huì)產(chǎn)生爆炸。所以本質(zhì)安全電路的最終目的是降低電火花釋放出的能量。影響該能量大小最關(guān)鍵的因素有2個(gè)：本安電源容量和能量釋放時(shí)間[5]。電火花放電能量與電源容量及放電時(shí)間的關(guān)系如圖1。圖中：P0、P1為能量釋放起始時(shí)刻的容量；t0為能量釋放起始時(shí)刻；t1為帶有保護(hù)的能量釋放結(jié)束時(shí)刻；t2為未帶保護(hù)的能量釋放結(jié)束時(shí)刻。△P1t0t1、△P0t0t2、△P0t0t2的面積依次代表減少保護(hù)時(shí)間、降低電源容量和沒有任何措施時(shí)的火花能量。不難看出，可以通過降低容量或者減少保護(hù)時(shí)間來達(dá)到本質(zhì)安全的目的。

圖1 火花能量與電源容量及釋放時(shí)間的關(guān)系Fig.1 Relationship between spark energy and power capacity and release time

2）抗沖擊關(guān)鍵技術(shù)。本安電源在滿足本安要求的前提下，保護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)意味著抗沖擊性能就越好。由圖1可知，電火花釋放的能量與電源容量及釋放時(shí)間成正比。這就意味著在滿足火花能量不足以點(diǎn)燃爆炸性氣體的前提下，找到電源容量與保護(hù)時(shí)間的結(jié)合點(diǎn)能夠使本安電源的性能達(dá)到最優(yōu)。因此，在設(shè)計(jì)本安電源的過程中，不應(yīng)一味的追求電源容量，能夠滿足負(fù)載正常起動(dòng)和工作就好。給保護(hù)時(shí)間留出余量，提高電路的抗沖擊性能。

3）截流型本安電源的自恢復(fù)技術(shù)。目前行業(yè)內(nèi)普遍采用本安電源保護(hù)方式有2種：限流型和截流型[6]。限流型的工作原理是故障產(chǎn)生后會(huì)立即切斷電源輸出，然后緩慢恢復(fù)，如果故障一直沒有解除，當(dāng)電流恢復(fù)至正常工作的電流值時(shí)，開關(guān)器件將工作在非飽和區(qū)域，從而產(chǎn)生熱量；因此，為避免器件的熱損傷，限流型本安電源容量比截流型要小。截流型的工作原理與限流型不同的是在切斷輸出后并不會(huì)緩慢恢復(fù)，而是通過自鎖原理讓電源繼續(xù)保持保護(hù)狀態(tài)；因此，截流型本安電源在保護(hù)時(shí)產(chǎn)生的熱量極小，電源容量也比限流型大。如果能讓截流型電源在保護(hù)后定期自動(dòng)恢復(fù)，將會(huì)滿足現(xiàn)場(chǎng)大容量負(fù)載連續(xù)工作的要求；自恢復(fù)是指電路在保護(hù)后，定時(shí)解除保護(hù)，如發(fā)現(xiàn)故障未撤銷，則繼續(xù)保護(hù)，如此反復(fù)，直至故障解除，正常輸出。

4）緩起動(dòng)技術(shù)。目前井下監(jiān)控類設(shè)備為了降低功耗，電源部分大都采用開關(guān)電源原理，電源入口儲(chǔ)能元件較多，致使負(fù)載起動(dòng)電流過大，容易造成本安電源誤動(dòng)作。如果在本安電源輸出及自恢復(fù)的時(shí)刻引入緩起動(dòng)技術(shù)，將大大降低負(fù)載起動(dòng)電流對(duì)電源造成的沖擊。緩起動(dòng)的工作機(jī)理是起動(dòng)瞬間，通過小電流儲(chǔ)能的方式，控制開關(guān)器件緩慢導(dǎo)通，達(dá)到緩慢提高輸出電流的目的，保證負(fù)載穩(wěn)定起動(dòng)。

2 基于容量及保護(hù)時(shí)間可調(diào)的礦用本安電源

為最大限度的滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際負(fù)載需求，設(shè)計(jì)了一款新型本安電源。該電源主要有過壓保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)、自恢復(fù)電路、緩起動(dòng)電路、檢流電阻及開關(guān)器件組成。本安電源功能框圖如圖2。

圖2 本安電源功能框圖Fig.2 Functional block diagram of intrinsically safe power supply

開關(guān)器件選用P溝道場(chǎng)效應(yīng)管IRF7240。該芯片為SOP8封裝。漏源最大電壓UDS為-40 V，最大工作電流ID為-10.5 A，完全滿足煤礦井下本安型負(fù)載的供電要求。芯片典型內(nèi)阻在20 mΩ左右，在流經(jīng)大電流時(shí)能夠保證壓降不會(huì)太大，同時(shí)避免芯片發(fā)熱造成損壞。芯片關(guān)斷時(shí)間為210 ns，在P溝道場(chǎng)效應(yīng)管中是比較快的，完全滿足本安電源保護(hù)的需求。

邏輯判斷部分選用高速比較器LM339。該芯片為SOP14封裝。內(nèi)部集成4路開漏輸出型比較器，本設(shè)計(jì)中用到3路。芯片最大供電電壓UID為直流36 V。大失調(diào)電壓UIO為5 mV，可以極大限度保證成品的一致性。典型反應(yīng)時(shí)間為300 ns，完全滿足保護(hù)需要。

為了使電路工作穩(wěn)定，一致性好。內(nèi)部參考電壓選用專用的電壓基準(zhǔn)芯片LM285-2.5輸出DC2.5 V電壓。在允許工作溫度范圍內(nèi)誤差不到1%，可以使電路中各保護(hù)值更加準(zhǔn)確[7]。

針對(duì)各功能模塊，結(jié)合本安電源關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)。本安電源電氣原理圖如圖3。

圖3 本安電源電氣原理圖Fig.3 Electrical schematic diagram of intrinsically safe power supply

2.1 過流和短路保護(hù)

為保證電源容量，采用了截流型的保護(hù)方式。過流時(shí)由U1C、D3控制Q1關(guān)斷完成保護(hù)。圖中，Uref1為2.5 V。U1C11腳上的電壓Uref2由Uref1經(jīng)R12、R17分壓確定。Uref2計(jì)算如式（1）：

正常工作時(shí)，U1C10腳上的電壓，也就是R8上的電壓低于Uref2，比較器13腳輸出電壓輸出經(jīng)R13上拉之后為高電平，控制Q2關(guān)斷，Q1導(dǎo)通，正常輸出。過流時(shí)，U1C10腳上的電壓增大，當(dāng)超過Uref2時(shí)，U1C13腳輸出電壓為低電平，控制Q2導(dǎo)通，使Q1的門極與源極間電壓UGS近似為0，Q1關(guān)斷，達(dá)到保護(hù)目的。短路保護(hù)可以理解為電流無限大的過流保護(hù)，是過流保護(hù)的一種特殊情況，保護(hù)過程等同于過流保護(hù)。過流保護(hù)值Imax計(jì)算如式（2）：

由式（2）可知，通過調(diào)整R8的阻值即可調(diào)整本安電源的過流保護(hù)值。Uref2設(shè)計(jì)得過大會(huì)導(dǎo)致滿載和空載時(shí)電源輸出變化較大；設(shè)計(jì)得過小會(huì)影響保護(hù)精度。可以根據(jù)式（1）對(duì)R12與R17的比例關(guān)系進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而得到合理的Uref2的值。

過流保護(hù)執(zhí)行時(shí)間除了由保護(hù)器件固有特性決定外，還可以通過改變C1和R7的參數(shù)來調(diào)整[8]。正常工作時(shí)，D3正極為高電平。此時(shí)C1兩端電壓為0。保護(hù)發(fā)生時(shí)，D3正極為低電平，UIN通過R7向C1充電，導(dǎo)致Q2的基極電壓緩慢下降。使Q2導(dǎo)通的時(shí)間延長(zhǎng)，從而控制Q1實(shí)現(xiàn)延時(shí)關(guān)斷的目的。提升抗沖擊能力。

2.2 過壓保護(hù)

輸入電壓過高時(shí)，由U1A、D1控制Q1關(guān)斷完成保護(hù)。U1A7腳接Uref1電位為2.5 V。U1A6腳電位由輸入電壓UIN經(jīng)R1、R9分壓確定。當(dāng)UIN未到過壓保護(hù)值時(shí)，經(jīng)過分壓后的U1A6腳電位小于U1A7腳的電位，U1A1腳輸出高電平，控制Q1導(dǎo)通，電源正常輸出。當(dāng)UIN過高，經(jīng)過分壓后的U1A6腳電位大于U1A7腳的電位時(shí)，U1A1腳輸出低電平，控制Q1關(guān)斷，達(dá)到保護(hù)目的。過壓保護(hù)值Umax計(jì)算如式（3）：

由式（3）可知，通過調(diào)整R1與R9的比例即可調(diào)整過壓保護(hù)值。R1、R9的選值大一些可以降低靜態(tài)功耗，但同時(shí)容易接收輻射、靜電等一些干擾，造成誤動(dòng)作。經(jīng)過反復(fù)測(cè)試發(fā)現(xiàn)流經(jīng)R1與R9的電流在1 mA以上時(shí)，可以有效避免干擾，電路運(yùn)行穩(wěn)定，同時(shí)靜態(tài)功耗很小。

2.3 自恢復(fù)電路

截流型電源需要具備自恢復(fù)功能[8-10]，由Q3、C3、R15結(jié)合R4、R5、R6控制U1B來實(shí)現(xiàn)。在電路正常工作時(shí)，U1C13腳輸出高電平，Q3截止，所以U1B4腳電位由R16下拉為低電平。U1B5腳電壓U1B-5可由式（4）計(jì)算得出?？梢钥闯龃藭r(shí)U1B-5必然大于Uref1，所以U1B2腳輸出高電平，Q1導(dǎo)通，電路正常工作。

過流時(shí)，U1C13腳輸出低電平，控制Q3導(dǎo)通。U1B4腳電位U1B-4近似等于UIN。由式（4）可知，此時(shí)U1B-5小于U1B-4，所以U1B2腳輸出低電平，控制Q1斷開，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。與此同時(shí)，由于U1B2腳輸出低電平，使得U1B-5發(fā)生變化，此時(shí)必然小于Uref1，因此可以維持保護(hù)狀態(tài)。過流保護(hù)后U1B5腳電壓U1B-5如式（5）。

過流保護(hù)動(dòng)作后，由于主回路已被切斷，所以U1C13腳又將恢復(fù)為高電平，此時(shí)Q3關(guān)斷。但由于過流保護(hù)瞬間Q3導(dǎo)通，UIN已經(jīng)由R15向C3進(jìn)行充電，所以在Q3關(guān)斷后，U1B4腳由于C3放電，仍將維持高電平，并且緩慢下降。其中R15的作用是限制Q3導(dǎo)通時(shí)C3的充電電流，防止燒壞Q3。主要的放電回路由R16完成。當(dāng)電壓降至U1B-5以下時(shí)，U1B2腳電位翻轉(zhuǎn)輸出高電平，控制Q1導(dǎo)通，電路恢復(fù)。該電路的恢復(fù)時(shí)間由C3和R16決定。通過增大C3或R16的值可以延長(zhǎng)恢復(fù)時(shí)間，反之則可以縮短恢復(fù)時(shí)間。

2.4 緩起動(dòng)電路

緩起動(dòng)電路由Q2、C2、R11構(gòu)成。保護(hù)過程Q2導(dǎo)通。UIN通過Q2、R10向C2充電。保護(hù)解除后，Q2關(guān)斷。此時(shí)C2兩端電壓近似于UIN，Q1的門極與源極間電壓UGS近似為0，不滿足導(dǎo)通條件，仍為關(guān)斷狀態(tài)。但隨著C2通過R11放電，Q1的UGS逐漸增大，導(dǎo)通能力逐步增強(qiáng)，直至完全導(dǎo)通，電路恢復(fù)工作[11]?？赏ㄟ^改變C2、R11的參數(shù)調(diào)整緩起動(dòng)坡度。但為了防止Q1工作在非飽和區(qū)時(shí)間過長(zhǎng)而燒壞芯片，不建議將緩起動(dòng)坡度調(diào)整的過緩，滿足需要即可。

3 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種容量及保護(hù)時(shí)間可調(diào)并且?guī)Ь徠饎?dòng)及自恢復(fù)功能的截流型本安電源，并對(duì)各個(gè)功能模塊原理進(jìn)行了分析。采用截流型的保護(hù)方式，可以滿足大功率負(fù)載的帶載要求。通過對(duì)檢流電阻參數(shù)的調(diào)整可以改變本安電源容量。結(jié)合對(duì)保護(hù)時(shí)間的調(diào)整，可在電源容量及保護(hù)時(shí)間之間找到結(jié)合點(diǎn)，既能滿足帶載需求，又能增加抗沖擊能力。電路具有自恢復(fù)功能，解決了截流型電源保護(hù)后不能自動(dòng)恢復(fù)的問題，并且恢復(fù)時(shí)間可調(diào)。電路具有緩起動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)了在保護(hù)解除后電源緩慢輸出，解決了負(fù)載起動(dòng)時(shí)沖擊電流過大導(dǎo)致電源誤動(dòng)作的問題。試驗(yàn)證明，本安電源的設(shè)計(jì)并不是容量越大越好，而是要在滿足安全的前提下，盡量提高輸出的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)的基于容量及保護(hù)時(shí)間可調(diào)的礦用本安電源已經(jīng)配接人員定位分站應(yīng)用到煤礦井下，供電穩(wěn)定，性能可靠；完全滿足礦用產(chǎn)品對(duì)本安電源的供電要求。