張一波

（1.中煤科工集團常州自動化研究院，江蘇常州，213015；2.天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇常州，213015）

0 引言

隨著煤炭行業(yè)的規(guī)范化、標準化、科技化，越來越多的電子設備開始應用于煤礦；這也造成了礦井巷道中各種線纜的增多；受礦井空間制約，許多線纜會使用同一條電纜掛鉤，這會造成一些高壓動力線與本安設備電源輸入電纜接觸；當井下大功率設備工作時，極易產生浪涌，干擾設備正常運行；嚴重時會導致整個煤礦系統(tǒng)癱瘓[1,2]。本安設備由于自身電路中電容、電感的存在，在上電時會有較大的沖擊電流，如果不對啟動電流進行限制，本安設備往往無法正常啟動。另外，本安電源與本安設備之間通常距離較遠，并且給本安設備供電的電纜型號眾多，因此線路損耗問題也會影響本安設備的穩(wěn)定性[3]。針對上述問題，本文介紹了一種礦用本安型設備電源電路設計方案，該電源電路基于LED驅動芯片AL8805與BUCK芯片TPS54302設計，具有外圍電路簡單、集成化高、抗浪涌、軟啟動與限流保護等特點，能夠提高本安設備的穩(wěn)定性。

1 電源電路原理

電源電路整體工作原理如圖1所示，限流與軟啟動電路用于限制電源輸入電流，降低本安設備啟動時刻的沖擊電流[4]；抗干擾電路1與抗干擾電路2主要消除電源電路輸入端與電路中的干擾信號；DC-DC轉換是將輸入電壓轉換為本安設備所需要的穩(wěn)定直流電壓；過壓保護可防止DC-DC出現(xiàn)故障時，過高的電壓引入設備輸入側，對設備造成損壞。由于電源電路是應用于本安設備，因此設計的電源電路也必須滿足本安要求，電源電路中與本安性能相關的元件都需要依據(jù)GB3836相關要求進行安全處理。

圖1 電源電路整體原理圖

■ 1.1 抗干擾處理電路

抗干擾電路1如圖2所示。在輸入端并聯(lián)瞬態(tài)電壓抑制器（TVS），可保護電源電路內部元件，防止輸入端出現(xiàn)浪涌時對電源電路造成損壞[6]；加入共模電感，可以減少輻射，降低高頻共模噪音；并聯(lián)的瓷介質電容能夠減小輸入電纜帶入的干擾信號。設計的電源電路中共模電感L1選用Wurth的744228。由于本安設備的工作電壓一般在9~24VDC，因此瞬態(tài)電壓抑制器反向截止電壓應大于24V，根據(jù)上述要求，VD1、VD2采用SMCJ26A；考慮到輸入電源的本安參數(shù)，瓷介質電容C1為0.1μF。

圖2 抗干擾電路1

電解電容和瓷介質電容組成了抗干擾處理電路2（見圖3）；電解電容不僅能濾除高頻干擾，也能作為儲能元件，在本安設備重啟的瞬間通過放電繼續(xù)為其提供能量；瓷介質電容可對輸入電壓進行濾波。設計的電源電路中電解電容為47μF，瓷介質電容為0.1μF。

圖3 抗干擾電路2

■ 1.2 限流與軟啟動電路

在設計的電源電路中加入限流保護與軟啟動電路，可以將本安設備的啟動沖擊電流限制在合理的范圍內。整個電路基于AL8805設計；AL8805輸 入電壓范圍為6~36VDC，驅動電流高達1A，在上電時AL8805可以軟啟動方式開啟，并且軟啟動時間可調；可以根據(jù)電流采樣電阻R2來限制電路中最大輸出電流。設計電路如圖4所示。

圖4 軟啟動與限流電路設計

當電源電路接通電源時，電容C2開始充電；CTRL引腳電壓VCTRL低于0.5V，此時AL8805關閉輸出電流，不會為后級電路供電，整個限流與軟啟動電路處于低電流消耗待機模式。當VCTRL電壓上升至0.5V時，AL8805開始工作，VCTRL處于0.5~2.5V時，電路的輸出電流會隨VCTRL增大而線性增大，當VCTRL等于2.5V，輸出電流達到最大值，軟啟動過程結束；此時的輸出電流為后級電路正常工作時所需要的電流。軟啟動電路的啟動時間控制可以根據(jù)延時電容C2的值來改變；引腳CTRL浮空時，AL8805的默認軟啟動時間為0.1ms；當增加軟啟動電容C2，延遲時間T(單位為ms)與延時電容C2（單位為nF）的關系為：

電阻R2為電流采樣電阻，主要用于檢測與調節(jié)電路的輸出電流，與電路限制輸出電流IOUT(NOM)的典型關系為:

根據(jù)R2阻值的不同，可將沖擊電流限制在設定的范圍內；若輸入電流或負載設備工作電流超過限制范圍，AL8805會使整個電源電路進入保護模式，防止電源產生誤動作；電感L1應選用低直流電阻的電感，以此來獲得更高的轉化效率。

設計的電路中延遲電容C2為200nF，電流采樣電阻R2為400mΩ，電感L1為22μH，根據(jù)公式(1)、(2)可知軟啟動時間為20ms；限制電流為250mA。

■ 1.3 DC-DC電源轉換電路

DC-DC電源轉換電路如圖5所示，DC-DC電源轉換芯片選用TPS54302；其固定開關頻率為400kHz，具有過流、過壓與熱保護、輸出效率高、紋波小、電壓輸入范寬(4.5~28VDC)、持續(xù)輸出電流高達3A等優(yōu)點。

圖5 DC-DC轉換電路

TPS54302輸出電壓計算公式為：

公式(3)中VREF=0.596V。

設計的電源電路中輸出電壓為5V，根據(jù)公式(3)，R2為100kΩ；R4為13.3kΩ。

在DC-DC電源轉換電路設計時，需要注意電容，電感的值不能超出輸入本安電源規(guī)定的最大輸出電容值與最大輸出電感值，并且過大或過小的電感與電容會對電源的紋波產生較大的影響。電路中的輸出電容C4與輸出電感L1的計算公式為：

公式(4)、(5)中fsw為TPS54302開關頻率，VOUTripple為最大允許輸出電源紋波，Iripple為電感器紋波電流，KIND為常量一般取值為0.35，VOUT為輸出電壓，IOUT表示輸出電流，VIN(MAX)表示最大輸入電壓。

假設輸入電壓范圍為9~24VDC，輸出電壓為5V，輸出電流為900mA，電感器紋波電流為1A；根據(jù)公式(4)計算得出輸出電容C4的值應不小于10.4μF；根據(jù)公式(5)計算得出輸出電感L1的值應不小于31.4μH。

電路中的C5為TPS54302的前饋電容，可以改善由于輸出電容C4帶來相位裕度偏小的問題，提高電路的穩(wěn)定性。

前饋電容C5的容值可以由公式(6)計算得出：

其中fo為交叉頻率，計算公式為：

考慮到DC-DC電源轉換電路環(huán)路穩(wěn)定性與內部寄生參數(shù)的影響，交叉頻率fo應小于40kHz；因根據(jù)公式(6)與公式(7)計算得出，選用的輸出電容C4應不小于25.5μF；前饋電容C5應不小于39.8pF。

通過對DC-DC電源轉換電路進行多次實物驗證，在DC-DC電源轉換電路中輸出電感L1大小為47μH，輸出電容C4大小為33μF，前饋電容C5大小為75pF的條件下，DC-DC電源轉換電路輸出效果較好。

■ 1.4 安全處理

1.4.1 輸入端本安處理

根據(jù)GB3836中最為嚴格的本質安全ia保護等級要求，電路在正常工作、1個或者2個故障時，不會點燃爆炸性氣體混合物，因此在電源電路輸入端串聯(lián)3個二極管SS34，如果其中1個或者2個二極管出現(xiàn)故障時候（按照短路故障），電路也可以正常工作；同時SS34也可起到防止電源反接與防止電路中電容能量向外側擴散的作用。

為了確保在最不利的情況下電路的本安特性，需要在輸入端增加快融保險絲，快融保險絲的額定熔斷值應大于AL8805 設定的限流值；考慮到電源電路需長時間穩(wěn)定工作，因此選額定熔斷值為400mA的快融保險絲。

1.4.2 輸出端過壓保護

位于DC-DC輸出端的過壓保護電路可以采用穩(wěn)壓二級管或可控硅進行設計，起到輸出電壓過高時，防止后級本安設備電路損壞的作用[5,6]。由于穩(wěn)壓二極管的功率一般在5W以內，根據(jù)GB3836.4中的相關要求，如果采用穩(wěn)壓二極管作為輸出端過壓保護器件，電源電路的輸入端電流IIN應滿足:

公式(8)中VZ為穩(wěn)壓二級管的穩(wěn)壓值，PW為穩(wěn)壓二級管的額定功率。

當輸入電流過大，穩(wěn)壓管無法滿足本安功率要求的條件下，可采用可控硅進行過壓保護電路設計。

設計的電源電路輸入端限流值為250mA，選用三個額定功率PW為5W的SMBJ5342穩(wěn)壓二極管(穩(wěn)壓值VZ為6.8V)并聯(lián)在電源電路輸出端進行過壓保護。根據(jù)公式(8)計算：

因此選用穩(wěn)壓二極管SMBJ5342進行過壓保護符合GB3836.4中的相關要求。

1.4.3 電容電感本安處理

由于電源電路中存在電解電容以及其它電容、電感，這會影響電路的本安性能；為了保證電路符合本安要求，將設計的電源電路放入材質為PVC的殼體中，并用環(huán)氧樹脂進行澆封。

2 實驗分析

■ 2.1 效率與紋波測試

將直流穩(wěn)壓電源作為該電源電路的輸入(輸出9~24V)，電子負載作為模擬負載對設計的電源電路幾個關鍵點進行測試，測試結果如表1。

表1 電源模塊測試結果

從表1可知，電源電路輸出電壓穩(wěn)定，輸出紋波控制在23mV左右，電路整體轉化效率在77.43%~85.53%。

■ 2.2 軟啟動測試

電源電路中設置延遲電容為200nF，電路限流250mA（R2=400mΩ），輸入電壓18V，在電源電路的輸入端串聯(lián)一個0.5Ω的電阻，通過示波器測量電阻上的電壓來近似代替電流波形，分別測量負載為100mA、300mA、500mA處輸入軟啟動波形：測試結果如圖6所示。

電源電路帶載100mA、300mA、500mA時，上電后軟啟動電路的啟動過程明顯，啟動時最大沖擊電流分別為164mA、226mA、212mA；小于250mA，在20ms左右軟啟動結束，電路平穩(wěn)運行。

■ 2.3 帶載能力測試

將具有該電源電路的紅外甲烷傳感器進行18V@3km、24V@6km遠距離帶載測試，紅外甲烷傳感器均未出現(xiàn)重啟現(xiàn)象。

■ 2.4 EMC與火花實驗

將具有該電源電路的紅外甲烷傳感器進行EMC等級為4的群脈沖，浪涌測試，均能正常工作；在火花點燃實驗中，并未出現(xiàn)爆炸情況。

3 結論

本文設計了一種礦用本安型設備電源電路，主要依據(jù)集成芯片AL8805與TPS54302進行設計，外圍電路簡潔，通過電路中所使用重要元件參數(shù)優(yōu)化以及安全處理，使得該電源電路在應用中更加安全可靠，實驗結果表明電源電路具有抗干擾性強、效率高、紋波小的優(yōu)點，具有一定的應用價值。

圖6