FISCO隔離式安全柵電源的設計與解析

摘 要：文章介紹了安全柵在現場總線本安系統中的作用，說明FISCO安全柵和傳統安全柵的區別，全面描述FISCO安全柵在國內外的現狀，重點對FISCO隔離式安全柵電源的原理、參數進行了解析和研究，要求該電源具有梯形特性，能夠保證通過它的能量都是本安的。

關鍵詞：現場總線；本質安全；FISCO安全柵；梯形特性

引言

安全柵在本質安全型（簡稱本安）系統中危險區和安全區之間起著能量隔離限制的柵網作用，一般都安裝在安全場所且含有本安電路和非本安電路的裝置，其電路設計要使非本安電路不能對本安電路產生負作用，也就是說通過限流和限壓電路限制送往現場本安回路的能量，防止非本安電路的危險能量竄入本安電路。因此，不論控制室設備是處于正常工作狀態還是故障狀態，安全柵都能確保通過它傳送給現場設備的能量是本安的。

現場總線的優點就在于允許一條通信總線上可以掛接多臺現場總線設備，這就需要從總線上吸取更大的電流，如果引用現有的安全參數和認證方法，在一條總線上只能掛接為數不多的設備，從而使現場總線的優點大打折扣。為適應現場總線本安防爆系統的需要，德國技術物理研究所通過研究和試驗發表了一篇研究報告W-39，報告提出現場總線本質安全概念的觀點（即FISCO）。FISCO認為只要滿足如下條件，系統就達到了IIC等級的本質安全要求而不必進行其他的計算。目前這一觀點已被普遍接受。

（1）系統中只有一個有源的供電設備，而且它具有梯形或近似矩形的伏安特性。最大開路電壓Uo<15V，最大短路電流Io<220mA。

（2）總線其他節點只能是不少于10mA純耗電設備，最多10個節點；

（3）每臺設備的未保護電容Ci<5nF，未保護電感<10μH；

（4）電纜長度小于1000m，每公里電阻R、電容C和電感L應符合如下要求：

R/km=15～150Ω；C/km=80～200nF；L/km=0.4～1mH；

（5）總線兩端配終端匹配器應滿足，90Ω

FISCO要求中，其中（2）-（5）項是對本安現場設備的要求，這些要求已經實現，只有第（1）項是對安全柵的要求。較小的最大開路電壓和較大的最大短路電流恰恰是為滿足現場總線連接需要較大電流的要求。大的輸出能力會導致設計制造難度大、成本增加和可靠性下降，如何確定開發的FISCO安全柵的輸出能力，本文認為工作電壓、電流選擇14V、125mA比較合適，理由如下：

（1）根據IEC61158的要求，總線供電的現場總線設備的最低工作電壓是9V，對于氣體組別ⅡC，根據FISCO對安全柵的要求并考慮到線路降和必要的富裕量，工作電壓選定為14V，因此，安全柵最大開路電壓VOC為15V是合適的；為充分發揮現場總線的優點，盡可能大的最大短路電流將允許掛接更多的儀表，因此，最大短路電流ISC為220mA是合適的，而對于滿足ia安全要求的FISCO安全柵的梯形特征阻性電流限制為125mA。

（2）FF總線現場變送器耗電為9V/17.5mA；閥門定位器耗電為9V/26mA；A型電纜分布電阻為44Ω/km。假設FF總線上掛接4臺變送器和2臺閥門定位器。可以計算出現場儀表耗電總額為122（mA），允許總線電纜的長度為0.931（km）。因此，該安全柵通常允許每段FF總線掛接6臺現場儀表。

1 FISCO隔離安全柵的參數設計

本安現場總線系統用關聯設備的最高開路電壓大于24V是無益的。通常對于不同的現場總線系統，關聯設備的最高開路電壓宜介于14V～24V之間。該系統中具有多臺本安現場總線設備，即具有多負載特征，通過提高最大輸出電流，盡可能多的增加掛接負載數量，并要求其滿足“可互換性”和“可操作性”。

2 具有梯形特性的隔離電源

具有梯形特性的電源是FISCO安全柵與傳統安全柵的主要區別。為了有較高的工作效率，應采用“反激式”PWM變壓器隔離DC/DC電源，穩壓電壓取樣點在限流電阻后，在小負載下，電壓趨于穩定，不隨負載電流變化而變化。限流電阻前電壓隨負載電流增大而升高。但當經過二極管的電壓一旦大于限流電阻后的電壓時，穩壓電壓取樣點轉換為經過二極管的電壓。此后限流電阻前電壓不變，而輸出電壓隨負載電流增大而線性降低，輸出特性像“梯形”。

3 FISCO隔離式安全柵電源電路

FISCO隔離式安全柵電源電路主要由兩部分組成，即開關電源電路和本安控制電路。該電源具有梯形特性，有較高的工作效率。

3.1 開關電源

該電源是以UC3842單端反激式電流型脈寬調制器為核心。本電源采用24V直流電壓作為輸入電壓，通過變壓器將交流信號轉換成直流電壓，直流電壓經過濾波后，通過熔斷器和限流電阻和二極管構成的隔離式安全柵后，由本安控制電路調整輸出電壓和電流控制在14V、125mA。

3.2 本安控制電路

本安控制電路工作原理如下：變壓器副邊電壓為32.75V，保險絲內阻和限流電阻總和是150Ω，無負載情況下最大短路電流為220mA；無穩壓管的情況下最大開路電壓為15V。一旦輸出電壓大于32.75V，運放LM358輸入電壓3腳高于2腳，運放輸出為高電平，通過兩級CMOS反向器CD4049仍為高電平，此時兩級三極管9014（Q1和Q3）導通，帶動TLP227G完全導通，同時TL431輸出電壓控制在32.75V，調整最終的輸出電壓在32.75V，通過保險絲和限流電阻后本安輸出電壓控制在14V。當穩壓電壓取樣點高于14V，運放LM358輸入2腳高于3腳，此時運放輸出為低電平，通過CMOS反向器CD4049變為高電平，兩級三極管9014導通帶動TLP227G導通，同時TL431輸出電壓控制在14V，調整本安輸出電壓控制在14V。本安輸出電流125mA是合理的，輸出電流隨負載數量的增加而增大，一旦輸出電流大于125mA，則限流電阻后的電壓將會隨負載電流的變化而減小。

4 結束語

通過對FISCO隔離式安全柵原理和參數的解析，設計出了一款FISCO隔離式安全柵電源，該電源具有梯形特性，能夠輸出14V電壓和125mA的電流，滿足最大掛接負載數量，并要求負載滿足“可互換性”和“可操作性”。

參考文獻

[1]徐建平著.現場總線系統防爆技術綜述[J].上海：上海工業自動化儀表研究所，2002.3.

作者簡介：何彪（1985-），男，寧夏隆德縣人，助理工程師，對電子電路和單片機開發有一定研究。