淺析煤礦井下便攜式電子設備設計要點

高 芬，齊杰龍

（鄭州光力科技股份有限公司，河南鄭州，450001）

淺析煤礦井下便攜式電子設備設計要點

高 芬，齊杰龍

（鄭州光力科技股份有限公司，河南鄭州，450001）

隨著我國工業水平的發展，煤礦是我國主要能源需求量也在逐年上升，因此煤礦產業對于各類便攜電子產品的需求量也在增多，這類電子產品的唯一充電源為于便攜式電源，所以，這類便攜式電源的設計應該要考慮多方面的因素，比如怎樣才能減少電子產品充電時間，提高電源的利用，怎樣利用最新的技術將電源的體積縮得更小，使其更加便于攜帶等。本文主要針對煤礦產業中，便攜式電子電源的設計的主要的技術要點進行探究，以便使該電源在礦井中應用更廣。

煤礦；便攜式；設計要點；電源設計

1 電源設計要點

1.1電池的選擇

便攜式電源使用的主要材料分為2種，一種為鋰電池，另一種為鎳氫電池，這兩種電池在實際運用中各有各的優勢，其主要特征如下所示：（1）兩種電池單體電壓不一樣，前者為3.2V或者是3.7V，而后者只有1.2V；（2）兩種電池之中只有鎳氫電池擁有記憶效應。（3）在體積、面積相等的狀態下，鋰電池所含電容量要比鎳氫電池更高。由于礦井下通道比較狹窄，所以自放電率抵、體積小、電量充足的鋰電池做便攜式電子設備的電源更為合適。

1.2安全柵保護方式

作為礦井電源，在設計階段首先就應該考慮到本質安全電路，它指電路在正常運轉條件下以及一般定義上的故障中，出現的所有電火花以及任意熱輻射都不能引燃礦井環境中的易燃氣體。一般來說，本質安全電路的過流保護方式主要有兩種，分別為限流式以及截止式。其中，限流式保護是指當電路中的電流一旦到了限流植，保護電路將會馬上進入到恒流的狀態，將電流控制在限定值以下，這種方法的優勢在于能夠做到全載啟動，但是一旦發生這種情況開關管的損耗很大。這一種保護方式為截止式，這類保護的實質其實就是觸發式保護，當產生過流的情況時，采樣電阻或者是比較器將能迅速反應，第一時間斷開開關管，從而做到保護電路。這種方法雖然產生的電火花極小并且容易通過礦井電火花測試，但是這種保護方式反應靈敏度過強，不怎么能抗干擾，并且負載的干擾也很可能使相關設備重啟。

目前，已經有一種較為理想的過流保護方式，即安全柵保護，這種保護方式集合限流式和截流式的優勢，一旦電路中的負載發生短路的情況，保護電路首先將會限制電流然后再介質，如果電流逐漸增大至限流值時，安全柵保護首先先啟動限流式保護，但是如果只是瞬時的干擾，安全柵就不會去截止電流，當然，當干擾頻率頻繁時，過流時間較長，就會啟動截止式保護方式。使用這種方式可以有效的保護電路安全同時使抗干擾能力也能得到顯著提升。就會方式是負載短路時先限流后截止，電流增大到保護值時，安全柵先進入限流式保護方式，如果是瞬間干擾（如電壓尖峰等），安全柵不會截止，如果過流情況持續超過一定時間，則會進入截止式保護方式。這種方式既能滿足本質安全性能要求，與截止式保護方式相比又顯著提高了抗干擾能力。

2 電池升壓電路優化設計

一般來講，礦井下使用的便攜類電子設備，比如礦井地質儀，探傷儀等的電源都是5V電源，電池電壓需要經過升壓才能達到5V，即要用到Boost變換器。本文以TPS61070應用電路為例進行分析。TPS61070具有過熱保護和省電模式。在低負載電流的情況下，如果儲能電感上的電流變成了0，T PS61070就會自動調整為省電模式，在這時，想要變換器正常運轉，除非輸出的電壓值小于預先的設計值，進過若干開關周期后，如果輸出電壓大于預先設定值，變換器又會調整為省電模式。

便攜式電子設備長時間運行，電源不穩定，T P S 61070易損壞，損壞之后TPS61070呈現電源和地之間短路的狀態。因為電源布局問題以及一些其他電子元器件的影響，調試過程中，開關變換器和電感連接的地方出現了高頻振蕩。一般情況下，電路中伴隨出現的寄生電感以及寄生電容會出現互感反應，致使節點處產生高頻振蕩。Boost變換器電路的MOS管集成在TPS61070內部，所以會出現TPS 61070損壞之后電源和地短路的現象。處于這個原因，電路設計時應該運用多種方法以做到振鈴的最小化，從而保護MOS管。

首先整流二極管D1的寄生電容要小，由于D1亦集成在T PS61070內部，TPS61070應用電路不需要調整；其次需要優化電路板走線使回路中寄生電感最小化。例如，減小MOS管與儲能電感L1之間的距離可以使寄生電感LPAR 2和LPAR3變小，縮短TPS61070與電源接地點之間的距離可以使寄生電感LPAR1變小，將輸出電容Cout盡可能靠近D1的陰極，能夠讓使寄生電感LPAR4以及LP AR5最小化。另外，在電源輸出和地之間放置高頻旁路電容C out－BYP也能最小化開關節點處的振鈴幅值。如果振鈴幅值還是會超過MOS管的承受范圍，可以設計一個RC緩沖電路來消除開關閉合時寄生電感所產生的電壓毛刺。HYPERLINK“javascript:;” 當開關閉合時，RC緩沖電路為流經寄生電感的電流提供一條接地通道，從而抑制電壓瞬間變化并降低了MO S管的應力。

3 結語

本文首先研究便攜式電子設備電源設計的主要內容，指出集合兩種限流優勢的安全柵設計能夠安全保護電路同時還能有效的提升電源的抗干擾能力，優化Boost變換器的關鍵環路可有效減小電源紋波，設備也能更穩定可靠工作。盡管電源性能通常不是在設計礦井用便攜式電子設備所需要的中重要的因素，但是優質的電源性能還是能對未加緩沖的RC緩沖電路有著積極的影響，加了RC緩沖電路Boost變換器開關節點上的振鈴波形設備的質量。

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Analysis on the design of portable electronic equipment in coal mine

Gao Fen，Qi Jielong
（Zhengzhou power Polytron Technologies Inc.,Henan Zhengzhou Henan, 450001）

with the development of our country’s industrial level, coal is the main energy demand in China is increasing year by year, so the coal industry for all kinds of portable electronic products demand is also increasing, the only source of this kind of charging electronic products for portable power supply, so the design of this kind of portable power supply should be considered many factors, such as how to reduce the charging time of electronic products, improve power utilization, how to use the latest technology to power the volume shrinkage smaller, making it more convenient to carry. In this paper, the main technical points of the design of portable electronic power supply in the coal mine industry are studied in order to make the power supply more widely used in the mine.

coal mine; portable; design key points; power supply design