基于容量及保護時間可調的礦用本安電源

鄒德東，劉 鵬

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

隨著礦山數字化、智能化的迅猛發展，越來越多的本質安全類監控設備被實施部署到煤礦井下。為其供電的本安電源穩定與否直接影響到這些設備能否穩定準確可靠的工作，甚至影響整個礦山的安全生產，給作業人員的生命財產安全帶來隱患。

本質安全型電源的設計主要需要考慮2個方面：①安全性：在任何情況下，本安電源與負載的任何工作狀態所產生的電火花均不足以點燃的周圍的爆炸性氣體[1-3]；②穩定性：既要滿足大容量負載的帶載需求，又要避免由于負載短時起動沖擊造成的誤動作，同時要盡可能降低靜態工作電流，在后備電源工作時，延長工作時間。然而安全性與穩定性是矛盾對立的關系，所以在設計本安電源時，要結合實際負載情況，在安全性和穩定性之間找到結合點，選擇合適的保護方式及參數，既保證安全，又能使負載穩定工作。為此，通過對影響本質安全的因素及其保護方式的研究，提出了一套集低損耗、抗沖擊、緩起動、自恢復功能于一體的大容量本質安全型電源設計方案。

1 本質安全型電源關鍵技術

1）本安電源容量與保護時間的關系。任何一款直流電源的輸出，在短路的瞬間必然要產生電火花，在感性負載斷開的瞬間由于反向電動勢的存在也會產生電火花[3-4]。如果電火花釋放的能量足以點燃周圍的爆炸性氣體就會產生爆炸。所以本質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鍵的因素有2個：本安電源容量和能量釋放時間[5]。電火花放電能量與電源容量及放電時間的關系如圖1。圖中：P0、P1為能量釋放起始時刻的容量；t0為能量釋放起始時刻；t1為帶有保護的能量釋放結束時刻；t2為未帶保護的能量釋放結束時刻。△P1t0t1、△P0t0t2、△P0t0t2的面積依次代表減少保護時間、降低電源容量和沒有任何措施時的火花能量。不難看出，可以通過降低容量或者減少保護時間來達到本質安全的目的。

圖1 火花能量與電源容量及釋放時間的關系Fig.1 Relationship between spark energy and power capacity and release time

2）抗沖擊關鍵技術。本安電源在滿足本安要求的前提下，保護時間越長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間成正比。這就意味著在滿足火花能量不足以點燃爆炸性氣體的前提下，找到電源容量與保護時間的結合點能夠使本安電源的性能達到最優。因此，在設計本安電源的過程中，不應一味的追求電源容量，能夠滿足負載正常起動和工作就好。給保護時間留出余量，提高電路的抗沖擊性能。

3）截流型本安電源的自恢復技術。目前行業內普遍采用本安電源保護方式有2種：限流型和截流型[6]。限流型的工作原理是故障產生后會立即切斷電源輸出，然后緩慢恢復，如果故障一直沒有解除，當電流恢復至正常工作的電流值時，開關器件將工作在非飽和區域，從而產生熱量；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緩慢恢復，而是通過自鎖原理讓電源繼續保持保護狀態；因此，截流型本安電源在保護時產生的熱量極小，電源容量也比限流型大。如果能讓截流型電源在保護后定期自動恢復，將會滿足現場大容量負載連續工作的要求；自恢復是指電路在保護后，定時解除保護，如發現故障未撤銷，則繼續保護，如此反復，直至故障解除，正常輸出。

4）緩起動技術。目前井下監控類設備為了降低功耗，電源部分大都采用開關電源原理，電源入口儲能元件較多，致使負載起動電流過大，容易造成本安電源誤動作。如果在本安電源輸出及自恢復的時刻引入緩起動技術，將大大降低負載起動電流對電源造成的沖擊。緩起動的工作機理是起動瞬間，通過小電流儲能的方式，控制開關器件緩慢導通，達到緩慢提高輸出電流的目的，保證負載穩定起動。

2 基于容量及保護時間可調的礦用本安電源

為最大限度的滿足現場實際負載需求，設計了一款新型本安電源。該電源主要有過壓保護、過流保護、短路保護、自恢復電路、緩起動電路、檢流電阻及開關器件組成。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

開關器件選用P溝道場效應管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載的供電要求。芯片典型內阻在20 mΩ左右，在流經大電流時能夠保證壓降不會太大，同時避免芯片發熱造成損壞。芯片關斷時間為210 ns，在P溝道場效應管中是比較快的，完全滿足本安電源保護的需求。

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

為了使電路工作穩定，一致性好。內部參考電壓選用專用的電壓基準芯片LM285-2.5輸出DC2.5 V電壓。在允許工作溫度范圍內誤差不到1%，可以使電路中各保護值更加準確[7]。

針對各功能模塊，結合本安電源關鍵技術進行了硬件電路設計。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

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

正常工作時，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R13上拉之后為高電平，控制Q2關斷，Q1導通，正常輸出。過流時，U1C10腳上的電壓增大，當超過Uref2時，U1C13腳輸出電壓為低電平，控制Q2導通，使Q1的門極與源極間電壓UGS近似為0，Q1關斷，達到保護目的。短路保護可以理解為電流無限大的過流保護，是過流保護的一種特殊情況，保護過程等同于過流保護。過流保護值Imax計算如式（2）：

由式（2）可知，通過調整R8的阻值即可調整本安電源的過流保護值。Uref2設計得過大會導致滿載和空載時電源輸出變化較大；設計得過小會影響保護精度。可以根據式（1）對R12與R17的比例關系進行調節，進而得到合理的Uref2的值。

過流保護執行時間除了由保護器件固有特性決定外，還可以通過改變C1和R7的參數來調整[8]。正常工作時，D3正極為高電平。此時C1兩端電壓為0。保護發生時，D3正極為低電平，UIN通過R7向C1充電，導致Q2的基極電壓緩慢下降。使Q2導通的時間延長，從而控制Q1實現延時關斷的目的。提升抗沖擊能力。

2.2 過壓保護

輸入電壓過高時，由U1A、D1控制Q1關斷完成保護。U1A7腳接Uref1電位為2.5 V。U1A6腳電位由輸入電壓UIN經R1、R9分壓確定。當UIN未到過壓保護值時，經過分壓后的U1A6腳電位小于U1A7腳的電位，U1A1腳輸出高電平，控制Q1導通，電源正常輸出。當UIN過高，經過分壓后的U1A6腳電位大于U1A7腳的電位時，U1A1腳輸出低電平，控制Q1關斷，達到保護目的。過壓保護值Umax計算如式（3）：

由式（3）可知，通過調整R1與R9的比例即可調整過壓保護值。R1、R9的選值大一些可以降低靜態功耗，但同時容易接收輻射、靜電等一些干擾，造成誤動作。經過反復測試發現流經R1與R9的電流在1 mA以上時，可以有效避免干擾，電路運行穩定，同時靜態功耗很小。

2.3 自恢復電路

截流型電源需要具備自恢復功能[8-10]，由Q3、C3、R15結合R4、R5、R6控制U1B來實現。在電路正常工作時，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）計算得出。可以看出此時U1B-5必然大于Uref1，所以U1B2腳輸出高電平，Q1導通，電路正常工作。

過流時，U1C13腳輸出低電平，控制Q3導通。U1B4腳電位U1B-4近似等于UIN。由式（4）可知，此時U1B-5小于U1B-4，所以U1B2腳輸出低電平，控制Q1斷開，實現保護。與此同時，由于U1B2腳輸出低電平，使得U1B-5發生變化，此時必然小于Uref1，因此可以維持保護狀態。過流保護后U1B5腳電壓U1B-5如式（5）。

過流保護動作后，由于主回路已被切斷，所以U1C13腳又將恢復為高電平，此時Q3關斷。但由于過流保護瞬間Q3導通，UIN已經由R15向C3進行充電，所以在Q3關斷后，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導通時C3的充電電流，防止燒壞Q3。主要的放電回路由R16完成。當電壓降至U1B-5以下時，U1B2腳電位翻轉輸出高電平，控制Q1導通，電路恢復。該電路的恢復時間由C3和R16決定。通過增大C3或R16的值可以延長恢復時間，反之則可以縮短恢復時間。

2.4 緩起動電路

緩起動電路由Q2、C2、R11構成。保護過程Q2導通。UIN通過Q2、R10向C2充電。保護解除后，Q2關斷。此時C2兩端電壓近似于UIN，Q1的門極與源極間電壓UGS近似為0，不滿足導通條件，仍為關斷狀態。但隨著C2通過R11放電，Q1的UGS逐漸增大，導通能力逐步增強，直至完全導通，電路恢復工作[11]。可通過改變C2、R11的參數調整緩起動坡度。但為了防止Q1工作在非飽和區時間過長而燒壞芯片，不建議將緩起動坡度調整的過緩，滿足需要即可。

3 結語

設計了一種容量及保護時間可調并且帶緩起動及自恢復功能的截流型本安電源，并對各個功能模塊原理進行了分析。采用截流型的保護方式，可以滿足大功率負載的帶載要求。通過對檢流電阻參數的調整可以改變本安電源容量。結合對保護時間的調整，可在電源容量及保護時間之間找到結合點，既能滿足帶載需求，又能增加抗沖擊能力。電路具有自恢復功能，解決了截流型電源保護后不能自動恢復的問題，并且恢復時間可調。電路具有緩起動功能，實現了在保護解除后電源緩慢輸出，解決了負載起動時沖擊電流過大導致電源誤動作的問題。試驗證明，本安電源的設計并不是容量越大越好，而是要在滿足安全的前提下，盡量提高輸出的穩定性。設計的基于容量及保護時間可調的礦用本安電源已經配接人員定位分站應用到煤礦井下，供電穩定，性能可靠；完全滿足礦用產品對本安電源的供電要求。