一種礦用本安型設備電源電路設計

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

隨著煤炭行業的規范化、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定直流電壓；過壓保護可防止DC-DC出現故障時，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。在輸入端并聯瞬態電壓抑制器（TVS），可保護電源電路內部元件，防止輸入端出現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，因此瞬態電壓抑制器反向截止電壓應大于24V，根據上述要求，VD1、VD2采用SMCJ26A；考慮到輸入電源的本安參數，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)、持續輸出電流高達3A等優點。

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；根據公式(4)計算得出輸出電容C4的值應不小于10.4μF；根據公式(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電源轉換電路環路穩定性與內部寄生參數的影響，交叉頻率fo應小于40kHz；因根據公式(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3個二極管SS34，如果其中1個或者2個二極管出現故障時候（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]。由于穩壓二極管的功率一般在5W以內，根據GB3836.4中的相關要求，如果采用穩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為穩壓二級管的穩壓值，PW為穩壓二級管的額定功率。

當輸入電流過大，穩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穩壓二極管(穩壓值VZ為6.8V)并聯在電源電路輸出端進行過壓保護。根據公式(8)計算：

因此選用穩壓二極管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重啟現象。

■ 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優化以及安全處理，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、紋波小的優點，具有一定的應用價值。

圖6