李享元，謝水清，朱學(xué)慧

(1.中南民族大學(xué)電子信息工程學(xué)院，湖北武漢 430074 ； 2.中南民族大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)室管理中心，湖北武漢 430074)

0 引言

隨著微電子技術(shù)和智能儀器儀表的發(fā)展，煤礦井下作業(yè)環(huán)境中使用智能檢測(cè)儀器和設(shè)備越來(lái)越廣泛[1-5]，各種便攜式安全檢測(cè)儀表得到廣泛使用，特別礦用本安的儀器在礦井中的安全監(jiān)測(cè)和設(shè)備得到廣泛使用[6-9]。煤礦井下存在瓦斯和一氧化碳等爆炸性氣體，使用的儀表和設(shè)備都要求到達(dá)本安技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1]，即國(guó)標(biāo)GB3836.1和GB3836.4這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)[10-11]。這就要求礦用本安型的儀器在設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮工作電壓、電流以及功率等情況，作好充分的保護(hù)工作[12-14]，以防止過(guò)壓或過(guò)流以及保護(hù)不及時(shí)而引爆瓦斯氣體和煤粉塵[15]。在新型礦用儀器中，采用了霍爾電流檢測(cè)和功率場(chǎng)效應(yīng)管的閘流保護(hù)技術(shù)，設(shè)計(jì)了新型的本安保護(hù)電路[16]，利用單穩(wěn)延時(shí)電路，調(diào)節(jié)在過(guò)流保護(hù)后的自恢復(fù)時(shí)間，并可設(shè)置閘流閾值以適用不同負(fù)載。應(yīng)用該本安保護(hù)電路設(shè)計(jì)的儀器通過(guò)了防爆檢測(cè)和煤礦安全標(biāo)志認(rèn)證。

1 基于閘流保護(hù)的本安電路設(shè)計(jì)

便攜式礦用儀器選用鎳氫電池來(lái)給本安電源供電。根據(jù)國(guó)家金屬氫化物鎳電池的可靠性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T18288—2000，選用的鎳氫電池需要生產(chǎn)廠家委托具有法定檢測(cè)資質(zhì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行以下幾個(gè)方面的測(cè)試，并出具相應(yīng)的測(cè)試報(bào)告：放電性能測(cè)試、快速充電性能測(cè)試、環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試、荷電保持能力、安全保護(hù)性能、循環(huán)壽命和儲(chǔ)存測(cè)試。在本安型電路設(shè)計(jì)中，如何精確地檢測(cè)超限電流是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。一種方式是電源回路里面?zhèn)魅胂蘖麟娮?，在輸出端短路時(shí)的電流小于額定的安全電流方式[13]，這種方式功耗大，體積大，工作時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重，電源輸出功率效率低下。在采用截流限流保護(hù)的本安電路中[17]，電流采樣用低阻值電阻和專門(mén)集成電路如凌特公司的LT1185芯片的方案，該電路復(fù)雜，調(diào)試難度大。其他本安電路有采用專門(mén)的限流和限壓集成電路的方案，參數(shù)設(shè)置的靈活性差，不易調(diào)節(jié)。采樣電阻也無(wú)形中增大了本安電路的內(nèi)阻，使得供電效率低下。如何選取靈活性強(qiáng)、內(nèi)阻小和設(shè)置方便的電流采樣方案是本安電路設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題[18]。經(jīng)過(guò)查閱資料，選擇ACS712電流霍爾傳感器作為本安電路中電流采樣器件[19]，具有體積小、內(nèi)阻小、效率高和調(diào)節(jié)設(shè)置方便的特點(diǎn)。本安保護(hù)電路包括4部分：

(1)穩(wěn)壓電路：來(lái)自電池的電壓穩(wěn)壓后提供5 V電壓給本安電路供電；

(2)電流檢測(cè)：ACS712電流霍爾傳感器檢測(cè)工作電流信號(hào)，輸出與電流成比例的電壓信號(hào)；

(3)比較和延時(shí)電路：電流霍爾傳感器檢測(cè)工作電流信號(hào)，送入比較器與設(shè)定的本安電流值相比較，低于閾值，電路正常供電，如果供電電流大于設(shè)定值，輸出高電平信號(hào)觸發(fā)NE555的單穩(wěn)延時(shí)電路，輸出關(guān)斷信號(hào)；

(4)保護(hù)輸出：由NE555的單穩(wěn)延時(shí)電路輸出關(guān)斷信號(hào)控制開(kāi)關(guān)輸出電路，關(guān)閉輸出功率VMOS管，關(guān)閉本安電路的輸出，起到安全保護(hù)作用。

這樣的保護(hù)電路由第一級(jí)和第二級(jí)組成兩級(jí)保護(hù)電路。在電池組的外圍有充電保護(hù)電路。整個(gè)系統(tǒng)的電路框圖如圖1所示。

圖1 二級(jí)本安電路框圖

1.1 本安電流傳感器選型

為了降低電流采樣電阻的壓降和功耗，選用霍爾電流傳感器ACS712。它是一種線性霍爾電流傳感器，采樣電流通路阻值為1.2 mΩ，內(nèi)置精確的低偏置線性霍爾電流傳感器，能輸出與檢測(cè)的交直流電流成正比的電壓信號(hào)。它噪聲低，輸出上升時(shí)間快，總的輸出誤差最大為4%，具有高的輸出靈敏度。ACS712采用表貼封裝，體積小[19]。該器件主要由靠近芯片表面的銅制的電流通路和精密的低偏置線性傳感器電路組成。內(nèi)部電流通路與傳感器檢測(cè)電路部分電氣絕緣。輸出的電壓信號(hào)由芯片內(nèi)部穩(wěn)定的斬波技術(shù)型低偏置BiMOS霍爾集成電路提供，可以消除芯片的溫漂誤差，進(jìn)行了出廠精確校準(zhǔn)。芯片內(nèi)部包含內(nèi)部濾波電阻，通過(guò)外接一個(gè)濾波電容就可以組成一階RC低通濾波器。本文設(shè)計(jì)的本安電路電流在1.5 A左右，電流芯片選型為ACS712ELCTR-05B-T，其量程為5 A，滿足電流檢測(cè)要求。

1.2 充電電路和開(kāi)關(guān)控制電路的設(shè)計(jì)

電池經(jīng)過(guò)電池保護(hù)片和自恢復(fù)保險(xiǎn)絲的保護(hù)后接入本安保護(hù)電路，如圖2所示。其中D1和D2起到充電反接保護(hù)和充電電路隔離作用，不會(huì)向充電器反向供電。本安供電的正極由VOUT1輸出，F(xiàn)3是自恢復(fù)保險(xiǎn)。TPS76350輸出5 V電壓供電給本安電路。本安電路的自鎖開(kāi)關(guān)接到JP1上，控制TPS76350輸出5 V電壓。如果需要隔離遠(yuǎn)程控制，通過(guò)光電隔離器件Q817，在JK1施加5 V以上的直流電平，也可以控制本安電路的工作電壓5 V的輸出。其中下拉電阻R3是保證在關(guān)斷時(shí)TPS76350的使能端EN電平確定為低電平。

圖2 本安充電和開(kāi)關(guān)控制電路原理圖

1.3 過(guò)流檢測(cè)和保護(hù)延時(shí)電路的設(shè)計(jì)

第一級(jí)本安保護(hù)電路如圖3所示，電流檢測(cè)由ACS712完成，其輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)R14和C5濾波后的IOUT1連接到比較器LM393的引腳2，與電位器W1設(shè)定過(guò)流閾值相比。當(dāng)過(guò)流后，比較器U4A輸出低電平，觸發(fā)NE555、R9、R10和C3組成單穩(wěn)延時(shí)電路輸出高電平信號(hào)ON1，使得三極管Q1導(dǎo)通，導(dǎo)致功率MOS管Q2的柵極電壓Ugs為低電平，Q2關(guān)斷，關(guān)閉輸出供電，使得JOUT1無(wú)輸出。NE555單穩(wěn)延時(shí)時(shí)間T=1.1(R9+R10)C3，在圖3中參數(shù)延時(shí)約為0.22 s左右，用戶可以自由地調(diào)節(jié)參數(shù)，延長(zhǎng)和縮短時(shí)間。如果過(guò)流觸發(fā)延時(shí)后，電路會(huì)自動(dòng)恢復(fù)正常工作。如故障依然存在，繼續(xù)關(guān)斷輸出電壓[20]。

圖3 第一級(jí)本安保護(hù)電路圖

保護(hù)電路的工作時(shí)序如圖4所示，在這種模式下，本安電路測(cè)試時(shí)不會(huì)產(chǎn)生連續(xù)火花，只是在動(dòng)作瞬間過(guò)流輸出。這種保護(hù)模式對(duì)供電電池起到很好的保護(hù)作用，在故障情況下提高電池的供電時(shí)間。該電路可以實(shí)現(xiàn)精確過(guò)流檢測(cè)、比較判斷和觸發(fā)保護(hù)、關(guān)斷延時(shí)和自動(dòng)恢復(fù)功能，具有電路簡(jiǎn)單，可靠性好，保護(hù)反應(yīng)速度快的特點(diǎn)。

圖4 保護(hù)電路輸出的時(shí)序圖

第二級(jí)本安保護(hù)電路如圖5所示，與第一級(jí)本安保護(hù)電路圖3基本相似。從第一級(jí)輸出電壓從JOUT1輸出到圖5的VOUT1和GND1，經(jīng)過(guò)保險(xiǎn)F4和F5到U6輸出5 V工作電壓。圖5的中間部分是過(guò)流檢測(cè)和關(guān)斷電路。圖5的下部分是比較和單穩(wěn)延時(shí)電路，控制第二級(jí)的功率MOS管Q4的開(kāi)啟和關(guān)斷，最終從JOUT輸出本安電壓。圖5的基本原理跟圖3相似，它們串聯(lián)起來(lái)，組成兩級(jí)本安保護(hù)電路。

圖5 第二級(jí)本安保護(hù)電路

2 電路的參數(shù)計(jì)算和性能測(cè)試

設(shè)計(jì)后本安電路需要進(jìn)行相關(guān)的性能測(cè)試[21]，如電壓和電流偏離率、電路效率、電源內(nèi)阻、過(guò)流故障保護(hù)電路響應(yīng)時(shí)間和最不利情況發(fā)生時(shí)的輸出能量的大小[22]。本安電源內(nèi)阻主要是由電池內(nèi)阻、電壓保護(hù)片、自恢復(fù)保險(xiǎn)阻值和開(kāi)管Q2導(dǎo)通電阻引起的壓降組成。電流偏移率主要由ACS712的檢測(cè)精度決定，最大誤差在4%左右。本安電源效率考核設(shè)計(jì)的本安電路的功率轉(zhuǎn)換效率，其效率主要是由本安電路的綜合內(nèi)阻決定的。本文設(shè)計(jì)的電路的過(guò)流關(guān)斷響應(yīng)時(shí)間主要由電流傳感器響應(yīng)時(shí)間、閾值比較器延時(shí)、單穩(wěn)電路上升響應(yīng)時(shí)間和Q1及Q2組成關(guān)斷開(kāi)關(guān)時(shí)間組成。t1為ACS712的響應(yīng)時(shí)間，約為1 μs，t2為比較器LM393響應(yīng)時(shí)間，約為0.1 μs，t3為單穩(wěn)電路的電平反轉(zhuǎn)時(shí)間，t3=0.63R8C3，降低R8和C3的值可以加快保護(hù)反應(yīng)時(shí)間。t4為Q2柵極電容Cgs和Q2的導(dǎo)通阻值的放電時(shí)間，約為0.1 μs。一個(gè)保護(hù)周期內(nèi)的保護(hù)反應(yīng)時(shí)間t=t1+t2+t3+t4，約為7.3 μs，主要由t3值決定。在輸出短路輸出脈沖寬度為7.3 μs，恢復(fù)周期T=1.1(R9+R10)C3=0.22 s。在故障情況下，輸出電源脈沖的占空比為0.000 03，在萬(wàn)分之一左右，對(duì)供電電池容量起到很好的保護(hù)作用。該輸出脈沖的電壓為8.4 V，本安輸出電流為1.5 A，該脈沖總能量W=UIt=92 μJ。其中U為輸出電壓值8.4 V，I為輸出本安電流1.5 A，t為輸出脈沖寬度7.3 μs，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3836.4—2010中給出的ExibI Mb類設(shè)備的小于最小點(diǎn)燃能量的160 μJ的規(guī)定值[20]，達(dá)到了本安電路技術(shù)要求。

本文設(shè)計(jì)的本安電源經(jīng)過(guò)國(guó)家煤礦防爆安全產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心試驗(yàn)，測(cè)試電路如6所示。主要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。本安電路的內(nèi)阻計(jì)算公式：r=(U1-U2)/I2。電池輸出功率P1=U1I1，本安電路輸出功率P2=U2I2，電路效率ξ=(P2/P1)×100%。經(jīng)過(guò)火花實(shí)驗(yàn)，其任一選擇的正常和故障狀態(tài)下的短路、通斷實(shí)驗(yàn)均未出現(xiàn)點(diǎn)燃現(xiàn)象，其最終本安參數(shù)分別為UO=8.4 V和IO=1.5 A，完全滿足儀器供電和本安設(shè)計(jì)要求。在表1中，U1為電池組輸出電壓，U2為本安電路輸出電壓，I1為電池組輸出電流，I2為本安電路輸出電流，P1、P2、r和ξ都是計(jì)算值。計(jì)算結(jié)果顯示本安電路的內(nèi)阻均值約為0.113 Ω，電路輸出效率均值為97.83%左右。

圖6 本安保護(hù)測(cè)試電路

序號(hào)U1/VI1/AU2/VI2/AP2/Wr/Ωξ/%18.4000.0118.395空載空載28.3100.8278.2200.8176.7160.10997.7238.3400.8848.2500.8777.2350.10298.1448.4100.9158.3100.9087.5450.11098.0658.4200.9828.3100.9768.1110.11298.0968.4301.0418.3101.0338.5840.11697.8278.4101.0748.2701.0658.8080.13197.5188.4201.3728.2701.36211.2640.11097.5098.4101.6098.2301.60113.1760.11297.37

3 結(jié)束語(yǔ)

在常規(guī)的煤礦本質(zhì)安全型儀器的供電電路設(shè)計(jì)中，截流及限流保護(hù)電路是首選技術(shù)之一。設(shè)計(jì)的新型礦用瞬變電磁儀YCS600-I(防爆合格證號(hào)：SHExC13.1086)和YCS800(防爆合格證號(hào)：SHExC13.1859)兩個(gè)型號(hào)的本安電源設(shè)計(jì)，采用了霍爾電流檢測(cè)和閘流保護(hù)模式的本安電路，具有電路簡(jiǎn)單、關(guān)斷時(shí)間短、效率高和參數(shù)設(shè)置方便的特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的本安電路從性能和測(cè)試方面進(jìn)行討論和分析，基于電子閘流保護(hù)模式本安電路在故障情況下，輸出電源脈沖能量約為91.98 μJ，低于國(guó)標(biāo)規(guī)定值，并獲得了相關(guān)的防爆合格證和礦用安全標(biāo)志證書(shū)，在山西和貴州多個(gè)煤礦得到應(yīng)用。