楊曉丹(煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司， 遼寧 撫順 113122)

1 前言

通常所說的電源，通常首先要提到它的輸出功率，從本質(zhì)上來(lái)說就是它的額定輸出電壓及最大輸出電流，本安電源也是如此，它的過電流保護(hù)以及過電壓保護(hù)電路是本質(zhì)安全電路在工程師設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的方向[1]。過電壓保護(hù)主要通過分壓電路采集供電主回路上的電壓值，從而通過一系列電路處理反饋到開關(guān)管的控制端。當(dāng)輸出端電壓超過一定值時(shí)控制電路使輸出拉低，使輸出電壓控制在要求范圍之內(nèi)。過電流保護(hù)是在主回路加上一定功率的限流電阻，將通過此限流電阻的電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，同樣將該電壓信號(hào)反饋到開關(guān)管的控制端。本文主要分析本質(zhì)安全電源電路的基本原理，論述了本安電源的過流保護(hù)、過壓保護(hù)電路在煤礦本質(zhì)安全型穩(wěn)壓電源電路中的應(yīng)用。

2 本安電源保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方法及參數(shù)選定

2.1 本質(zhì)安全電源的基本電路原理

煤礦井下本質(zhì)安全電源是將普通穩(wěn)壓電源的輸出通過一些多方位的保護(hù)手段使輸出電源變成本質(zhì)安全輸出，所以本質(zhì)安全電源的設(shè)計(jì)方式大多是對(duì)電源輸出電壓及電源輸出電流的合理保護(hù)來(lái)限制該穩(wěn)壓電源的能量，限制后的穩(wěn)壓電源就可以認(rèn)定為本質(zhì)安全電源。電源電壓的保護(hù)方式是通過判斷輸出端電壓，該電壓高了就斷開輸出，終而復(fù)始。而電源電流的保護(hù)方式大致上分為兩種，即恒電流型及截電流型，這兩種保護(hù)電路方式在煤礦井下本質(zhì)安全電源的使用最為普遍。恒電流型本質(zhì)安全電源具有外圍電路簡(jiǎn)單、可靠性高、電流持續(xù)性的特點(diǎn)，尤其是對(duì)音視頻負(fù)載，能夠最大限度保證負(fù)載電路供電正常，不易受外界因素的干擾而中斷能量供給；截流型保護(hù)電路相比較而言有電路功耗低、效率高的特點(diǎn)，往往可以將本質(zhì)安全電源輸出參數(shù)(功率)設(shè)計(jì)的相對(duì)更大些。煤礦井下使用的本質(zhì)安全電源一般情況下分為“Ma級(jí)” 和“Mb級(jí)”兩種保護(hù)級(jí)別，但目前以“Mb級(jí)”居多，本文主要研究“Mb級(jí)”，即本質(zhì)安全電源在設(shè)計(jì)時(shí)可以采用相同兩部分電路以串聯(lián)的形式來(lái)保護(hù)電路，即其中一個(gè)部分出現(xiàn)故障(通常短路最為嚴(yán)重)時(shí)，另外一部分保護(hù)電路仍然可以對(duì)該功能起到保護(hù)的要求[2]。因此，本質(zhì)安全電源的保護(hù)電路要設(shè)計(jì)兩部分相同的過電壓及過電流保護(hù)電路，同時(shí)也可以設(shè)計(jì)一個(gè)專門針對(duì)輸出短路的限能電路，能夠更快的將短路時(shí)前端輸出的能量加以限制。

2.2 本質(zhì)安全電源的輸出功率

本質(zhì)安全電源的輸出功率不但要滿足煤礦井下儀器儀表正常工作時(shí)的額定電流，而且要滿足當(dāng)儀器儀表在重啟或者其他瞬時(shí)功率增大時(shí)工作電流突然增大而出現(xiàn)的突變電流，甚至接近本安電源的最大輸出電流。原則上本安電源的本安參數(shù)要符合GB 3836.4—2010附錄A的評(píng)定要求，評(píng)定內(nèi)容至少包括最大輸出電壓、最高輸出電流及最大外部電容、電感等參數(shù)，都要符合附錄A中要求。

3 本質(zhì)安全電源的過電壓保護(hù)設(shè)計(jì)研究

本質(zhì)安全電源的過電壓保護(hù)電路通過分壓電路，將采集到的與主回路電壓經(jīng)過一些列的信號(hào)處理，最終輸出高低兩種電平信號(hào)反饋至控制電路。當(dāng)穩(wěn)壓電源的前端穩(wěn)壓模塊發(fā)生故障而使輸出端電壓突然增高，這種情況下如果沒有過壓保護(hù)措施將會(huì)有安全隱患，因?yàn)樨?fù)載不能保證在增高的電壓下工作是否仍然安全。此時(shí)可以通過運(yùn)放等器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如電壓比較器等電路，并通過一定的邏輯性來(lái)控制開關(guān)管工作。

3.1 本質(zhì)安全電源的過電壓保護(hù)原理

主回路上的開關(guān)管通常采用兩個(gè)開關(guān)管串聯(lián)使用。電位器通過與穩(wěn)壓管串聯(lián)，將自身抽頭的分壓值反饋到可控硅的控制端。當(dāng)電壓高到可控硅的門級(jí)閥值時(shí)，可控硅的控制腳電壓升高，最終到使可控硅導(dǎo)通，放電容放電后使上下兩端的電壓會(huì)迅速降低，從而使三極管的基極電流逐漸變小，其Vce電壓增大，導(dǎo)致三極管的狀態(tài)為截止?fàn)顟B(tài)，開關(guān)管的Vgs沒有足夠的導(dǎo)通壓降，會(huì)立刻關(guān)斷，達(dá)到了切斷主回路的作用，這個(gè)過程會(huì)是一個(gè)往復(fù)的過程，最終形成閉環(huán)。即在前端電壓增高到一定程度時(shí)，經(jīng)過過壓保護(hù)電路后使本安輸出部分沒有輸出，從而達(dá)到本質(zhì)安全要求?；驹韴D如圖1所示。

圖1 過電壓保護(hù)電路

3.2 過壓保護(hù)電路測(cè)試

實(shí)際測(cè)試本安電源的輸出參數(shù)如圖2所示。從該圖可以看出，此保護(hù)電路滿足本質(zhì)安全電源過壓保護(hù)要求。示波器帶寬限制20MHz。

在電壓增高到一定程度時(shí)(即可控硅達(dá)到動(dòng)作閾值)，立刻激發(fā)保護(hù)電路動(dòng)作，并能在很短的時(shí)間內(nèi)被拉低，及時(shí)起到限制電壓增高，從而達(dá)到了過本安電源的過壓保護(hù)要求。

4 本質(zhì)安全電源的過電流保護(hù)設(shè)計(jì)研究

圖2 過壓保護(hù)瞬間波形圖

本質(zhì)安全電源的過電流保護(hù)主要通過硬件電路得出一個(gè)電壓比較基準(zhǔn)，并采集主回路中的較低阻值、較大功率采樣電阻的壓差值，通過電壓比較器電路將主回路的工作電流反映出來(lái)，從而能夠?qū)崟r(shí)反饋電路主回路工作電流到控制電路。這種電路具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、邏輯性強(qiáng)、造價(jià)較低的優(yōu)點(diǎn)。

4.1 過電流保護(hù)電路原理

1)簡(jiǎn)單三極管過電流保護(hù)電路

該電路經(jīng)常應(yīng)用在電流較小的本質(zhì)安全電源中。在負(fù)載電路電阻變小時(shí)，從而導(dǎo)致主回路電流變大，電阻兩端壓降增加，當(dāng)增加到過流保護(hù)值時(shí)，三極管達(dá)到飽和，那么三極管發(fā)射極與集電極導(dǎo)通，最終拉低開關(guān)管的柵極與源極的壓差，導(dǎo)致開關(guān)管全部關(guān)斷，迫使電源沒有輸出，達(dá)到了過流保護(hù)的作用，符合本質(zhì)安全型要求。具體線路如圖3所示。

圖3 三極管過電流保護(hù)電路

2) RC電路與三極管聯(lián)合控制過電流保護(hù)電路

該本質(zhì)安全電源電路在正常工作情況下，負(fù)載側(cè)的正常工作電流較小，限流電阻上的壓降也較小，該壓降不能使限流三極管導(dǎo)通，所以正常情況下電容所在回路不能充電，即電容兩端沒有壓差，因此控制三極管正常情況下也截止。如果主回路的工作電流增加到一定程度(根據(jù)開發(fā)者設(shè)計(jì)值不同)，使限流電阻兩端的壓降大于等于限流三極管基級(jí)電壓與R1電壓之和,則限流三極管導(dǎo)通，電容開始充電，RC電路開始工作，電容充電電流的充電時(shí)間常數(shù)為R×C。該電路需要計(jì)算器件的參數(shù)，要保證電容兩端電壓能夠足以保證控制三極管飽和導(dǎo)通的狀態(tài)，控制三極管集電極開漏輸出，足以驅(qū)動(dòng)主回路的控制開關(guān)管動(dòng)作。具體線路如圖4所示。

圖4 RC電路與三極管聯(lián)合控制過電流保護(hù)電路

3) 555定時(shí)器與PWM聯(lián)合控制過電流保護(hù)電路

UC384X系列芯片(IC1)是Unitrode公司生產(chǎn)的一款高性能單端輸出式電流控制型PWM芯片，該芯片的脈寬調(diào)制器特性可以用在煤礦井下本質(zhì)安全型電源上。IC1可以通過兩種方式控制開關(guān)管[3]：一是將3腳的電流輸入檢測(cè)端電壓升高超過1V，觸發(fā)過流保護(hù)功能，使6腳控制開關(guān)管關(guān)閉；二是將1腳電壓降低至1V以下，促使比較器輸出高電平而將PWM鎖存器復(fù)位，控制開關(guān)管關(guān)閉。當(dāng)有負(fù)載電流達(dá)到過流閾值時(shí)，IC1的1腳電壓下降，使IC2觸發(fā)器工作，當(dāng)7腳開始放電時(shí)，又強(qiáng)迫PWM控制器的1腳拉低，最終形成有周期的不斷控制開關(guān)管關(guān)閉，使電源的供電電路斷開，達(dá)到保護(hù)要求。若負(fù)載的電路的過電流始終存在，則開關(guān)管不斷的嘗試導(dǎo)通。而且，開關(guān)管的嘗試導(dǎo)通時(shí)間間隔相比導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)，開關(guān)管雖然在嘗試導(dǎo)通時(shí)通過電流較大，但是時(shí)間很短，不會(huì)發(fā)熱。這個(gè)周期由RC電流的R和C取值決定，本例中τ=R1×C1，當(dāng)負(fù)載電流恢復(fù)至正常值時(shí)開關(guān)管導(dǎo)通，恢復(fù)供電回路[4]。具體電路如圖5所示。

圖5 555定時(shí)器與PWM聯(lián)合控制過電流保護(hù)電路

圖6 過電流保護(hù)瞬間電路波形

4.2 過電流保護(hù)電路波形分析

本質(zhì)安全電源的輸出參數(shù)可以通過高精度示波器抓取。示波器帶寬同樣也限制在20MHz。在負(fù)載不變的情況下，電流值也為恒定不變，而在負(fù)載不斷變小時(shí)主回路電流變大，當(dāng)主回路電流達(dá)到過流保護(hù)值時(shí)，三極管開始飽和，開關(guān)管關(guān)斷，形成一個(gè)閉環(huán)控制。瞬間電路波形如圖6所示。

電源在發(fā)生故障時(shí)持續(xù)供電的時(shí)間決定了該電源的限能能力。圖7所示為一個(gè)直流24V本安電源，在瞬間短路一次時(shí)的電壓及電流雙通道采樣波形圖，采樣時(shí)基為1uS，電壓經(jīng)過約0.3uS的下降時(shí)間的同時(shí)，電流迅速增加至峰值最高約為3.3A，所以在整個(gè)保護(hù)過程中，該0.3uS時(shí)間段為本安電源的保護(hù)延時(shí)時(shí)間，將這段過程盡可能縮短，是限能的最終目標(biāo)。

圖7 短路保護(hù)瞬間電路波形

5 本安電源故障時(shí)瞬態(tài)輸出能量的測(cè)試評(píng)估

綜述以上幾種本質(zhì)安全型電源的保護(hù)方式，是從電路的原理上進(jìn)行分析，可以達(dá)到保護(hù)的要求。一個(gè)安全性能優(yōu)越的本安電源，也可以從電源輸出的瞬態(tài)輸出能量方面去考核。瞬態(tài)輸出能量的實(shí)質(zhì)含義，就是當(dāng)本安電源的負(fù)載側(cè)出現(xiàn)故障時(shí)(短路或過電流)，利用雙通道示波器同時(shí)抓取該電源輸出的電壓和電流波形圖，需要注意的是采樣頻率應(yīng)至少1MHz以上，將整個(gè)保護(hù)過程的波形圖導(dǎo)出并通過專用軟件分析計(jì)算，圖形的計(jì)算方法為瞬時(shí)功率與時(shí)間的積分(t1時(shí)間至t2時(shí)間)，“t1”為故障開始時(shí)間，“t2”為本安電源保護(hù)結(jié)束時(shí)間，計(jì)算本次故障時(shí)從故障開始至結(jié)束時(shí)輸出的總能量，通過多種故障形式，多次計(jì)算電源的輸出能量，這個(gè)能量值理論上越小越能體現(xiàn)出電源的保護(hù)速度快。積分公式為

函數(shù)“W(t)”為在t時(shí)刻時(shí)該電源的瞬時(shí)功率值，“E”為整個(gè)故障過程中本安電源輸出的總能量。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于本質(zhì)安全電源瞬態(tài)能量的考核也有明確方法，即在已知本安電源電壓等級(jí)的情況下，超過該電壓等級(jí)所對(duì)應(yīng)的評(píng)定電流時(shí)的這段時(shí)間里，計(jì)算該段時(shí)間里的總能量，該能量值規(guī)定為不能大于260μJ。

6 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)煤礦井下設(shè)備供電用的關(guān)鍵設(shè)備——本質(zhì)安全型穩(wěn)壓電源，論述了本安電源保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方法和測(cè)試評(píng)估，并詳細(xì)研究了過壓保護(hù)和過流保護(hù)兩種保護(hù)電路的基本原理。從實(shí)際應(yīng)用電路、輸出波形分析以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求相結(jié)合的方式，分析了煤礦用本質(zhì)安全電源的幾種保護(hù)方法。這幾種保護(hù)方法能夠滿足煤礦用本質(zhì)安全電源的輸出部分在煤礦井下正常工作以及遇到負(fù)載故障時(shí)達(dá)到本質(zhì)安全的要求，雙重保護(hù)設(shè)計(jì)可靠性高。這幾種保護(hù)方法采用分立元件設(shè)計(jì)，而相比其他集成芯片具有反應(yīng)速度塊、成本低廉、在大電流工作時(shí)散熱快的優(yōu)點(diǎn)。本質(zhì)安全型電源的研究，可提高煤礦井下設(shè)備工作時(shí)安全性能，避免井下用電設(shè)備產(chǎn)生火花引起瓦斯爆炸事故，達(dá)到以人為本、安全第一的重要目的。