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1、信号用本质安全直流电源的设计翁寅生， 高珺( 中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077)摘要: 对本质安全电源的控制方法进行了分析， 对信号用本质安全直流电源进行详细设计， 具体从分立元件与集成电路、 过压保护与过流保护 2 个方面分别进行设计， 并比较其优缺点。工程应用结果表明集成电路较分立元件搭建的保护电路具有电路简单、 成本低和可靠性高的优点。关键词: 直流电源; 本质安全; 设计; 信号电源中图分类号: TD685文献标志码: A文章编号: 1003 496X( 2013) 11 0128 02Design of Intrinsic Safe DC Power for
2、 SignalWENG Yin sheng，GAO Jun( China Coal Technology and Engineering Group Xian esearch Institute，Xian 710077， China)Abstract: The article analyzed control method of intrinsic safe power，and designed intrinsic safe DC power used for signal in detail，which was designed from two sides of discrete comp
3、onents and IC( integrated circuit) ， overvoltage and overcurrent protect， and its mer-its and faults were compared Practical project result showed that the circuit constructed by IC has many merits such as sample circuit，low cost and high reliabilityKey words: DC power;intrinsic safe;design;signal p
4、ower基金项目:“十二五” 国家科技重大专项资助项目( 2011ZX05041 001)1本质安全直流电源的控制方法煤矿井下使用的本质安全型电气设备一般设计成 “ib” 保护等级， 电源也应具有 exib I 型本质安全特性1 3 。因此， 根据本质安全原理， 本电源设计成2 级过压和 2 级过流的保护装置， 实现目标电压及目标电流限制的直流电源输出， 本质安全直流电源的控制框图如图 1。图 1本质安全直流电源的控制框图2信号用本质安全直流电源的设计信号用本质安全直流电源有双重过压和双重过流保护电路， 由于双重过压/过流电路可由 2 个完全相同的 1 级过压/过流电路串联组成。因此， 下面以
5、1 级过压与过流保护电路进行说明， 设计参数为电源过压值 =5 6 V， 过流值 =0 75 A。根据参考文献 1 附录 A 中的曲线图 A1， 对于 ExibI 纯电阻电路，输出28 V 电压时对应的最小点燃电流为0 75 A， 再考虑 1 5 倍的安全系数， 即输出 18 7 V( 28/1 5 =20) 时对应最小点燃电流是 0 75 A， 由于参考文献 1 的图 A1 中电源电压与最小点燃电流是单调减函数， 而且图 A1 中电源电压范围最小是 10 V( 图中10 V 对应3 A 以上都认为是本质安全的) ， 而对5 V没有明确说明， 所以对于电压为 5 V 的系统， 过流值设为 0
6、75 A 进行保护一定是本质安全的。这里设置 0 75 A 的主要目的是根据实际供电系统需要， 当电路电流达到 0 75 A 时， 电源需要进行过流保护，自动切断电源的供应， 达到本质安全的目的， 这个过流值可以根据实际电路需要进行调整。根据曲线图A1， 实际上 5 V 系统可以设置 3 A 以下的某一值时都可认为是本质安全的， 只是当达到设定过流值时电源自动切断电源输出供应。2 1分立元件搭建的过压与过流保护电路设计分立元件一般采用稳压管、 可控硅、 三极管、MOSFET、 比较器、 基准源及电阻电容等器件构成。分立元件搭建的过压保护电路的基本原理都是一旦输出电源过压， 使稳压管击穿， 从而
7、将输入与输出的电源电路切断， 实现过压保护4 。其过流保护电路的基本原理就是一旦采样电阻采样到输出电流超过821( 第 44 卷第 11 期)设计开发DOI:10.13347/ki.mkaq.2013.11.042中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et设计值则使可控硅导通， 从而将输入与输出的电源电路切断， 实现过流保护。如图 2 为采用分立元件搭建的 1 级过压与过流保护电路。左边虚线框中为过压保护电路， 当输出的 5 V 电源 5V0out超过稳压管击穿电压 Vz时， 采样电阻上产生正电压， 使可控硅导通， 从而将取样电阻拉至地; 比较器的正端始终为参考
8、正电压， 而负端为 0 V， 使比较器的输出端输出5 V， 从而使 P 沟道的 MOSFET1 管的 G 端电位为 5V， 所以 MOSFET 关断电压输出， 从而实现过压保护。设电路的过压保护值为 Vp， 稳压管的击穿电压为 Vz， 则两者的对应关系为:Vp= Vz( 1)因过压值要求 5 6 V， 根据式 1， 故选择稳压管的击穿电压也应为 5 6 V。右边虚线框中为过流保护电路， 当输出端 5V1out与 GND5V1间的负载出现短路或过流时， 使得采样图 2采用分立元件搭建的一级过压保护电路图电阻上电流变大， 当此电流大于设定的阈值时， 采样电阻 s2上的电压大于参考电压 U2， 使得
9、比较器 2翻转， 触发可控硅 Q2导通， 限流电阻 2被拉至地，使得比较器 3 电平变化， 从而使得 P 沟道 MOSFET的 G 端电位为高， 所以 GS 端电压为 0，MOSFET 关断电流输出， 从而实现了过流保护。电路的过流阈值 Ip可通过调整参考电压 2 的 Vf2和采样电阻 s2的阻值参数， 其计算公式如下:Ip= Vf2/s2( 2)因过流值要求为 750 mA， 故选择参考电压 2 的值为 Vf2=1 5 V， 采样电阻 S2=2 ， 根据式( 2) 可计算出过流值为 Ip=1 5/2 =0 75 A。采用分立元件搭建的过流保护电路， 其优点是电路灵活， 保护参数可调， 通过改
10、变电路的一些参数可以方便的实现多种电压和不同电流值的过压与过流保护。其缺点是电路复杂， 可靠性不高。2 2采用集成电路搭建的过压与过流保护电路采用集成电路搭建的过压或过流保护电路， 其内部集成了过压电路和过流保护电路。过压保护电路的保护参数固定， 无法调整保护参数， 由于只需要一片集成电路就可以实现过压保护， 所以电路非常简单， 大大节约成本， 合适常用的小信号电压如 5 V系统使用。由于这些 5 V 过压保护芯片有的其内部也集成了电流保护， 所以可以一个芯片可以实现一级过压和一级过流保护， 用 2 片芯片进行串联就可以实现 “ib” 保护等级的本质安全电路。图 3 为采用集成电路搭建的过压与
11、过流保护电路。芯片 NCP361 是安森美公司生产的内部带PMOS FET、 过流保护和过热关闭的 5 V 过压保护控制器， 其过压阈值是 Vth= 5 675 V( 5 43 5 9 V) ，欠压保护阈值: 3 V( 2 85 3 15 V) ， 保护输出关断时间 0 7 s， 静电保护 15 kV。在图 3 中， EN 引脚为使能引脚， 平常一般接地， FLAG 引脚输出用于当有过压和过温故障时提示系统。由于 Vth恒定， 故保护值不能调整， 保护值与过压阀值的关系如式( 3) 。Vp= Vth( 3)图 3采用集成电路搭建的过压与过流保护电路AAT4610A 是 ANALOGIC TEC
12、H 公司生产的专用于过流保护的负载开关， 输入电压范围: 2 4 5 5V， 过流阈值可调: 0 1 A， 响应速度快至 0 4 s， 静态电流低至9 A， ESD 额定4 kV， 欠压锁定， 过温关闭， 温度范围: 40 85 。( 下转第 133 页)921设计开发( 2013 11)中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et导致的支护结构性失稳; 另一类是由于支护承载结构自身结构形式存在的薄弱部位出现破坏， 而导致的结构失稳。2) 巷道围岩稳定性受上方工作面周期性来压的影响较大。试验巷道条件下， 受工作面开采影响的范围为工作面前方 104 145 m 至工
13、作面后方 90155 m。3) 巷道与工作面的相对位置关系不同， 受到采动影响的程度不同。巷道两帮和帮脚对工作面周期来压的反映比巷道拱部敏感， 两帮帮脚区域围岩在产生新生裂隙和剪胀变形的同时， 更多地表现出原有裂隙闭合。参考文献: 1 陈炎光， 陆士良 中国煤矿巷道围岩控制M 徐州:中国矿业大学出版社， 1994 2 钱鸣高， 石平五 矿山压力与岩层控制M 徐州: 中国矿业大学出版社， 2003 3 陆士良， 汤雷， 杨新安 锚杆锚固力与锚固技术M 徐州: 中国矿业大学出版社， 1998 4 何满潮， 袁和生， 靖洪文， 等 中国煤矿锚杆支护理论与实践 M 北京: 科学出版社， 2004 5
14、徐永圻 煤矿开采学M 徐州: 中国矿业大学出版社， 2007 6 勾攀峰 巷道锚杆支护提高围岩强度和稳定性研究 D 徐州: 中国矿业大学， 1998 7 康红普 巷道底鼓的挠曲效应及卸压结果的分析 J 煤炭学报， 1992， 17( 1) : 37 52 8 雅姆希柯夫 矿压的监测与研究M 刘听成， 译 北京: 煤炭工业出版社， 1987 9古际亮， 谢文兵 采动诱导底板巷道矿压规律研究 J 能源技术与管理， 2011( 1) : 15 17 10 邹军， 郜锦柱 采动诱导底板巷道承载结构弱化及其控制 J 煤炭科技， 2011( 2) : 72 73作者简介: 陈杰( 1991 ) ， 男，
15、汉族， 江苏如东人， 硕士研究生， 从事巷道围岩控制和采矿工程数值模拟方面研究。( 收稿日期: 2013 01 21; 责任编辑: 梁绍权檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵)( 上接第 129 页)根据 AAT4610 的技术手册过流阈值与可调电阻的对应关系， 可拟合出如图 4 的过流阈值 Ip与可调电阻 1阻值的对应函数关系图， 其公式如下:Ip= f( 1)( 4)通过调节与 AAT4610A 的 SET 引脚相连的下拉电阻 1的阻值可以调节过流阈值 Ip的大小。由于设计参数为 0 75 A 进行过流保护， 所以根据图上的函数关系图
16、可知阈值最小值 0 75 A 所对应的可调电阻阻值为 6 81 k， 所以选择 1min= 6 81 k。因为每个集成电路、 电阻及电源电压等电路参数均有差异， 所以阈值实际都是一个范围， 实际应用时应根据实际测得的过流值对 1进行微调。图 4过流阈值与调节电阻阻值的对应关系图3结语对信号用本质安全直流电源， 分立元件搭建的保护电路其保护参数虽然可调， 但由于电路本身复杂， 不仅给调试带来很大的麻烦， 可靠性大大降低，而且增加了原始成本和维修成本。集成电路搭建的保护电路则弥补了这些缺点。因此在工程应用中，在满足保护参数使用的前提下尽可能使用集成电路来搭建保护电路。参考文献: 1 GB3836
17、4 2010 爆炸性气体环境用电气设备 S 2 冯小龙， 王鸿渐， 张兴华， 等 基于 LM723 的煤矿工作面本安电源的设计及实现 J 煤炭工程， 2008( 12) :18 19 3 刘树林， 刘健 本质安全开关变换器M 北京: 科学出版社， 2008 4 康华光 电子技术基础M 北京: 高等教育出版社，2006作者简介: 翁寅生( 1979 ) ， 男， 湖北大悟人， 助理研究员， 硕士， 主要从事煤矿机电控制与仪器开发。( 收稿日期: 2013 01 11; 责任编辑: 李力欣)331应用实践( 2013 11)中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et