一种新型矿用本质安然型电源设计_电路_电压

0 弁言

随着科学技能的发展，煤矿井下作业环境中利用自动扮装备的程度越来越高，各种检测仪表大量呈现，致使本安电源在矿井中的利用越来越频繁,同时对其参数哀求和利用哀求也越来越高。
目前在煤矿井下本安电源已经是一个不可替代的安全供电设备。
常日情形下，煤矿井下存在瓦斯等爆炸性气体，各种仪表都哀求本安设计，但是在供电过程中，也须要本安电源来供电，以达到安全哀求。
这就哀求本安电源在设计过程中一定要考虑到电路中电压、电流以及功率等情形，某些分外运用还须要考虑到保护的速率等情形，作好充分的保护事情，以防止过压或过流以及保护不及时而产生井下瓦斯气体爆炸等情形，造成不必要的职员和财产丢失[5]。

实质安全型电源即本安电源,由于它常日有一个隔爆外壳，以是也叫做隔爆兼本安电源。
在中国防爆国标和煤矿行业标准中对本安输出特点有详细规定。
紧张有：(1)输出的电压电流不能点燃周围的可燃气体；(2)本安与非本安之间必须有可靠的隔离[2]；(3)输出保护必须采取双重保护机制[3]；(4)有后备电源的哀求采取安全系数高的环保型镍氢或磷酸铁锂电池,并同时知足GB3836.4-2010中第10条和MT/T1051-2007《矿灯用锂离子蓄电池》的安全规定[4]。
上述这些哀求同时也给设计本安电源供应了努力的方向。

1 系统事理

本文中先容的本安电源是带有后备电池的本安电源，根据国家煤矿行业标准规定的利用哀求，隔爆兼本安电源的组成部分大致包括：隔爆外壳、变压器、交直流变换电路、直流稳压电路、电池管理电路、后备电池、一级过压过流保护、二级过压过流保护。
电池考虑到安全性和环保性，本设计采取了24 V/5 Ah磷酸铁锂电池。
系统事情事理框图如1所示。

其事情事理为：井下高压电源通过变压器降压，低压互换电经由交直流变换稳压后，经由一级过压过流保护，再经由二级过压过流保护后输出18 V/1 A的电源。
当外供电临时断电后，后备电池供电，经由直流稳压电路，然后再经由一、二级过压过流保护电路输出18 V/1 A的电源。
当外供电正常时，外供电对电池充电。
当电池供电时，可以满负荷供电2.5 h以上，完备知足安全监控系统的哀求。

2 方案设计

2.1 变压器及交直流变换

变压器是一个比较主要的环节，它既可以作为高压变低压的转换器件，也可以作为本安与非本安的中间隔离器件。
应该选用隔离耐压较高，漏磁小，噪声小的R型变压器。
由于井下一样平常的照明电是127 V，动力电为380 V、660 V、1 140 V几种，为了知足不同的电压输入常日采取多头输入的变压器，这样利用性更强。
在变压器输出后再通过整流桥滤波电路输出32 V旁边的电压。
详细电路如图2所示。

2.2 直流稳压电路

经由整流变换的电源旗子暗记纹波较大，还必须进行稳压和滤波处理，得到较为空想的直流旗子暗记，并将其做为全体系统的输入直流电源。
本设计采取国产的大功率DC/DC电源模块XL4015，此模块输入电压8 V~36 V，输出1.25 V~32 V可调，最大输出电流5 A。
同样知足GB3836.4规定的1.5倍的功率余量设计。
电路图如图3所示。

2.3 保护电路

传统的过压过流保护方法是先调度好得当的电压电流阈值，通过采样电阻采样，然后将旗子暗记送给比较器，进行正常的保护功能。
这个方法在生产调试时操作繁芜，有时电位器发生偏移也随意马虎导致阈值发生偏移，存在诸多隐患。

本设计采取前辈的浪涌抑制器芯片LT4356和场效应管IRF2805为核心器件设计过压过流保护电路。
LT4356是凌特（LT）公司生产的一款具有故障锁断功能的浪涌抑制器，该器件能同时进行过压和过流保护，事情电压范围可到4 V~80 V，在不对自身和负载造成破坏的条件下供应-60 V的反向输入保护、输出电压检测，集检测保护于一体，既提高了系统的可靠性，也简化了调试操作，提高了生产效率。
下面详细先容电路的设计情形[1]。

2.3.1 过流保护设计

如图4所示，直流电源输入到LT4356后通过RSNS进行采样，当RSNS两端的压降掌握LT4356的GATE端以实现过流保护功能。
采样电阻两端VCC和SNS真个压降和内部50 mV基准电压进行比较，当采样电阻压降大于50 mV时，电路进入过流保护。
SNS端最低还能够事情在-60 V，SNS端和VCC真个压降不能超过30 V。
本文先容的电源是18 V/1 A的电流，故可以打算出[1]：

RSNS=50 mV/1 A=50 mΩ

2.3.2 过压保护设计

LT4356的一个主要浸染便是浪涌抑制，它内部可以设置一个箝位电压，当电压超过箝位电压时，LT4356起浸染，担保输出电压在箝位电压以下。
本文便是利用这个功能来达到过压保护的设计目的。
如图4所示，LT4356有一个FB端，它内部连接一个电压比较器，FB真个反馈电压和内部的1.25 V基准电压比较来掌握芯片GATE的输出，GATE端和外部的MOS管的栅极连接来掌握电压的输出。
当电压超过设定值时，MOS管关断以实现过压保护功能。
R1和R2两个电阻分压后，连接到FB端，发生过压时，芯片即进入故障状态，在故障周期内，GATE端掌握MOSFET连续保持导通，直到韶光超过故障设定的韶光，GATE端掌握MOSFET关断，进入保护状态[6]。
打算R1、R2的值利用如下方法：

浪涌抑制箝位电压VREG=1.25×(R1+R2)/R2，输出的本安电源是18 V，以是，箝位电压VREG=1.25×(R1+R2)/R2=18 V，R1=13.4R2。

考虑到故障时经由R2的电流一样平常掌握在0.2 mA～1 mA之间，电源本身有一定的稳定度，而且对保护电压也要有一定的余量，避免频繁误动作，取R2=1.5 kΩ，打算出R1=20.1 kΩ，选R1=22 kΩ，此时设计出的箝位电压为19.58 V。
在图4中的R4、R5为电池供电时的低电压检测设置，根据利用电池的情形，可以合理地设置欠压条件。
如果不该用可以悬空。

2.3.3 场效应管的功率选择设计

当发生过压过流时，功率器件MOSFET并没有及时关闭，而是还要事情较长一段韶光，此韶光一样平常称为故障韶光，因此对MOSFET的性能提出了较高哀求。
对MOSFET重点考察的参数有导通电阻RDS(ON)，最大漏源电压VDSS和安全事情区SOA曲线等。
根据上述的特点，本文选择IRF2805做为开关掌握功率器件。
其源泄电压VDSS最大达到55 V，漏极电流ID最大为75 A，整体耗散功率可以用下式打算：

P=VREG×50 mV/RSNS=18 V×50 mV/50 mΩ=18 W

而本设计选用的IRF2805完备知足电路的设计哀求。

2.3.4 故障韶光设置

故障韶光实际上是本安电路保护时的反应韶光。
本安电路的故障韶光能够通过LT4356芯片上的一个TMR真个电容(CTMR)来调节。
在故障韶光内电路箝位事情在给定的电压和电流值范围内，当超过故障韶光时，MOSFET关断以保护后级电路不被破坏。
电容CTMR同样也掌握着电路规复韶光，经由一段规复韶光后，LT4356会自动重启。
适当地调度电路故障韶光来设置保护电路的保护反应速率，这也是提高电路安全性能的一个主要方法。
根据LT4356芯片数据手册，故障韶光的打算为：

T=CTMR×100 mV/5 A

如果取CTMR=1 F，则故障韶光大约为2 ms。

3 实验剖析

本安电源设计除了却构上的哀求外，电气的哀求便是过压过流保护速率和规复韶光的问题了。
本文设计的本安电源经由国家煤矿防爆安全产品质量监督考验中央试验，紧张实验数据如表1所示。

本表格中的数据表明，本电源设计电气参数符合哀求，在实际事情过程中，其电路详细保护速率为：当超过19.58 V达到2 ms时，电路进入保护，当电路等待2 ms后，电路自动规复功能；对付负载电流，当电路电流超过1.05 A达到2 ms时，电路进入保护，当电路等待2 ms后，电路自动规复功能。
经由火花实验，其任一选择的正常和故障状态下的短路、通断实验均未涌现点燃征象，其终极本安参数分别为UO=18 V、I0=1.05 A、CO=0.1 ?滋F、LO=0.1 mH，完备知足设计目标哀求。

4 结论

本文设计了一款新型的带备电的本安电源，它具有双重的过压过流保护功能，当电路发生故障时保护井下设备，当故障解除时，可以自动规复，进入到正常保护状态，重新保护井下设备安全运行。
本电源已通过国家安标考验，在利用过程中表现良好。
但是由于存在过压过流和快速保护功能，因此对付某些上电后有冲击电流的负载，可能造成不能正常事情，还须要在设计负载设备时增加软启动电路，使得电源负载能稳步增加，降落电路中的瞬间电流，从而避免误动作的发生。

参考文献

[1] LT4356-1/LT4356-2 Surge Stopper Data Sheet[OL].LinearTechnology Corporation.

[2] 中华公民共和国国家标准.GB3836.1-2010.爆炸性环境 第1部分 设备通用哀求[S].北京：中国标准出版社，2011.

[3] 中华公民共和国国家标准.GB3836.4-2010爆炸性环境 第4部分由实质安全型“i”保护的设备[S].北京：中国标准出版社，2011.

[4] 中华公民共和国煤炭行业标准MT/T 1051-2007.矿灯用锂离子蓄电池[S].北京：煤炭工业出版社，2008.

[5] 徐磊，周孟然，赵祥.煤矿实用本安电源设计[J].煤矿机器，2012(3)：33-03.

[6] 戴钱坤，谢君甫.邹晓渔.一种新型机载防浪涌电压保护电路设计[J].电子技能运用，2011(11).