矿用抗冲击延时启动电源模块设计

谢 浩，谢俊生

（1．天地（常州）自动化股份有限公司，江苏 常州213015；2．中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏 常州213015；3．阳泉煤业（集团）有限责任公司，山西 阳泉045000）

为提高煤矿安全监控系统[1]准确性、灵敏性、可靠性、稳定性和易维护性，增强煤矿安全保障能力，国家煤矿安监局印发了《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》[2]，其中提出“分站的最大远程供电距离（在设计工况条件下）实现分级管理，分别为2、3、6 km”，要达到6 km 的远距离供电，需要从电源的带载能力[3]、供电线缆、传感器自身功耗等方面进行重新设计或进行技术改进，但由于煤矿行业的特殊性，要求电源输出为本安型[4]，带载能力受限；煤矿工作环境恶劣，大直径线缆供电受限。这就需要降低传感器的功耗[5]，传感器启动电流大，抗冲击能力弱就是其中一个因素，由于电路中的电容、电感及一些需要电流控制芯片的相互作用，在很多情况下传感器上电的瞬间会对供电电源产生电压或电流的冲击[6]，特别是大电流的冲击将会使电源进入“自保护”[7]的状态而无法正常工作。在供电电源正常工作的情况下，额定电流范围之内可以带动的传感器越多，供电距离越远，供电电源的利用效率就会越高，所以很有必要研究防止电流的冲击实现缓慢启动电源模块。

1 电源模块设计

1.1 电源模块整体组成

电源模块整体组成原理框图如图1，电源模块先经过抗冲击电路进行滤波和抑制浪涌、脉冲群产生的冲击[8]；然后经过延时启动电路[9]，降低冲击电流；最后，通过本质安全ia 保护等级电路实现稳定的直流输出[10]。

图1 电源模块整体原理框图

1.2 抗冲击(干扰)电路

煤矿采煤自动化程度的提高，井下大型机电设备、变频设备普遍应用，这些设备的频繁启停操作，会带来严重的瞬态电压和冲击电流，容易导致井下监测设备、通信设备出现工作不稳定、设备重启、输出信号差等影响。国家煤矿安监局印发的《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》要求“增强抗电磁干扰能力，安全监控系统及组成设备采用抗干扰（EMC）技术设计。”需通过静电抗扰度试验、电磁辐射抗扰度试验和脉冲群抗扰度试验，并达到相应的评价等级。因此，提高电源的电磁干扰屏蔽能力、抗冲击电流的能力成为电源稳定、可靠、安全工作的首要任务。抗冲击（干扰）电路如图2。

图2 抗冲击（干扰）电路

首先输入的直流电压经过2 个压敏电阻，当电路中有瞬时大电压时，压敏电阻瞬间导通，起到保护电路的作用；之后经过共模线圈，滤除信号线上的共模电磁干扰，抑制自身不向外发出电磁干扰；在共模线圈的两端并联电容构成π 型滤波，从而将电源中的噪声或谐波信号滤除；TVS 管起到静电保护的作用；在电路末端串联磁珠，可以有效的吸收静电脉冲信号和高频信号，同时也可以很好的抑制脉冲群信号。

除了需要正确的选用保护器件、合理布局元器件和接地方式外，也要对印制电路板的布线进行抗干扰方面的技术处理，电源线、接地线要尽量加粗，电源线、地线、信号线的走向尽量一致，增强抗噪能力；尽量采用单点接地的方式，避免大面积接地出现干扰信号。对于2 条平行的信号线尽量拉开其间距并加1 条地线以消除电磁场的影响，提高电源电磁兼容性。

1.3 延时启动电路

在电源电路的设计中电源的输入端和输出端均会有滤波电容，可以起到对高频信号和低频信号的滤除，使电源电压有很小的纹波系数。在电源模块上电的瞬间，电路中的电容会在上电的瞬间相当于短路，从而产生较大的冲击电流施加在电路上，所以需要在电路设计中考虑添加延时启动电路来解决电源瞬间上电的问题。延时启动电路如图3。

图3 延时启动电路

由R4和C1构成的充放电电路，充电电压为稳压管的电压（1.2 V），电路产生的缓慢启动效果为C1充电充满至U3的开启电压。充电时间越长，效果越好。由于U3的开启电压为0.7 V 左右，再根据RC 充放电电路特性可知，用1.2 V 比用输入电压9～24.5 V 充电所用的时间更长，因此效果也会更好。

1.4 本质安全电路

根据本质安全ia 保护等级要求，电路在正常工作、1 个或2 个故障时，都不能点燃爆炸性气体混合物的电气设备，所以需要在芯片电源入口端串联3个二极管，在输出端并联3 个二极管，如果其中1 个或者2 个二极管出现故障时，电路也可以正常工作；其中入口端的二极管建议采用肖特基二极管SS14，其具有工作速度快、电流大等优点，并且可以起到防止反接的作用；输出端的二极管建议采用瞬态抑制二极管，其反应速度快，是一种具有浪涌吸收能力的半导体器件，能够通过吸收来自电路的瞬间大电流、高电压钳位，起到保护电路的作用。本质安全ia 保护等级电源电路如图4。

图4 本质安全ia 保护等级电源电路

U1采用高性能的DC-DC 电源转换芯片MP2456 进行电压转换，该芯片外围组件少，转换效率高，可承受的输入电压范围为5～50 V，输出电流可达400 mA（输入电压为18～24 V 时），输出电压可调，范围可达0.81 V 至0.9 倍的输入电压，同时芯片内部设有热关断和逐周期过流保护。选用的SS14肖特基二极管最大压降不超过0.5 V,经串联后电源芯片入口电压为7.5 V，满足芯片工作条件。在保证电源性能的情况下，为了能进一步提高电源电路的安全性，应尽量降低储能件的容量值，输入端和输出端的电容最好采用钽电容，同时电感也需要考虑最大可通过电流，应设有续流二极管DFLS160，在保证可靠性和降低电源噪声纹波系数的前提下，经测量得出电源芯片输入端电容为C1=4.7 μF、输出端电容为C3=22 μF、输出端电感为L1=47 μH。

2 试验测试

经过试验以及长期稳定的带载测试，该电路可以保证电源为本质安全型，并且电压稳定输出，纹波系数低。

1）延时启动测试。采用示波器实际测试C1充电充满至U3的开启电压所用的时间为92.8 ms，实测波图形略。

2）电源输出测试。采用示波器实际测试电源模块输出端波形，从图中可以看出输出电压平稳上升，电源信号稳定、完整。

3）纹波电压测试。纹波电压测试电路如图5，对该电路的纹波电压进行实际测试。调整输入电压为9 V，调整滑动变阻器使电流表A 读数达到0.1 A，测量此时+Vo 和GND 间的输出电压及纹波（20M 带宽抑制）；调整输入电压为24.5 V，调整滑动变阻器使电流表A 达到0.3 A，测量此时+Vo 和GND 间的输出电压及纹波（20 M 带宽抑制）；+Vo 输出电压5.0 V 时纹波≤60 mV；+Vo 输出电压3.0 V 时纹波≤60 mV。

图5 测试电路图

4）火花试验。电路在正常和故障状态下，火花放电能量小于爆炸性危险气体的最小点燃能量，满足GB 3836.4—2010 标准对本质安全电源的要求。

5）传感器冲击电流试验。试验采用的采样电阻为0.34 Ω，应用于不同型号的传感器进行实际测试，各种传感器使用抗冲击延时电源模块冲击电流实测数据见表1。

表1 各种传感器使用抗冲击延时电源模块冲击电流实测数据

3 结 语

矿用抗冲击延时电源模块可以抑制大电流的冲击，控制电流的供给，提高了电源抗干扰能力，转换效率，达到本质安全ia 保护等级，从根本上限制了电火花和热效应，该模块已在煤矿安全监控系统的传感器中得到推广应用。