基于容量及保护时间可调的矿用本安电源

邹德东，刘 鹏

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

随着矿山数字化、智能化的迅猛发展，越来越多的本质安全类监控设备被实施部署到煤矿井下。为其供电的本安电源稳定与否直接影响到这些设备能否稳定准确可靠的工作，甚至影响整个矿山的安全生产，给作业人员的生命财产安全带来隐患。

本质安全型电源的设计主要需要考虑2个方面：①安全性：在任何情况下，本安电源与负载的任何工作状态所产生的电火花均不足以点燃的周围的爆炸性气体[1-3]；②稳定性：既要满足大容量负载的带载需求，又要避免由于负载短时起动冲击造成的误动作，同时要尽可能降低静态工作电流，在后备电源工作时，延长工作时间。然而安全性与稳定性是矛盾对立的关系，所以在设计本安电源时，要结合实际负载情况，在安全性和稳定性之间找到结合点，选择合适的保护方式及参数，既保证安全，又能使负载稳定工作。为此，通过对影响本质安全的因素及其保护方式的研究，提出了一套集低损耗、抗冲击、缓起动、自恢复功能于一体的大容量本质安全型电源设计方案。

1 本质安全型电源关键技术

1）本安电源容量与保护时间的关系。任何一款直流电源的输出，在短路的瞬间必然要产生电火花，在感性负载断开的瞬间由于反向电动势的存在也会产生电火花[3-4]。如果电火花释放的能量足以点燃周围的爆炸性气体就会产生爆炸。所以本质安全电路的最终目的是降低电火花释放出的能量。影响该能量大小最关键的因素有2个：本安电源容量和能量释放时间[5]。电火花放电能量与电源容量及放电时间的关系如图1。图中：P0、P1为能量释放起始时刻的容量；t0为能量释放起始时刻；t1为带有保护的能量释放结束时刻；t2为未带保护的能量释放结束时刻。△P1t0t1、△P0t0t2、△P0t0t2的面积依次代表减少保护时间、降低电源容量和没有任何措施时的火花能量。不难看出，可以通过降低容量或者减少保护时间来达到本质安全的目的。

图1 火花能量与电源容量及释放时间的关系Fig.1 Relationship between spark energy and power capacity and release time

2）抗冲击关键技术。本安电源在满足本安要求的前提下，保护时间越长意味着抗冲击性能就越好。由图1可知，电火花释放的能量与电源容量及释放时间成正比。这就意味着在满足火花能量不足以点燃爆炸性气体的前提下，找到电源容量与保护时间的结合点能够使本安电源的性能达到最优。因此，在设计本安电源的过程中，不应一味的追求电源容量，能够满足负载正常起动和工作就好。给保护时间留出余量，提高电路的抗冲击性能。

3）截流型本安电源的自恢复技术。目前行业内普遍采用本安电源保护方式有2种：限流型和截流型[6]。限流型的工作原理是故障产生后会立即切断电源输出，然后缓慢恢复，如果故障一直没有解除，当电流恢复至正常工作的电流值时，开关器件将工作在非饱和区域，从而产生热量；因此，为避免器件的热损伤，限流型本安电源容量比截流型要小。截流型的工作原理与限流型不同的是在切断输出后并不会缓慢恢复，而是通过自锁原理让电源继续保持保护状态；因此，截流型本安电源在保护时产生的热量极小，电源容量也比限流型大。如果能让截流型电源在保护后定期自动恢复，将会满足现场大容量负载连续工作的要求；自恢复是指电路在保护后，定时解除保护，如发现故障未撤销，则继续保护，如此反复，直至故障解除，正常输出。

4）缓起动技术。目前井下监控类设备为了降低功耗，电源部分大都采用开关电源原理，电源入口储能元件较多，致使负载起动电流过大，容易造成本安电源误动作。如果在本安电源输出及自恢复的时刻引入缓起动技术，将大大降低负载起动电流对电源造成的冲击。缓起动的工作机理是起动瞬间，通过小电流储能的方式，控制开关器件缓慢导通，达到缓慢提高输出电流的目的，保证负载稳定起动。

2 基于容量及保护时间可调的矿用本安电源

为最大限度的满足现场实际负载需求，设计了一款新型本安电源。该电源主要有过压保护、过流保护、短路保护、自恢复电路、缓起动电路、检流电阻及开关器件组成。本安电源功能框图如图2。

图2 本安电源功能框图Fig.2 Functional block diagram of intrinsically safe power supply

开关器件选用P沟道场效应管IRF7240。该芯片为SOP8封装。漏源最大电压UDS为-40 V，最大工作电流ID为-10.5 A，完全满足煤矿井下本安型负载的供电要求。芯片典型内阻在20 mΩ左右，在流经大电流时能够保证压降不会太大，同时避免芯片发热造成损坏。芯片关断时间为210 ns，在P沟道场效应管中是比较快的，完全满足本安电源保护的需求。

逻辑判断部分选用高速比较器LM339。该芯片为SOP14封装。内部集成4路开漏输出型比较器，本设计中用到3路。芯片最大供电电压UID为直流36 V。大失调电压UIO为5 mV，可以极大限度保证成品的一致性。典型反应时间为300 ns，完全满足保护需要。

为了使电路工作稳定，一致性好。内部参考电压选用专用的电压基准芯片LM285-2.5输出DC2.5 V电压。在允许工作温度范围内误差不到1%，可以使电路中各保护值更加准确[7]。

针对各功能模块，结合本安电源关键技术进行了硬件电路设计。本安电源电气原理图如图3。

图3 本安电源电气原理图Fig.3 Electrical schematic diagram of intrinsically safe power supply

2.1 过流和短路保护

为保证电源容量，采用了截流型的保护方式。过流时由U1C、D3控制Q1关断完成保护。图中，Uref1为2.5 V。U1C11脚上的电压Uref2由Uref1经R12、R17分压确定。Uref2计算如式（1）：

正常工作时，U1C10脚上的电压，也就是R8上的电压低于Uref2，比较器13脚输出电压输出经R13上拉之后为高电平，控制Q2关断，Q1导通，正常输出。过流时，U1C10脚上的电压增大，当超过Uref2时，U1C13脚输出电压为低电平，控制Q2导通，使Q1的门极与源极间电压UGS近似为0，Q1关断，达到保护目的。短路保护可以理解为电流无限大的过流保护，是过流保护的一种特殊情况，保护过程等同于过流保护。过流保护值Imax计算如式（2）：

由式（2）可知，通过调整R8的阻值即可调整本安电源的过流保护值。Uref2设计得过大会导致满载和空载时电源输出变化较大；设计得过小会影响保护精度。可以根据式（1）对R12与R17的比例关系进行调节，进而得到合理的Uref2的值。

过流保护执行时间除了由保护器件固有特性决定外，还可以通过改变C1和R7的参数来调整[8]。正常工作时，D3正极为高电平。此时C1两端电压为0。保护发生时，D3正极为低电平，UIN通过R7向C1充电，导致Q2的基极电压缓慢下降。使Q2导通的时间延长，从而控制Q1实现延时关断的目的。提升抗冲击能力。

2.2 过压保护

输入电压过高时，由U1A、D1控制Q1关断完成保护。U1A7脚接Uref1电位为2.5 V。U1A6脚电位由输入电压UIN经R1、R9分压确定。当UIN未到过压保护值时，经过分压后的U1A6脚电位小于U1A7脚的电位，U1A1脚输出高电平，控制Q1导通，电源正常输出。当UIN过高，经过分压后的U1A6脚电位大于U1A7脚的电位时，U1A1脚输出低电平，控制Q1关断，达到保护目的。过压保护值Umax计算如式（3）：

由式（3）可知，通过调整R1与R9的比例即可调整过压保护值。R1、R9的选值大一些可以降低静态功耗，但同时容易接收辐射、静电等一些干扰，造成误动作。经过反复测试发现流经R1与R9的电流在1 mA以上时，可以有效避免干扰，电路运行稳定，同时静态功耗很小。

2.3 自恢复电路

截流型电源需要具备自恢复功能[8-10]，由Q3、C3、R15结合R4、R5、R6控制U1B来实现。在电路正常工作时，U1C13脚输出高电平，Q3截止，所以U1B4脚电位由R16下拉为低电平。U1B5脚电压U1B-5可由式（4）计算得出。可以看出此时U1B-5必然大于Uref1，所以U1B2脚输出高电平，Q1导通，电路正常工作。

过流时，U1C13脚输出低电平，控制Q3导通。U1B4脚电位U1B-4近似等于UIN。由式（4）可知，此时U1B-5小于U1B-4，所以U1B2脚输出低电平，控制Q1断开，实现保护。与此同时，由于U1B2脚输出低电平，使得U1B-5发生变化，此时必然小于Uref1，因此可以维持保护状态。过流保护后U1B5脚电压U1B-5如式（5）。

过流保护动作后，由于主回路已被切断，所以U1C13脚又将恢复为高电平，此时Q3关断。但由于过流保护瞬间Q3导通，UIN已经由R15向C3进行充电，所以在Q3关断后，U1B4脚由于C3放电，仍将维持高电平，并且缓慢下降。其中R15的作用是限制Q3导通时C3的充电电流，防止烧坏Q3。主要的放电回路由R16完成。当电压降至U1B-5以下时，U1B2脚电位翻转输出高电平，控制Q1导通，电路恢复。该电路的恢复时间由C3和R16决定。通过增大C3或R16的值可以延长恢复时间，反之则可以缩短恢复时间。

2.4 缓起动电路

缓起动电路由Q2、C2、R11构成。保护过程Q2导通。UIN通过Q2、R10向C2充电。保护解除后，Q2关断。此时C2两端电压近似于UIN，Q1的门极与源极间电压UGS近似为0，不满足导通条件，仍为关断状态。但随着C2通过R11放电，Q1的UGS逐渐增大，导通能力逐步增强，直至完全导通，电路恢复工作[11]。可通过改变C2、R11的参数调整缓起动坡度。但为了防止Q1工作在非饱和区时间过长而烧坏芯片，不建议将缓起动坡度调整的过缓，满足需要即可。

3 结语

设计了一种容量及保护时间可调并且带缓起动及自恢复功能的截流型本安电源，并对各个功能模块原理进行了分析。采用截流型的保护方式，可以满足大功率负载的带载要求。通过对检流电阻参数的调整可以改变本安电源容量。结合对保护时间的调整，可在电源容量及保护时间之间找到结合点，既能满足带载需求，又能增加抗冲击能力。电路具有自恢复功能，解决了截流型电源保护后不能自动恢复的问题，并且恢复时间可调。电路具有缓起动功能，实现了在保护解除后电源缓慢输出，解决了负载起动时冲击电流过大导致电源误动作的问题。试验证明，本安电源的设计并不是容量越大越好，而是要在满足安全的前提下，尽量提高输出的稳定性。设计的基于容量及保护时间可调的矿用本安电源已经配接人员定位分站应用到煤矿井下，供电稳定，性能可靠；完全满足矿用产品对本安电源的供电要求。