本安电源降低火花能量的几个措施_董建国.pdf

Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 本安电源降低火花能量的几个措施 董建国， 李艳民， 周兴东， 张磊 （天津中煤电子信息工程有限公司， 天津 300457） 摘要 为了降低本安电源火花能量， 提出了几项降低火花能量的措施。当发生过流保护时， 可 以将 DC-DC 或 AC-DC 模块尽快关掉， 并且在主回路过流保护的设计中应避免开关管工作在深 度饱和状态， 以及将主回路开关管的控制电路设计成以导通代替关断， 另外， 还可以对电路板合 理布线来改善火花能量。 关键词 本安电路； 本安电源； 火花能量； 过流保护； 放电时间 中图分类号 TD685文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 03-0097-03 Several s of Reducing Discharge Energy for Intrinsic Safety Power Supply DONG Jianguo, LI Yanmin, ZHOU Xingdong, ZHANG Lei （China Coal Electronic intrinsic safety power supply; discharge spark energy; over-current protection; discharge time 在煤矿井下使用本质安全类用电设备的数量是 最多的，因此，为本安型用电设备供电的本安型电 源的安全要求也是非常严格的。而本安型电源的设 计以及本安电源的输出参数往往会成为煤矿电气设 备生产厂家重点关注的内容。国内外对提高本安电 源输出参数进行了大量研究工作，推动了本安电源 技术的进步[1-5]。本安电源火花能量的问题很大程度 上能影响本安电源的输出参数。本安电源的输出参 数通常包括输出电压 U0、 输出电流 I0、 输出电容 C0、 输出电感 L0以及过流保护值、 过压保护值等。 1本安电源输出参数的提高 电火花是本安电源研发过程中的重点关注对象 之一。 电火花的引燃特性取决于电路的电气能量,当 电路闭合或切断时,以火花形式释放能量。 本安科学 理论研究的目的, 就是要控制电路产生的电火花能 量[6],使火花能量处在爆炸性混合物或易燃易爆气体 的最小点燃能量之下，使之成为安全火花，从爆炸 发生的根本原因上解决防爆。本质安全电路主要从 以下 2 个方面保证本质安全 一是限制电路的能量； 二是控制电流产生的热效应[7]。本安型电源中的过 流保护或过压保护的功能之一就是限制本安输出电 流或电压的大小，从而能限制本安电路的能量和热 效应。 如果对电源的本安输出参数有很高的要求时， 也可以通过适当地减少保护动作时间即减少放电时 间的方式来降低火花点燃能量，从而变相地提高电 源的本安输出参数。原理就是通过提高保护动作速 率， 在正常的放电时间周期内， 提前完成 1 次放电过 程， 火花区放电能量示意图如图 1。 从图 1 中可以看出， 放电能量代表图形的面积， 如果保护动作时间△t＜△T，或者调节控制的足够 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.020 董建国， 李艳民， 周兴东， 等.本安电源降低火花能量的几个措施 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3） 97-99. DONG Jianguo, LI Yanmin, ZHOU Xingdong, et al. Several s of Reducing Discharge Energy for In- trinsic Safety Power Supply ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 97-99.移动扫码阅读 97 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 图 1火花区放电能量示意图 Fig.1Energy of discharge spark diagram 图 2本安电源示意图 Fig.2Intrinsic safety power supply diagram 是一个升压模块， 将 Uin的电压升压到 Ux， Ux的电压 值应大于 Uin。 Q1、 Q2为 2 个用于过流保护的开关管。 R3和 R4为 Q1提供偏置电压， R5和 R6为 Q2提供偏 置电压。 R0是 GND 和 OV 之间的电阻。 Q3、 Q4为控 制 Q1和 Q2的开关管。U1输出的电压是 Uin和 GND， 本安电源的输出电压是 U0和 0 V 间的电压差。R1 和 R2是 2 个过流采样电阻， U3、 U4是与 R1、 R2对应 的过流采样电路, 当通过 R1和 R2上的电流上升到 设定的过流保护值时， R1上的电压会使 U3输出过 流保护信号 CtrlA， 从而 Q3导通， Q1的栅极或基极电 压降低， 导致 Q1关断； 同理，R2上的电压也会使 U4 输出过流保护信号 CtrlB， 从而 Q4导通， Q2的栅极或 基极电压降低， 导致 Q2关断。 为了使过流保护的动作速率更快， 通常 Q1、 Q2、 Q3、 Q4都应当选用高速的开关管。另外， 通过试验测 试， 设计过流保护电路时， 若能有选择地采用以下的 措施， 也可以部分地改善过流保护的火花能量。 1） 过流保护时关掉 DC-DC 或 AC-DC 模块。若 发生过流保护时，控制电路能快速地将 DC-DC 或 AC-DC 模块关掉，会一定程度使火花能量降下来。 其中火花能量下降的程度与 DC-DC 或 AC-DC 模 块关断速率有关。如果关断速率比图 2 中过流开关 管 Q1或 Q2还慢，该措施就基本失去改善火花能量 的效果了。若采用市场上通用的 DC-DC 或 AC-DC 模块， 控制速率一般比较慢， 而且为了隔离， 有可能 需要采用光耦来关断 DC-DC 或 AC-DC 模块， 使控 制速率不容易满足过流保护的要求。但是，如果自 行设计 DC-DC 或 AC-DC 模块， 就可以采用该措施 短，那么，放电能量就可以按要求降低。换一句话 说， 通过减小过压或过流保护动作时间 （放电时间） 确实可以提高本安输出电源的输出电压和电流[8]。 在实际测试中，通常会选择关断速度很快的三 极管或场效应管作为过流保护的开关管，能在一定 程度上使本安电路的过流保护动作时间缩短，本安 电路输出端放电的火花能量会降低，从而提高本安 电源的输出参数， 例如提高输出电流或输出电压值。 但是， 设计本安电源过程中， 仅仅选择快速的开关管 来缩短过流保护动作时间，只能在一定程度上提高 本安电源的输出参数。如果输出参数要求较高， 还 需要采取一些其它的辅助措施，组合起来综合提高 过流保护动作速率， 减少过流保护放电时间。 2降低火花能量的几个措施 本安电源示意图如图 2， 图 2 是一个只包括了 2 路过流保护的本安电源的示意图, 为了便于阐述清 楚， 假定图中的开关管都为 N 沟道场效应管或 NPN 的三极管。 如图 2， U1是一个 DC-DC 或 AC-DC 模块, U2 98 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 提升过流保护效果。 2） 主回路过流保护的开关管避免工作在深度饱 和状态。也就是说要避免将过流保护的开关管设置 在深度饱和区。若过流保护的开关管是场效应管， 假设场效应管的开启电压 UGSth等于 4.0 V， 可将场 效应管控制极电压设置在 5～6 V 之间。假设场效应 管的栅极电压 UGS9 V， 这时场效应管的 UDS压降会 比较低， 但在发生过流保护时， 栅极电压 UGS从 9 V 到 4 V 需要一定的时间， 从而导致场效应管的关断 速率可能不理想。若主回路过流保护的开关管是 NPN 三极管， 三极管饱和导通时， Ub＞Uc且 Ub＞Ue。 若 基极电流 Ib值比较大， 发生过流保护时， 将 Ib降低 到使开关管关断所需要的时间会比 Ib小的情况长 一些，导致发生过流保护时关断时间变长。例如在 图 2 中， 应避免 Q3、 Q4的漏源电流 IDS值比较大的情 况，可以通过增大电阻 R3、 R5的限流作用使 Q3、 Q4 关断的电流降低到一定程度。 但是 Q1、 Q3、 Q4关断的 电流非常小时，过流保护可能会变得很灵敏，在有 电磁干扰的情况下， Q1或 Q2有可能在没有过流情 况下出现关断的情况，以致脉冲群、浪涌等不容易 通过。所以参数的选择最好通过实验验证来确定。 3） 主回路开关管的控制电路进行过流保护时以 导通代替关断。如果查阅各种场效应管、三极管的 参数，可能会发现这样的现象当场效应管或三极 管用作开关管时， 有很多管子的 tdon（Turn-On Delay Time）是小于 tdoff（Turn-Off Delay Time）的， 而且不 少管子的 tr（Rise Time） 也小于 tf（Fall Time） 。 所以在 设计过流保护的控制电路时， 如果选择 tdon＜tdoff且 tr＜tf的开关管，并且把主回路开关管的控制管设计 成以导通代替关断，如图 2，当出现过流保护信号 后， Q3、 Q4导通，使 Q1或 Q2的偏置电压降低，导致 Q1或 Q2关断。因为所选的控制管导通时间比关断 时间短，以导通代替关断可以缩短过流保护动作时 间， 从而改善过流保护的火花能量。 4） 通过对电路板合理布线来改善火花的能量。 如果电路板 PCB 的布线合理， 也能一定程度改善火 花能量。可参照高速 PCB 设计要求， 并兼顾抗电磁 干扰抑制方法， 对电路板的布局、 布线进行设计。例 如， 数字地和模拟地要分开， 二者可通过 0 Ω 电阻 相连[9]； 数字地可构成闭环并且可采用网状结构； 尽 量加宽电源线和地线的宽度，并且电源线和地线尽 量直、 短， 电源线和地线之间加去耦电容等。地线可 使用大面积覆铜，但是，如果本安电源需要通过电 磁干扰测试时，应该考虑这样的情况对传导干扰 信号， 如果地线不带扼流圈， 则高频共模干扰信号会 从地线中无遮拦地进入受试设备内部；地线阻抗越 小， 进入就越容易[10]。因此， 本安输出端附近的地线 是否适合大面积覆铜，可能需要根据电路设计情况 进行实验验证。 3结语 提升保护动作速率， 减少保护放电时间， 能在一 定程度上使本安电路输出端放电的火花能量降低， 从而提高本安电源的输出参数。为提升过流保护动 作速率， 不仅需要快速的元器件， 还需要相关电路的 辅助。论述了改善过流保护火花能量的辅助措施。 参考文献 ［1］ 陈向东.矿用本质安全电源 ［J］ .煤炭科学技术， 1997， 25 （6） 35-38. ［2］ 王文清.提高矿用本安电源带载能力的研究与实践 ［J］ .煤炭工程， 2008 （11） 104-106. ［3］ 林引.矿用高可靠性本安型传感器电源电路设计与实 现 ［J］ .煤炭科学技术， 2013， 41 （6 ） 88-91. ［4］ 周雪峰.一种新型矿用本安电源保护电路的设计 ［J］ . 工矿自动化， 2013， 39 （7） 101-103. ［5］ 周亚夫， 许辰雨.矿用本安电源保护电路的优化设计 ［J］ .中国煤炭， 2015， 41 （1） 70-72. ［6］ 张刚.较大电感或较大电容电路的本安保护设计 ［J］ . 电气防爆， 1999 （3） 20-23. ［7］ 赵云伟， 单根立， 商国娟.隔爆兼本安型无线控制系统 的设计 ［J］ .电气开关， 2006 （6） 20-21. ［8］ 柳玉磊， 刘亚辉， 寻增霞， 等.浅谈如何设计矿用本安 输出电源 ［J］ .煤矿安全， 2010， 41 （1） 81-83. ［9］ 广州金升阳科技有限公司.电路设计中电阻的选择及 其作用［EB/OL］ . （2015-07-23 ） ［2019-5-28］ .Https // ［10］ 陈世钢.电快速瞬变脉冲群的抑制 ［J］ .安全与电磁兼 容， 1997 （4） 7-13. 作者简介 董建国 （1974） ， 内蒙古包头人， 硕士， 2009 年毕业于南开大学，主要从事煤矿安全仪器仪表方面的产 品研发设计工作。 （收稿日期 2019-05-31； 责任编辑 李力欣） 99 ChaoXing