影响本安电源可靠性的因素及解决方法_王小波.pdf

第41卷第4期 2013年8月 煤田地质与勘探Vol. 41 No.4 Aug. 2013 COALGEOLC阳Y low dropout regulator; maximum output current 在煤矿地质保障领域，矿用本安型仪器的生产企 业需按照安全标志国家中心的要求，提供产品图纸、 受控元器件表、标准、使用说明书等技术文件，并进 行防爆检验。在检验取得安标证后，产品生产按照批 准文件进行，有关本安性能的电路、受控零部件不得 随意变更。 本安电路是指任何电火花或任何热效应均不能 点燃规定的爆炸性气体环境的电路［I）。取得安标的产 品，由于设计或防爆检验时本安参数测量的不合理， 会出现以下两种情况一是能量限制过低，按照产品 标准要求进行检验，确定的电源本安参数不能满足产 品电气性能需要；二是生产企业按照产品标准确定的 本安参数检验，由于本安参数确定的较小，产品一次 出厂合理率较低，产品生产不能正常进行。为此，从 防爆原理、安全标志认证要求人手，对本安电路在防 爆检验和生产检验过程中可能出现的问题进行了分 析，给出了本质安全型电路在设计、防爆检验、生产 收稿日期2012-11-27 中的注意事项。 1 影晌本安电路可靠性的原因分析 第一种情况是产品设计问题。为了通过防爆检 验，将最大电流限制的太小，仅送检样品通过了防爆 试验，而由于电子元器件功耗的离散性，在产品生产 时，有可能出现产品不能正常工作［2）。 第二种情况是矿用本质安全型仪器在进行本安 防爆试验时，防爆检验人员按照GB3836.4-201爆 炸性环境的要求对电源电路的本安参数最高输出电 压和最大输出电流进行试验。为了保证有效的试验火 花数量，防爆检验人员以火花试验中的稳定值（较低 值）作为电路的最大输出电流，在规定的火花数量后 不点燃，则确定该值为本去参数值。电源器件在大电 流工作一段时间后，由于器件的结温度升高，当结温 大于90℃时，最大输出电流就会降低。如果试验的 电源电路器件选择欠妥，就会出现该本安参数低于市 作者简介王小搜（1978一），男，陕西咸阳人，工程师，从事物探仪器开发与研究． ChaoXing 第4期王小波影响本安电源可靠性的因素及解决方法 79 场购买的大多数器件在结温90℃以下的短路电流。 2 本质安全型电路的组成与分类 本质安全型电路的设计过程就是限制电流能量 和设置保护措施的过程（3-4］。保护方式的好坏直接决 定电源容量以及带载能力的大小［匀。ib类本安电路由 两级以上的保护电路组成（图I）。 用 图1本安电路组成 Fig. 1 The composition of the intrinsically safe circuit 保护电路有限流和限压功能，其中限流保护电路 方式有限流型、截流型、减流型和开关型（6-7］。限流 型是当输出端过载时，输出电流限制在一定范围内； 截流型是当输出端过载时，电路保护，输出电流迅速 减小截止；减流型是当输出端过载时，输出电流迅速 减小到较小值；开关型既具有限流型的自动复位特 性，又具有截流型的低功率损耗特性［8］。保护方式特 点如表1。 表1限能保护电路对比 Table 1 Limit protec“on circuit contrast 通断抗电流 保护方式电流值自恢复可靠性 速度冲击 限流型慢大具备好高 截流型快小不具备差较差 减流型中等中等/ 较差适中 对于大电流的保护电路来说，开关电路由于其速 度较慢，使得设计电路难以通过火花试验；采用高速开 关电路，控制电路复杂，使得电路的可靠性降低。 接近防爆功率极限的大电流本安电源设计，大多 使用到线性低压差稳压器。根据电路设计要求，选用 稳压器的最大输出电流来实现限流的作用；稳压器的 最高输出电压来实现限压作用。采用两级这样的保护可 实现两级限压和限流的功能。这种电路有一定的抗负载 电流冲击能力，且电源在排除故障后能自恢复［”。这种 电路设计简单、可靠性高被广泛采用。 3 问题及解决方法 3.1 设计电源注意的问题 电源的作用是驱动所连接的负载，其负载电流的 大小是电源设计的主要参数。负载电流有工作电流和 启动电流，电源仅满足工作电流是不行的，一定要满 足启动电流。启动电流一般不好测量，但可依据电路 中的电容、电感等元件进行估算。 3.2 离散性 以低压差稳压器组成的大电流本安电源为例，由 于稳压器的生产厂家、生产工艺和生产批次的不同， 使得稳压器的极限电流会有一定程度的不同，此称之 为稳压器的离散性。从稳压器数据表10］中可以看出， 当输出电压凡为0时，芯片的最大输出电流离散范 围在lA以上。在电路取证过程中选择输出能力较大 的稳压器。 3.3 极限电流温漂特性 极限电流会随温度发生变化。低压差稳压器最大 输出电流起始时，稳压器的温度在90℃以下，最大输 出电流数值i1达到使用中的最大值；随着稳压器结温 逐步升高，最大输出电流有一定幅度的降低，当结温 升至一定温度后，散失掉的热量与下降的短路电流产 生的热量相等时，电流会稳固在一定值i2（图2）。由于 元件固有电气特性和安标规定要求，对于采用低压差 稳压器的本安电路，要对器件按照上述分析进行差异 性筛选。在电路取证过程中采取降低结温的办法来提 高电路的输出能力。 f气气i 」＜1.5「 幅i 90 126 温度／℃ 图2MIC29152/29150最大输出电流与温度关系 Fig. 2 MIC29152/29150 max output current vs. temperature 3.4 电路压差分配 电路的各级电压合理分配是电源电路可靠性设 计的内容。平均分配压差，使其各级的耗散功率相等。 图3所示的电路是本安电路设计中，直流－直流变 换器起隔离作用，同时或也具有限压、限流的作用。变 换器的输出电压为6.5V。为了使两级稳压器的输出电 流达到最理想的工作状态，第一级保护阳C29152的电 压输出值是由调整端电阻矶和R2按照式（1）计算确定， 设计将第一级的输出电压调整为5.8V左右；阳C29150 作为第二级保护，输出电压值为5V。 元＝儿｜旦旦－11 必l 1.240 J 、‘，，， - Ea -- ，，．‘、 3.5 最大输出能力 电路在火花试验前，应通过设置不同的短路故障 对电源输出测量。 稳压器MIC29152/0极限输出电流范围为 V0urQV2.l-3.5 A1101。稳压器输入电压UoFF低于0.8V ChaoXing 80 煤田地质与勘探第41卷 图3线性稳压器组成的本质安全型电路 Fig. 3 Intrinsically safe circuits composed of a line缸regulator 时输出关断，输入电压高于2.4V时输出打开。在不 设故障情况下，U2输入端电压最小不低于U2大电 流输出时的压降和最小输人值之和为1.5V; Ul的输 入端最小不低于2.1V。也就是说，当直流变换器输 出低于2.1V时，本安电路输出关断，直流变换器功 率SW，计算本安电路的最大输出电流不高于2.381 A，见式（2）。 Io盯＝p ＝三＝2.381 2 U OFFI U dropoutl U的pout22.1 3.6 散热特性 散热是影响输出能力的重要因素。电路板设计 时，要考虑使用适当的散热器或使用PCB板覆铜面进 行散热，可有效遏制稳压器的温度上升速度（图4）。在 防爆试验中，本安参数测量的数值会较大。在生产时， 在满足供电电压、电流需求基础上，选用极限电流中 等值的器件，即可使本质安全型电源的一次性出厂合 格率符合要求。 150 m m nF气倒黑 O I 2 3 4 5 时间Is 图4MIC29152/0输出电流能力比对曲线 Fig. 4 Comparison curve of 4 MIC29152/0 output current capability 除上述5点主要因素外，本质安全型电路在认证 和生产中，还有以下几点会影响到电源的使用可靠性 a.电压差低压差稳压器正常使用时，输入输出 之间的压降范围一般为0.35～1Vl-3 A输出）。压差太 大，器件的耗散功率就越大，最大输出电流值会偏小。 压差小于上述范围时，则使得输出电压偏低，可能导致 电源不能正常工作。在使用此类电路时，应重点考虑电 路的输入电压范围，推荐电路前端的隔离电路具备稳压 功能，以保证稳压器的压降在有效允许范围内。 b.额定也压值以图3中5V电路为例，正常 的sv电压在安标防爆取证过程中，根据参数实际测 量情况建议给出5～10的余量范围。对于连接器环 节多或线路较长的电源，会不同程度的存在接触电阻 使输出电压降低而出现设备工作不正常的问题［11）。建 议在取证时，结合配接设备的实际情况，将本安电源 的输出电压尽量考虑到调高电源的正浮动甚至更高， 以保证达到用电电路的电压输入范围。 c.散热器散热器设计简单，但容易被设计人 员忽视。在防爆取证中选用的散热器散热效率应比生 产中的散热器散热效率高。 d.波动范围电路设计时，按防爆规定考虑元 件容差，且考虑电源供电电压应有100～110的电 压变化量。 4结论 低压差线性稳压器由于电路简单、可靠性高而得 到迅速发展，但在设计和防爆检验时易出现问题。按 照文中提出的方法，可有效解决由低压差稳压器组成 的电源在取证检验和生产过程中的问题，提高本安电 源的带载能力和电源的可靠性。 参考文献 1）中国国家标准化管理委员会.GB/3836.4-2010爆炸性环境第 四部分由本质安全型“i”保护的设备［S）.北京中国标准出版 革士，2010. 2）薛琴．双轴倾角传感器在钻孔测斜仪中测量算法的校正［月．煤 回地质与勘探，2007,35（句70-73. [3］李者，王东，李仲强，等．煤矿本安系统认证关键技术［月．煤 矿安全，2011,4212 45-47. [4］张仲礼．岩体通信技术研究中应注意的几个问题［巧．煤田地质 与勘探，2011,394 67-68 [5］刘玉磊，刘亚辉，寻增蟹，等浅谈如何设计矿用本安电源输 出电源［月煤矿安全，2010,411 81-83. [6］陈向东．矿用本质安全电源［J）.煤炭科学技术，1997, 256 35-38. 7）朱前伟．矿用本质安全型电源的基本要求和设计方法［J］.工矿 自动化，2012,256 22-25. [8］王磊，振壁一种新型的本安电源问工矿自动化，20082 82-84. [9）王小波．无线传感网络在矿井物探仪器中的应用［月．煤田地质 与勘探，2012,405 75-77‘ 10 MICREL SEMICONDUCTOR. MIC29152BT - High-Current Low-Dropout Regulators [G/OL]. America California Micrel Semiconductor, 2000. . [11）郑万波，吴燕清，何昭友，等基于EDSL的防爆地质超前探 1则远程控制装置设计及应用［月．煤田地质与勘探，2011,395 66-68. ChaoXing