0 引言

　　随着科学技术的发展，煤矿井下作业环境中使用自动化设备的程度越来越高，各种检测仪表大量涌现，致使本安电源在矿井中的使用越来越频繁,同时对其参数要求和使用要求也越来越高。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。通常情况下，煤矿井下存在瓦斯等爆炸性气体，各种仪表都要求本安设计，但是在供电过程中，也需要本安电源来供电，以达到安全要求。这就要求本安电源在设计过程中一定要考虑到电路中电压、电流以及功率等情况，某些特殊应用还需要考虑到保护的速度等情况，作好充分的保护工作，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况，造成不必要的人员和财产损失[5]。

本质安全型电源即本安电源,由于它通常有一个隔爆外壳，所以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。主要有：(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)输出保护必须采用双重保护机制[3]；(4)有后备电源的要求采用安全系数高的环保型镍氢或磷酸铁锂电池,并同时满足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]。上述这些要求同时也给设计本安电源提供了努力的方向。

1 系统原理

　　本文中介绍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使用要求，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，本设计采用了24 V/5 Ah磷酸铁锂电池。系统工作原理框图如1所示。

　　其工作原理为：井下高压电源通过变压器降压，低压交流电经过交直流变换稳压后，经过一级过压过流保护，再经过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，经过直流稳压电路，然后再经过一、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，完全满足安全监控系统的要求。

2 方案设计

　　2.1 变压器及交直流变换

　　变压器是一个比较重要的环节，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。应当选用隔离耐压较高，漏磁小，噪声小的R型变压器。由于井下一般的照明电是127 V，动力电为380 V、660 V、1 140 V几种，为了满足不同的电压输入通常采用多头输入的变压器，这样使用性更强。在变压器输出后再通过整流桥滤波电路输出32 V左右的电压。具体电路如图2所示。

2.2 直流稳压电路

　　经过整流变换的电源信号纹波较大，还必须进行稳压和滤波处理，获得较为理想的直流信号，并将其做为整个系统的输入直流电源。本设计采用国产的大功率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。同样满足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措施是先调整好合适的电压电流阈值，通过采样电阻采样，然后将信号送给比较器，进行正常的保护功能。这个方法在生产调试时操作复杂，有时电位器发生偏移也容易导致阈值发生偏移，存在诸多隐患。

　　本设计采用先进的浪涌抑制器芯片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，工作电压范围可到4 V~80 V，在不对自身和负载造成损坏的前提下提供-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。下面详细介绍电路的设计情况[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两端的压降控制LT4356的GATE端以实现过流保护功能。采样电阻两端VCC和SNS端的压降和内部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端最低还能够工作在-60 V，SNS端和VCC端的压降不能超过30 V。本文介绍的电源是18 V/1 A的电流，故可以计算出[1]：

　　RSNS=50 mV/1 A=50 mΩ

　　2.3.2 过压保护设计

　　LT4356的一个重要作用就是浪涌抑制，它内部可以设置一个箝位电压，当电压超过箝位电压时，LT4356起作用，保证输出电压在箝位电压以下。本文就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端的反馈电压和内部的1.25 V基准电压比较来控制芯片GATE的输出，GATE端和外部的MOS管的栅极连接来控制电压的输出。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端控制MOSFET继续保持导通，直到时间超过故障设定的时间，GATE端控制MOSFET关断，进入保护状态[6]。计算R1、R2的值使用如下方法：

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

　　考虑到故障时经过R2的电流一般控制在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，计算出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，根据使用电池的情况，可以合理地设置欠压条件。如果不使用可以悬空。

　　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，而是还要工作较长一段时间，此时间一般称为故障时间，因此对MOSFET的性能提出了较高要求。对MOSFET重点考核的参数有导通电阻RDS(ON)，最大漏源电压VDSS和安全工作区SOA曲线等。根据上述的特点，本文选择IRF2805做为开关控制功率器件。其源漏电压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计算：

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

　　而本设计选用的IRF2805完全满足电路的设计要求。

　　2.3.4 故障时间设置

　　故障时间实际上是本安电路保护时的反应时间。本安电路的故障时间能够通过LT4356芯片上的一个TMR端的电容(CTMR)来调节。在故障时间内电路箝位工作在给定的电压和电流值范围内，当超过故障时间时，MOSFET关断以保护后级电路不被损坏。电容CTMR同样也控制着电路恢复时间，经过一段恢复时间后，LT4356会自动重启。适当地调整电路故障时间来设置保护电路的保护反应速度，这也是提高电路安全性能的一个重要方法。根据LT4356芯片数据手册，故障时间的计算为：

　　T=CTMR×100 mV/5 A

　　如果取CTMR=1 F，则故障时间大约为2 ms。

3 实验分析

　　本安电源设计除了结构上的要求外，电气的要求就是过压过流保护速度和恢复时间的问题了。本文设计的本安电源经过国家煤矿防爆安全产品质量监督检验中心试验，主要实验数据如表1所示。

　　本表格中的数据表明，本电源设计电气参数符合要求，在实际工作过程中，其电路具体保护速度为：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，电路自动恢复功能；对于负载电流，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，电路自动恢复功能。经过火花实验，其任一选择的正常和故障状态下的短路、通断实验均未出现点燃现象，其最终本安参数分别为UO=18 V、I0=1.05 A、CO=0.1 ?滋F、LO=0.1 mH，完全满足设计目标要求。

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，可以自动恢复，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检验，在使用过程中表现良好。但是由于存在过压过流和快速保护功能，因此对于某些上电后有冲击电流的负载，可能造成不能正常工作，还需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，降低电路中的瞬间电流，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] 中华人民共和国国家标准.GB3836.1-2010.爆炸性环境 第1部分 设备通用要求[S].北京：中国标准出版社，2011.

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

　　[4] 中华人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].煤矿机械，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].电子技术应用，2011(11).