浅析煤矿井下便携式电子设备设计要点

高 芬，齐杰龙

（郑州光力科技股份有限公司，河南郑州，450001）

浅析煤矿井下便携式电子设备设计要点

高 芬，齐杰龙

（郑州光力科技股份有限公司，河南郑州，450001）

随着我国工业水平的发展，煤矿是我国主要能源需求量也在逐年上升，因此煤矿产业对于各类便携电子产品的需求量也在增多，这类电子产品的唯一充电源为于便携式电源，所以，这类便携式电源的设计应该要考虑多方面的因素，比如怎样才能减少电子产品充电时间，提高电源的利用，怎样利用最新的技术将电源的体积缩得更小，使其更加便于携带等。本文主要针对煤矿产业中，便携式电子电源的设计的主要的技术要点进行探究，以便使该电源在矿井中应用更广。

煤矿；便携式；设计要点；电源设计

1 电源设计要点

1.1电池的选择

便携式电源使用的主要材料分为2种，一种为锂电池，另一种为镍氢电池，这两种电池在实际运用中各有各的优势，其主要特征如下所示：（1）两种电池单体电压不一样，前者为3.2V或者是3.7V，而后者只有1.2V；（2）两种电池之中只有镍氢电池拥有记忆效应。（3）在体积、面积相等的状态下，锂电池所含电容量要比镍氢电池更高。由于矿井下通道比较狭窄，所以自放电率抵、体积小、电量充足的锂电池做便携式电子设备的电源更为合适。

1.2安全栅保护方式

作为矿井电源，在设计阶段首先就应该考虑到本质安全电路，它指电路在正常运转条件下以及一般定义上的故障中，出现的所有电火花以及任意热辐射都不能引燃矿井环境中的易燃气体。一般来说，本质安全电路的过流保护方式主要有两种，分别为限流式以及截止式。其中，限流式保护是指当电路中的电流一旦到了限流植，保护电路将会马上进入到恒流的状态，将电流控制在限定值以下，这种方法的优势在于能够做到全载启动，但是一旦发生这种情况开关管的损耗很大。这一种保护方式为截止式，这类保护的实质其实就是触发式保护，当产生过流的情况时，采样电阻或者是比较器将能迅速反应，第一时间断开开关管，从而做到保护电路。这种方法虽然产生的电火花极小并且容易通过矿井电火花测试，但是这种保护方式反应灵敏度过强，不怎么能抗干扰，并且负载的干扰也很可能使相关设备重启。

目前，已经有一种较为理想的过流保护方式，即安全栅保护，这种保护方式集合限流式和截流式的优势，一旦电路中的负载发生短路的情况，保护电路首先将会限制电流然后再介质，如果电流逐渐增大至限流值时，安全栅保护首先先启动限流式保护，但是如果只是瞬时的干扰，安全栅就不会去截止电流，当然，当干扰频率频繁时，过流时间较长，就会启动截止式保护方式。使用这种方式可以有效的保护电路安全同时使抗干扰能力也能得到显著提升。就会方式是负载短路时先限流后截止，电流增大到保护值时，安全栅先进入限流式保护方式，如果是瞬间干扰（如电压尖峰等），安全栅不会截止，如果过流情况持续超过一定时间，则会进入截止式保护方式。这种方式既能满足本质安全性能要求，与截止式保护方式相比又显著提高了抗干扰能力。

2 电池升压电路优化设计

一般来讲，矿井下使用的便携类电子设备，比如矿井地质仪，探伤仪等的电源都是5V电源，电池电压需要经过升压才能达到5V，即要用到Boost变换器。本文以TPS61070应用电路为例进行分析。TPS61070具有过热保护和省电模式。在低负载电流的情况下，如果储能电感上的电流变成了0，T PS61070就会自动调整为省电模式，在这时，想要变换器正常运转，除非输出的电压值小于预先的设计值，进过若干开关周期后，如果输出电压大于预先设定值，变换器又会调整为省电模式。

便携式电子设备长时间运行，电源不稳定，T P S 61070易损坏，损坏之后TPS61070呈现电源和地之间短路的状态。因为电源布局问题以及一些其他电子元器件的影响，调试过程中，开关变换器和电感连接的地方出现了高频振荡。一般情况下，电路中伴随出现的寄生电感以及寄生电容会出现互感反应，致使节点处产生高频振荡。Boost变换器电路的MOS管集成在TPS61070内部，所以会出现TPS 61070损坏之后电源和地短路的现象。处于这个原因，电路设计时应该运用多种方法以做到振铃的最小化，从而保护MOS管。

首先整流二极管D1的寄生电容要小，由于D1亦集成在T PS61070内部，TPS61070应用电路不需要调整；其次需要优化电路板走线使回路中寄生电感最小化。例如，减小MOS管与储能电感L1之间的距离可以使寄生电感LPAR 2和LPAR3变小，缩短TPS61070与电源接地点之间的距离可以使寄生电感LPAR1变小，将输出电容Cout尽可能靠近D1的阴极，能够让使寄生电感LPAR4以及LP AR5最小化。另外，在电源输出和地之间放置高频旁路电容C out－BYP也能最小化开关节点处的振铃幅值。如果振铃幅值还是会超过MOS管的承受范围，可以设计一个RC缓冲电路来消除开关闭合时寄生电感所产生的电压毛刺。HYPERLINK“javascript:;” 当开关闭合时，RC缓冲电路为流经寄生电感的电流提供一条接地通道，从而抑制电压瞬间变化并降低了MO S管的应力。

3 结语

本文首先研究便携式电子设备电源设计的主要内容，指出集合两种限流优势的安全栅设计能够安全保护电路同时还能有效的提升电源的抗干扰能力，优化Boost变换器的关键环路可有效减小电源纹波，设备也能更稳定可靠工作。尽管电源性能通常不是在设计矿井用便携式电子设备所需要的中重要的因素，但是优质的电源性能还是能对未加缓冲的RC缓冲电路有着积极的影响，加了RC缓冲电路Boost变换器开关节点上的振铃波形设备的质量。

[1]杨万庆,赵丙庆,田锦钊,等.矿井用电设备能源管理系统设计[J].工矿自动化,2015,41（10）:73-76.

[2]李雪仁,瞿巍.基丁ZigBee的矿井生命安全监控系统设计[J].电子质量,2013（6）:37-39.

[3]邢晓东.一种基于51单片机的矿井主扇风机自动监控系统的设计[J].中国电子商务,2011（3）:99-100.

[4]王珊珊,宋亮.矿井下通讯控制系统的人机接口模块的设计[J].电子设计工程,2011,19（4）:186-189.

Analysis on the design of portable electronic equipment in coal mine

Gao Fen，Qi Jielong
（Zhengzhou power Polytron Technologies Inc.,Henan Zhengzhou Henan, 450001）

with the development of our country’s industrial level, coal is the main energy demand in China is increasing year by year, so the coal industry for all kinds of portable electronic products demand is also increasing, the only source of this kind of charging electronic products for portable power supply, so the design of this kind of portable power supply should be considered many factors, such as how to reduce the charging time of electronic products, improve power utilization, how to use the latest technology to power the volume shrinkage smaller, making it more convenient to carry. In this paper, the main technical points of the design of portable electronic power supply in the coal mine industry are studied in order to make the power supply more widely used in the mine.

coal mine; portable; design key points; power supply design