一种矿用本安型设备电源电路设计

2022-09-14张一波

电子制作 2022年17期

张一波

（1.中煤科工集团常州自动化研究院，江苏常州，213015；2.天地（常州）自动化股份有限公司，江苏常州，213015）

0 引言

随着煤炭行业的规范化、标准化、科技化，越来越多的电子设备开始应用于煤矿；这也造成了矿井巷道中各种线缆的增多；受矿井空间制约，许多线缆会使用同一条电缆挂钩，这会造成一些高压动力线与本安设备电源输入电缆接触；当井下大功率设备工作时，极易产生浪涌，干扰设备正常运行；严重时会导致整个煤矿系统瘫痪[1,2]。本安设备由于自身电路中电容、电感的存在，在上电时会有较大的冲击电流，如果不对启动电流进行限制，本安设备往往无法正常启动。另外，本安电源与本安设备之间通常距离较远，并且给本安设备供电的电缆型号众多，因此线路损耗问题也会影响本安设备的稳定性[3]。针对上述问题，本文介绍了一种矿用本安型设备电源电路设计方案，该电源电路基于LED驱动芯片AL8805与BUCK芯片TPS54302设计，具有外围电路简单、集成化高、抗浪涌、软启动与限流保护等特点，能够提高本安设备的稳定性。

1 电源电路原理

电源电路整体工作原理如图1所示，限流与软启动电路用于限制电源输入电流，降低本安设备启动时刻的冲击电流[4]；抗干扰电路1与抗干扰电路2主要消除电源电路输入端与电路中的干扰信号；DC-DC转换是将输入电压转换为本安设备所需要的稳定直流电压；过压保护可防止DC-DC出现故障时，过高的电压引入设备输入侧，对设备造成损坏。由于电源电路是应用于本安设备，因此设计的电源电路也必须满足本安要求，电源电路中与本安性能相关的元件都需要依据GB3836相关要求进行安全处理。

图1 电源电路整体原理图

■ 1.1 抗干扰处理电路

抗干扰电路1如图2所示。在输入端并联瞬态电压抑制器（TVS），可保护电源电路内部元件，防止输入端出现浪涌时对电源电路造成损坏[6]；加入共模电感，可以减少辐射，降低高频共模噪音；并联的瓷介质电容能够减小输入电缆带入的干扰信号。设计的电源电路中共模电感L1选用Wurth的744228。由于本安设备的工作电压一般在9~24VDC，因此瞬态电压抑制器反向截止电压应大于24V，根据上述要求，VD1、VD2采用SMCJ26A；考虑到输入电源的本安参数，瓷介质电容C1为0.1μF。

图2 抗干扰电路1

电解电容和瓷介质电容组成了抗干扰处理电路2（见图3）；电解电容不仅能滤除高频干扰，也能作为储能元件，在本安设备重启的瞬间通过放电继续为其提供能量；瓷介质电容可对输入电压进行滤波。设计的电源电路中电解电容为47μF，瓷介质电容为0.1μF。

图3 抗干扰电路2

■ 1.2 限流与软启动电路

在设计的电源电路中加入限流保护与软启动电路，可以将本安设备的启动冲击电流限制在合理的范围内。整个电路基于AL8805设计；AL8805输入电压范围为6~36VDC，驱动电流高达1A，在上电时AL8805可以软启动方式开启，并且软启动时间可调；可以根据电流采样电阻R2来限制电路中最大输出电流。设计电路如图4所示。

图4 软启动与限流电路设计

当电源电路接通电源时，电容C2开始充电；CTRL引脚电压VCTRL低于0.5V，此时AL8805关闭输出电流，不会为后级电路供电，整个限流与软启动电路处于低电流消耗待机模式。当VCTRL电压上升至0.5V时，AL8805开始工作，VCTRL处于0.5~2.5V时，电路的输出电流会随VCTRL增大而线性增大，当VCTRL等于2.5V，输出电流达到最大值，软启动过程结束；此时的输出电流为后级电路正常工作时所需要的电流。软启动电路的启动时间控制可以根据延时电容C2的值来改变；引脚CTRL浮空时，AL8805的默认软启动时间为0.1ms；当增加软启动电容C2，延迟时间T(单位为ms)与延时电容C2（单位为nF）的关系为：

电阻R2为电流采样电阻，主要用于检测与调节电路的输出电流，与电路限制输出电流IOUT(NOM)的典型关系为:

根据R2阻值的不同，可将冲击电流限制在设定的范围内；若输入电流或负载设备工作电流超过限制范围，AL8805会使整个电源电路进入保护模式，防止电源产生误动作；电感L1应选用低直流电阻的电感，以此来获得更高的转化效率。

设计的电路中延迟电容C2为200nF，电流采样电阻R2为400mΩ，电感L1为22μH，根据公式(1)、(2)可知软启动时间为20ms；限制电流为250mA。

■ 1.3 DC-DC电源转换电路

DC-DC电源转换电路如图5所示，DC-DC电源转换芯片选用TPS54302；其固定开关频率为400kHz，具有过流、过压与热保护、输出效率高、纹波小、电压输入范宽(4.5~28VDC)、持续输出电流高达3A等优点。

图5 DC-DC转换电路

TPS54302输出电压计算公式为：

公式(3)中VREF=0.596V。

设计的电源电路中输出电压为5V，根据公式(3)，R2为100kΩ；R4为13.3kΩ。

在DC-DC电源转换电路设计时，需要注意电容，电感的值不能超出输入本安电源规定的最大输出电容值与最大输出电感值，并且过大或过小的电感与电容会对电源的纹波产生较大的影响。电路中的输出电容C4与输出电感L1的计算公式为：

公式(4)、(5)中fsw为TPS54302开关频率，VOUTripple为最大允许输出电源纹波，Iripple为电感器纹波电流，KIND为常量一般取值为0.35，VOUT为输出电压，IOUT表示输出电流，VIN(MAX)表示最大输入电压。

假设输入电压范围为9~24VDC，输出电压为5V，输出电流为900mA，电感器纹波电流为1A；根据公式(4)计算得出输出电容C4的值应不小于10.4μF；根据公式(5)计算得出输出电感L1的值应不小于31.4μH。

电路中的C5为TPS54302的前馈电容，可以改善由于输出电容C4带来相位裕度偏小的问题，提高电路的稳定性。

前馈电容C5的容值可以由公式(6)计算得出：

其中fo为交叉频率，计算公式为：

考虑到DC-DC电源转换电路环路稳定性与内部寄生参数的影响，交叉频率fo应小于40kHz；因根据公式(6)与公式(7)计算得出，选用的输出电容C4应不小于25.5μF；前馈电容C5应不小于39.8pF。

通过对DC-DC电源转换电路进行多次实物验证，在DC-DC电源转换电路中输出电感L1大小为47μH，输出电容C4大小为33μF，前馈电容C5大小为75pF的条件下，DC-DC电源转换电路输出效果较好。

■ 1.4 安全处理

1.4.1 输入端本安处理

根据GB3836中最为严格的本质安全ia保护等级要求，电路在正常工作、1个或者2个故障时，不会点燃爆炸性气体混合物，因此在电源电路输入端串联3个二极管SS34，如果其中1个或者2个二极管出现故障时候（按照短路故障），电路也可以正常工作；同时SS34也可起到防止电源反接与防止电路中电容能量向外侧扩散的作用。

为了确保在最不利的情况下电路的本安特性，需要在输入端增加快融保险丝，快融保险丝的额定熔断值应大于AL8805 设定的限流值；考虑到电源电路需长时间稳定工作，因此选额定熔断值为400mA的快融保险丝。

1.4.2 输出端过压保护

位于DC-DC输出端的过压保护电路可以采用稳压二级管或可控硅进行设计，起到输出电压过高时，防止后级本安设备电路损坏的作用[5,6]。由于稳压二极管的功率一般在5W以内，根据GB3836.4中的相关要求，如果采用稳压二极管作为输出端过压保护器件，电源电路的输入端电流IIN应满足: