0 引言
随着煤矿管理现代化和煤矿综采工作面智能化、无人化的迅速发展，传感器、通信站、控制器等智能设备广泛应用于煤矿井下综采自动化控制系统中[1]。本质安全型(以下简称本安)电源是综采自动化控制系统的动力核心[2-3]，其性能直接影响综采自动化控制系统的可靠性和安全性[4]。目前本安电源主要存在2个方面的问题：① 由于煤矿井下空间狭小、大型机电设备多且位置相对集中、设备启停频繁等，导致井下存在严重的电磁干扰，影响电源正常工作，容易引起误动作、重启等故障[5-6]。② 综采自动化控制系统中大量本安设备投入使用，为减少本安电源的使用量，降低综采自动化控制系统运行成本，本安电源的带载能力亟待提升。对恒压型电源而言，带载能力即恒压下最大输出电流能力，而提升输出电流会增大瞬态能量，因此二者的均衡设计是提升电源带载能力的关键[7-8]。本文设计了一种高性能矿用本安电源，具有带载能力强、可靠性高的特点。
1 设计要求
根据GB 3836.4—2010《爆炸性环境 第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》相关规定，综合考虑综采自动化控制系统实际情况，本安电源设计指标需满足以下要求：① 输入电压允许波动范围为AC85～250 V；② 输出电压为DC12 V，额定电流为2 A，额定输出功率为24 W；③ 纹波峰峰值小于200 mV；④ 电源效率不低于80%；⑤ 电快速瞬变脉冲群(EFT)、电压暂降(DIP)和浪涌(冲击)(Surge)抗扰度均达到等级3(典型的工业环境)；⑥ 可通过火花试验；⑦ 瞬态能量低于260 μJ。
2 设计方案
本安电源主要由AC-DC电路、DC-DC电路和安全栅组成，如图1所示。AC-DC电路对交流电进行滤波、整流后输出直流电，直流电经过DC-DC电路稳压后降低为DC12 V/2 A，并通过安全栅实现过压、过流保护。
图1 本安电源组成
Fig.1 Composition of intrinsically safe power supply
2.1 AC-DC电路
AC-DC电路主要包括滤波和整流2个部分，如图2所示。滤波电路能有效抑制来自输入端交流电的谐波干扰，同时减小电源自身产生的电磁干扰。滤波后的交流电经整流后变为锯齿波形的直流电，并通过电解电容进一步滤波，得到稳定的直流电。
图2 AC-DC电路
Fig.2 AC-DC circuit
图2中，C1为“X”电容，L1为差模电感，C1，L1主要用来抑制差模干扰；C2，C3为“Y”电容，L2为共模电感，C2，C3，L2能有效将共模干扰减弱到最小；R1，R2为C1的泄放电阻，根据IEC 60950-1《信息技术设备 安全 第1部分：通用要求》的规定——在1 s内电压峰值需下降至37%，选用阻值均为820 kΩ的R1，R2串联；RT1为负温度系数热敏电阻，常温时为8～10 Ω，在上电瞬间能起到较好的限流作用，电源启动后该电阻下降至1～2 Ω，减少了电源损耗。
2.2 DC-DC电路
选用准谐振控制芯片L6566B来设计准谐振反激式DC-DC电路[9]，如图3所示。L6566B的引脚CS通过R3检测流过MOS管Q2的电流，并与内部基准值比较，进而控制GD引脚提供Q2的栅极电压，来控制Q2通断，将AC-DC电路产生的直流电转换为高频脉冲直流电，再通过高频变压器T1降压得到低频脉冲直流电，实现电气隔离[10-11]。DC-DC电路通过在谐振电压为零时开通Q2来实现MOS管的软开关工作，减小MOS管开通损耗，提高电源效率。二极管D2能实现自然过零关断，反向恢复电流较小，降低了电磁干扰[12]。
图3 DC-DC电路
Fig.3 DC-DC circuit
为减小高频变压器T1的发热量、体积及提升效率，选用PQ磁芯结构，采用PC40软磁铁氧体磁芯、PM9820骨架、QA-1/155漆包线作为主要材料。根据GB 3836.4—2010关于影响本安性能的可靠元件、可靠组件和可靠连接的规定，设计高频变压器T1绕组结构为2型(内外重叠绕制)，绕组之间采用铜箔进行屏蔽，上下磁芯处与骨架开口处用胶纸进行隔离，变压器绝缘等级达到F级。
2.3 安全栅
安全栅的作用是对非本安直流电进行能量限制[13-14]，具备过压、过流保护功能，保证瞬态能量不点燃混合性爆炸气体。“ib”等级的本安电源必须具备双重化保护[15-16]，因此，安全栅由2路相同的过压、过流保护电路串联组成[17]。选用浪涌抑制器LT4363IMS-2和N沟道超低内阻场效应管FDB3632来设计过压、过流保护电路，如图4所示。
图4 过压、过流保护电路
Fig.4 Overvoltage and overcurrent protection circuit
LT4363IMS-2通过控制FDB3632的开启和关断来控制电源输出，可对负载端的过流、过压和短路故障做出快速响应，功耗小且具备自恢复功能[18-19]。LT4363IMS-2的引脚OV和UV连接的电阻R8，R9，R10，R11用于设定欠压保护阈值电压UUV(式(1))和过冲保护阈值电压UOV[20](式(2))，LT4363IMS-2内部参考电压Uref为1.275 V。当DC-DC电路输出电压小于UUV或大于UOV时，控制FDB3632关断并不再进行自恢复，防止电源持续工作在不稳定供电状态下，避免在发生电压冲击时造成电源损坏。
(1)
(2)
LT4363IMS-2的反馈引脚FB连接的电压采样电阻R19和R20用于设定过压保护阈值电压，当DC-DC电路的直流输出电压超出该过压保护阈值电压，FDB3632关断，实现过压保护。R18为电流采样电阻，用于设定电源的过流保护阈值电流，将引脚SNS与OUT两端压降与LT4363IMS-2内部基准电压50 mV进行对比，当压降小于50 mV时，引脚GATE输出低电平，FDB3632关断，实现过流保护[20]。
3 安全栅参数整定与仿真
3.1 安全栅参数整定
根据LT4363IMS-2芯片手册和实际需求，对安全栅各项指标和主要器件进行参数整定。
(1) 输入保护阈值。图4中，R8=10 kΩ，R9=2 kΩ，R10=23.2 kΩ，R11=68.1 kΩ，联立式(1)、式(2)可得欠压保护阈值电压UUV≈10.98 V，过冲保护阈值电压UOV≈13.17 V。
(2) 过流保护阈值电流ILIM=2 A，则电流采样电阻
选用2个50 mΩ电阻进行并联获得。
(3) 电源额定电压为12 V，考虑到要留出一定的裕量，取R13=44.2 kΩ，R14=5.1 kΩ，则过压保护阈值电压
V=12.325 V。
(4) 引脚TMR接地电容C13=47 nF，则安全栅故障自恢复时间
3.2 安全栅仿真
通过LTspice IV软件仿真，分别得到安全栅带10 Ω负载时在正常工作、短路、过压、过流情况下的仿真波形，如图5—图8所示。
图5 正常工作时输出电压、电流仿真波形
Fig.5 Output voltage and current simulation waveforms during normal operation
图6 短路时输出电压、电流仿真波形
Fig.6 Output voltage and current simulation waveforms during short circuit
图7 过压时输出电压仿真波形
Fig.7 Output voltage simulation waveform during overvoltage
图8 过流时输出电流仿真波形
Fig.8 Output current simulation waveform during overcurrent
从图5可看出，正常工作时安全栅输出电压、电流稳定。从图6—图8可看出，在短路、过压、过流情况下，安全栅会切断输出，并经过一定时间后自动恢复。
4 电气性能测试
4.1 纹波测试
纹波测试前将本安电源输出两端并联SPEC(Standard Performance Evaluation Corporation，标准性能评估机构)规定的滤波电容(10 μF电解电容、0.1 μF陶瓷电容)，去掉示波器探头的地线夹和探头帽，接上专用的接地探针。电源输出纹波波形如图9所示，可看出纹波波形良好，纹波峰峰值约为65 mV，符合设计要求。
图9 电源输出纹波波形
Fig.9 Output ripple waveform of power supply
4.2 效率和功率因数测试
在AC85～250 V输入电压范围内，采用功率计、电子负载、数字式电压表对电源效率和功率因数进行数据采集，结果见表1。可看出该电源功率因数为0.95以上，效率大于80%，符合设计要求。
表1 电源效率和功率因数测试数据
Table 1 Test data of efficiency and power factor of power supply
4.3 运行温度测试
电源置于恒温箱(设置温度为60 ℃)运行，在AC85～250 V输入电压范围内，测试主要器件最高温度，结果见表2。可看出电源局部最高温度符合GB 3836.4—2010中规定的最高表面温度不超过150 ℃的要求。
表2 电源主要器件最高温度
Table 2 The maximum temperature of main components of power supply ℃
4.4 绝缘耐压测试
参照GB/T 15290—2012《电子设备用电源变压器和滤波扼流圈总技术条件》的试验方法进行绝缘耐压测试，分别将电压施加在开关电源(包括AC-DC电路和DC-DC电路)与安全栅、开关电源与外壳、安全栅与外壳的两端，测试数据见表3。可看出绝缘电阻不低于50 MΩ，工频耐压达到2.5 kV，漏电流不超过5 mA，满足GB/T 15290—2012相关技术要求。
表3 绝缘耐压测试数据
Table 3 Test data of insulation withstand voltage
4.5 瞬态能量测试
依据GB 3836.4—2010附录E进行瞬态能量试验，电源正负输出端短接形成冲击电流，如图10所示(通过使用输出电压率为0.1 V/A的钳式电流探头和示波器相连获得)。根据冲击电流波形可估算出瞬态能量为180 μJ，符合设计要求。
图10 短路输出冲击电流波形
Fig.10 Output impulse current waveform during short circuit
4.6 电磁抗扰度测试
依据GB/T 17626.4—2008《电磁兼容 试验和测量技术 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》、GB/T 17626.5—2008《电磁兼容 试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验》和GB/T 17626.11—2008《电磁兼容 试验和测量技术 电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度试验》，从EFT，Surge，DIP 3个方面进行电磁抗扰度测试，结果见表4—表6，可看出EFT，DIP抗扰度均达到等级4，Surge抗扰度达到等级3。
表4 EFT测试结果
Table 4 Results of EFT test
表5 Surge测试结果
Table 5 Results of surge test
4.7 火花试验
根据GB 3836.4—2010中I类测试设备的测试要求，在国家安全生产抚顺矿用设备检测检验中心对本安电源进行火花试验，测试结果未出现失爆现象，本安性能良好。
表6 DIP测试结果
Table 6 Results of DIP test
5 结语
针对煤矿井下实际情况，根据GB 3836.4—2010相关规定，设计了一种高性能矿用本安电源。该电源具有较宽的输入电压范围(AC85～250 V)，额定输出为DC12 V/2 A，纹波小，效率高，电磁抗扰性强，具有良好的本安性能。该电源在兖州煤业股份有限公司转龙湾煤矿已投入使用，满足现场应用需求。
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