矿用高可靠性本安型传感器电源电路设计与实现
DOI ：10.13199/j.cst.2013.06.94.liny.027
第41卷第6期
2013年
6月
煤炭科学技术
Coal Science and Technology
Vol. 41June
No. 62013
矿用高可靠性本安型传感器电源电路设计与实现
林
引
（中国煤炭科工集团重庆研究院，重庆400039）
要：针对本安型传感器存在抗干扰差、本安电源带载能力弱的问题，提出了基于电流模式控制的
同步BUCK 芯片AD2441的本安传感器电源电路设计和实现方案，介绍了该电源电路的抗干扰设计、摘
本安化处理、限流启动电路设计、电源电路的硬件设计以及关键部件的选型及优化，并根据已知电源电路参数对该电路本安性能进行查表判定。电源电路抗干扰性能和带载性能测试结果表明:该电源电路具有抗干扰好、效率高、纹波小的特点，其本安性能完全满足GB 3836. 2—2010要求。关键词：本安电源; 抗干扰; 带载能力; 本安型传感器; 电源设计; 本安性能中图分类号：TD605
文献标志码：A
文章编号：0253－2336（2013）06－0088－04LIN Yin
（Chongqing Research Institute ，China Coal Technology and Engineering ，Chongqing 400039，China ）
Design and Realization on Power of High Reliable Intrinsic Safe Sensor
Abstract ：According to the poor anti －interference existed in the intrinsic safe sensor and the weak loading ability problem of the intrinsic the paper provided the power circuit design and the realization plan of the AD2441intrinsic safe sensor based on current mode safe power ，
controlled synchro BUCK chip．The paper introduced the anti －interference design of the power circuit ，intrinsic safe treatment ，current hardware design of the power circuit as well as the selection and optimization of the key parts．According to limit start －up circuit design ，
the available parameters of the power circuit ，a table －look －up judgment was conducted on the intrinsic safe performances of the circuit．Relevant measurement and tests were conducted on the anti －interference performances and loading ability performances of the power cir-cuit．The measuring and test results showed that the power circuit could have the features of good anti －interference ，high efficiency and small ripple and the intrinsic safe performances could fully meet the requirements of GB 3836．4—2010．
Key words ：intrinsic power ；anti －interference ；loading ability ；intrinsic safe sensor ；power design ；intrinsic safe performances
0引言
电流，却常需要多次启动才能正常运行或在传感器热拔插时容易导致同一供电电源的其他传感器出现
复位现象；而且由于井下的特殊环境要求，本安型电此距离源与矿用传感器间要求有2km 的供电间距，的线路损耗及压降将严重影响矿用传感器运行的可
［6－7］
。针对本安电源的带载能力弱和抗干扰的靠性
8］问题，文献［提出了一种新的本安型DC /DC隔离
该方案采用特有的三级缓启动电源模块设计方案，
电路，具有开机冲击小、输入端等效电容小等特点，
但也存在成本高、效率相对较低、抗干扰性差的问9］提出了一种基于BUCK 电路的矿用本题；文献［
安型负载设备高可靠电源电路的设计方案，该方案
随着煤矿企业现代化进程的不断提高，井下大
量现代的电子设备相应增多，各种动力电缆、信号电缆、光缆等密布于巷道中。由于受巷道和开采条件的限制，在很多场合这些电缆线都是共用电缆钩，甚至信号电缆和动力电缆的表面有部分直接接触，易
变频设造成大功率设备在启停时或开关电源设备、备在运行时，导致井下的安全监控设备中甲烷、开停
等矿用传感器误动作，这将直接影响到矿井的安全生产
［1－5］
。另外，应用于煤矿的矿用传感器通常存
在问题：本安电源的容量远大于矿用传感器的工作
收稿日期：2013－01－05；责任编辑：赵作者简介：林引用格式：林
瑞
基金项目：中国煤炭科工集团重庆研究院自立资助项目（CQ1217）
E －mail ：idlinyn@163. com 引(1979—)，男，四川资中人，工程师，硕士。Tel ：023－65239051，2013，41（6）：88－91．引．矿用高可靠性本安型传感器电源电路设计与实现［J ］．煤炭科学技术，
88
在提高本安电源的抗干扰和带载能力方面具有较高的实用价值，但方案中由于BUCK 电路的电感、电容取值与配套芯片所推荐的电感、电容参数存在一定差异，降低了电源的效率和可靠性。基于上述问题，笔者介绍一种可靠的本安型传感器电源电路设计方案，该电源电路是基于电流模式控制的同步BUCK ，电源电路设计是在传统本安电源电路的基础上增加了抗干扰电路设计、限流启动电路设计和本安处理3部分。芯片AD2441进行设计
［10］
压时损坏本安型设备的内部元件。TVS 是一种高效
的用于吸收电源进线上的尖峰脉冲器件，具有纳秒级的响应速度、击穿电压偏差小、体积小、可靠性高
［13］
等优点，广泛应用于低压直流系统中。滤波电路该电路滤掉由电缆带入的干扰由电容和电感组成，信号，同时防止开关产生的干扰信号串入输入电缆，从而提高本安电源的可靠性。由于电容和电感是影响电路本安性能最主要的因素，因此，在实际应用中电容和电感的取值为所配接的本安电源所允许本安值的10%左右
。
1
1. 1
本安型传感器电源电路设计方案与实现
本安电源电路工作原理
微小功率的传感器供电电源一般采用LDO （Low Dropout Regulator ，低压差稳压器）稳压方式。而对于传统的矿用传感器功耗一般都在1W 左右，采用LDO 的方式效率降低，而且传感器配套电源需因此，具有交流掉电后能持续工作至少2h 的要求，
高效率的直流变换方式是矿用传感器供电的首选。具有高效率的传感器电源不仅可以提高备用电源的备用时间，而且可以提高配套电源的带载距离。开关电源电压变换电路有降压斩波电路、升压斩波电
Cuk 斩波电路、Sepic 斩波电路等，升降压电路、路、
由于受特殊应用的限制，电源转换电路一般都选降
压电路，如BUCK 电路。为进一步提高电源的转换效率，可选择同步整流方式，其转换效率高达95%。
本安电源电路工作原理如图1所示，抗干扰电路主要是用于消除电缆带入的抗干扰信号，如浪涌、群脉冲等；限流电路用于限制电源输入的电流，从而保证在开启时不会导致本安电源误动作；DC 转换电路主要是将输入的宽电压转变为稳定的直流电源；由于电源电路运用于本安型传感器中，电路必须是本安的，因此，需要对电路中超出本安所允许的电感或电容器件进行安全处理，从而使整个电源电路满
［11－12］
。足本安要求
1. 41. 3
限流电路
图2抗干扰电路
本安型传感器内部的容性元件使其上电瞬间的
当冲击电流超过本安电源的过流保护值电流很大，
时，会造成本安电源误动作，从而导致传感器无法正
常启动运行。热拔插时还会影响其他同路设备的正不利于现场使用。因此，需要在传感器输入常工作，
端增加限流电路，该电路主要用于将冲击电流限制在合理的范围内。限流电路如图3所示，电路工作原理为当检流电阻R 1的压降超过三极管Q 1的V eb 电压，此时Q 1导通了从而使三极管Q 2处于截止状态；当R 1的压降低于三极管Q 1的V eb 电压，此时Q 1截止，从而使三极管Q 2处于放大导通状态，这样就可以根据后续负载的最大电流设置检流电阻的阻值
。
图3限流电路
DC 电源转换电路
DC 电源转换电路如图4所示，该电路是基于ADP2441进行设计的。ADP2441是额定电流1A 的同步BUCK 开关电源控制芯片，输入电压为4. 5 36. 0V ，开关频率可达1MHz ，满载时效率高达94%，在轻载时为了降低功耗芯片可处于跳频模式，内部集成欠压、软启动、过流、热关断功能。
R 3、C 3用于设定DC 电源转换模块的图4中R 2、
C 5用于设定电源的软启动时间。设置开开启电压，
启电压功能和软启动功能就可以降低电源在启动初
89
图1本安电源电路工作原理
1. 2抗干扰电路
抗干扰电路如图2所示，电路由抗浪涌电路和
滤波电路组成。抗浪涌电路由保险丝和瞬态电压抑制器（TVS ）组成，此电路是为了防止输入端出现过
图5
图4
DC 电源转换电路
二极管本安化处理电路
电间距，此距离的线路损耗及压降波动通常影响传感器的正常启动。为了不影响传感器的正常启动，通常在电源端增大电容容量，而电容值过大将影响电路的本安性能，因此，需要对大电容值做本安处理。图6为大电容值的本安处理电路，用环氧树脂将大电容与功率电阻浇封在一起组成一个本安部件，从而使该部分电路满足本安的要求。查看Ⅰ类在1. 5倍安全系数下，设备的最小点燃参数表，
查到24V 电源的允许最大电容为4. 6μF 。而在实际电路应用中为了提高电源的稳定性采用220μF 的电容。为了解决电容值大的问题，在电容正端与电路正端串接一个100Ω电阻以限制电路的短路电24V 电源的最大短路电流为704. 7流。查表可知，
mA ，而大电容间的最大短路电流为240mA ，具有一定的安全裕量
。
［11］
期的冲击电流，从而提高设备的稳定性。L 3和C 4组
成的LC 滤波器用于降低纹波电压。
在设计本安传感器电源时必须要注意电容值和电感值不能超过输入本安电源的最大输出电容值和最大输出电感值，因此，在设计电源电路时在保证电源稳定性的前提下尽量降低电容量和电感量。该设计电路的输入电容C 1、输出电容C 2和输出电感L 2设计最小值计算式为
C 1=I o D （1－D ）/（V p f s ）
C 2=I o /（f s V d ）L 2=3. 3V o （V i －V o ）/（V i f s ）
（1）（2）（3）
式中：I o 为最大负载电流；D 为最大占空比；V p 为输入电压波动值；f s 为电源模块频率；V d 为允许输出电压的最大偏差值；V i 为输入电压；V o 为输出电压。假设输入电压为24V ，输出为5V /300mA ，芯片控制频率为700kHz ，则电路的输入电容C 1、输出
6. 4、20. 0μH ，电容C 2和输出电感L 2分别为1. 5、实22. 0、27. 0μH 。从数值大小来看，输际取值为2. 2、
入电容值、输出电感值都满足本安要求，但如果不对电源电路做本安处理，该电路仍不是本安的，而且在实际应用中输入电容偏小会导致传感器的使用距离无法达到2km 的要求。1. 5
安全处理
本安型传感器的输入电容在设计时以不超过本安电源最大容性值为准，若单路本安电源能驱动多个本安型传感器，根据电容并联相加法则，外接的电容值将超过本安电源最大负载电容值，因此，需要对传感器前端做本安处理。
2个本安型传图5为二极管本安化处理电路，
感器并联，由于传感器前端的电容能量被2个二极管隔离，无法反向释放到传感器外侧，由此可保证本安型传感器相互并联而不会破坏原有本安性能。
本安电源与本安型传感器间要求有2km
的供90
［14］
图6大电容值本安处理电路
对于低压电路，电路中的电容值越大，系统所能承受电源输入端的电压扰动能力和浪涌冲击能力就
更强。但从DC 电源转换电路可以看出：当电源电路中主芯片处于短路状态下，电路中最大电容值为输入电容值与输出电容值的和，此电容值将超过本安电源所允许的最大电容值。从GB 3836. 2—2010可知，对于本安电路来说电路中电压等级越低，所允许的电容越大。因此，针对这种情况，在电源输出端增加两级过压保护电路，从而使该部分电路满足本安要求。电源输出端本安化处理电路如图7所示。试验中采用的稳压管击穿电压为6. 2V ，晶闸管的触发电压为0. 8V ，即过压值为7V 。查看Ⅰ类设备
［15］
的最小点燃参数表，在1. 5倍安全系数下，只能查到电源电压为16V 时最大短路电流为3. 33A ，而
该电源的最大短路电流为1. 6A ，裕量足够大。电源电压为7V 时，最大允许电容值大于1000μF ，而实际电路中使用的电容除电容C a 外总和为33μF ，
［15］裕量也很大。查看Ⅰ类电感电路曲线可知，在电
而实际电路中使流1. 6A 时允许的电感可达1mH ，
下，同样可以提高输入本安电源的带载能力。
将该电源电路移植到本安型传感器中，按照AQ 6201中规定的抗干扰等级进行试验，试验中传感器未出现重启、损坏等情况。在热拔插试验中，传感器未出现复位现象。
用的电感总和为32μH ，裕量也很大
。
3结语
针对传感器在现场使用过程中存在的问题，提出了基于电流模式控制的同步BUCK 电源电路，通
图7
电源输出端本安化处理电路
过对电路中的关键器件参数进行优化及本安化处理，使得该电源电路更加高效、稳定、安全。测试结果表明：输入电压为9 24V 的直流稳压电源电路
效率高、纹波小等特点，适用于对可具有抗干扰好、
靠性、效率要求高的本安型传感器。
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－
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电源电路都需要通过火花试验来最终评定，目前该电源电路已通过了检测中心防爆实验室的火花
试验。
2试验结果分析
将输入电压为9 24V 的直流稳压电源作为该
对电源进行性能测试，测试结果见表电源的输入，
1。将24V /0.45A 的本安电源串2km 的电缆后作在该电源模块带1W 负载的前提为该电源的输入，
下，测试使用该电源模块后24V /0.45A 的本安电源带载能力，测试结果见表2。
表1
输入电压/V912151824
输入电流/mA123. 394. 477. 465. 951. 5
电源模块测试结果
输出电压/V5. 0055. 0075. 0085. 0125. 014
输出电流/A0. 20. 20. 20. 20. 2
输出纹波电压/mV1620182226
从表1可知：电源的输出纹波电压都控制在26mV 以内，且电源在低压端效率高达90. 2%。
表2
远距离带载测试结果
距离/m[1**********]0
电源模块数量/个
123
结果正常正常正常
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输入电压/V输入电流/mA
242424
62. 4123. 3194. 8
从表2可知：对于24V /0.45A 的本安电源能正常带动3个带负载的电源模块。可见，通过提高传感器电源的效率，在不改变输入本安电源的前提
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