防爆型掌上電腦設計

2008-04-12 00:00:00岳彬張曉鐘余向明

現代電子技術 2008年16期

摘要：在易燃易爆的場所使用掌上電腦時，要求其具有防爆性能。介紹了一款掌上電腦，綜合應用厚膜電子技術和本安防爆技術，研制了具有大功率、小體積的專用厚膜電阻，解決了掌上電腦的防爆難題，確保其在特殊場所的使用安全，極大地提高了工作效率。

關鍵詞：防爆技術；掌上電腦；厚膜電阻；限流電阻

中圖分類號：TP368.33 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1405902

Design of the ExplosionProof PDA

YUE Bin，ZHANG Xiaozhong，YU Xiangming

(ROL Research Institute of Air Force，Beijing，100076，China)

Abstract：PDA is required to be explosionproof when it is used in easy exploding workplace.This paper introduces a type of PDA，which has comprehensively adopted thick application of electronic technology and explosionproof technology.Specific thick film resistor with highpower and small size has been developed，and explosionproof problem of PDA has been solved to ensure the safe use in special places.

Keywords：explosionproof;PDA;thick film resistor;current limit resistance

掌上電腦(Personal Digital Assistant)最初是用于PIM（Personal Information Management，個人信息管理），替代紙筆，幫助人們進行一些日常管理，主要為日程安排、通訊錄、任務安排、便箋。目前掌上電腦已融合計算、通信、網絡、存儲、娛樂、電子商務等功能，成為人們移動生活中不可缺少的信息工具。已經廣泛應用于民用、軍用領域。但在一些特殊的應用場所，如加油站、油庫、碼頭、天然氣站等，因為油料、燃氣等的易燃易爆性，使用掌上電腦時，就需要進行必要的防爆處理。本文結合一款通用的32位CPU闡述防爆掌上電腦的構成和實現方法。

1 防爆型掌上電腦總體設計

防爆掌上電腦主要由CPU，RAM，FLASH，LCD、觸摸屏、串行數據通信窗口、數據同步電纜、無線接收裝置、輔助按鈕等部分組成，其基本構成結構框圖如圖1所示。本文的掌上電腦一些指標如下：防爆掌上電腦是在一般的掌上電腦基礎上，依據有關防爆規定，進行一些防爆處理后而形成的。

2 防爆設計

2.1 總體防爆設計

防爆設備一般有隔爆、本質安全、增安等多種防爆機理。對于便攜式設備由于受到體積和重量的限制，一般設計為本質安全型防爆結構。本質安全電路是在任何可能故障條件下所產生的電火花或熱效應均不能點燃規定的爆炸性氣體環境的電路。本質安全設備是指其內部所有電路均為本質安全電路。

依據 GB3836.12000《爆炸性氣體環境用電氣設備第1部分：通用要求》和 GB3836.42000《爆炸性氣體環境用電氣設備第4部分：本質安全型“i” 》的標準要求，掌上電腦在防爆設計中主要考慮的因素有：元器件的選擇、線間的爬電距離和電感、電容和電池等儲能元器件。在電路設計時，元器件的選擇、線間的爬電距離、電感、電容的限能已做了綜合考慮。防爆設計中重點解決的難題是電池的本安處理。

由于掌上電腦要求功耗大、使用時間長、體積小，所以這里選擇聚合物鋰離子電池（2 000 mAh，最大電壓4.2 V，工作電流300 mA）。此電池的好處是具有可薄形化、任意面積化與任意形狀化、安全性高、容量大等優點。

對防爆設計來說，電池主要在于解決電路板電路中內阻小、短路放電電流過大的難題，本安電池需要在故障冗余狀態下能滿足本質安全防爆電路要求。一般處理通過限流電阻和雙層保護電路來實現。但是，雙層保護電路處理方法因要求元件功率大，所以造成元器件體積大，不適合本掌上電腦應用。因此，只有通過限流電阻處理來實現防爆設計比較合適。在限流電阻的選擇中，電阻在正常工作和規定故障條件下，不得超過電阻按照條件和溫度范圍規定的最大電流、電壓和功率額定值的2/3的情況下工作；在正常工作時和規定故障條件下，承受可能出現的不小于1.5倍最高電壓或不小于1.5倍最大功率。下面對電阻進行選擇計算：P=I.2R（1）

P=U.2/R（2）由于限流電阻始終是串聯在電路中，在正常工作時有一定的壓降產生，其阻值的大小直接會影響電池容量的有效利用。通過試用驗證選擇電阻R值為1 Ω合適。在正常工作時，工作電流為300 mA，由式（1）可得，電阻消耗功率為0.09 W；當出現極端故障時，即電池外端直接短路，電池電壓直接加載到線路電阻上，考慮到最高電池電壓為4.2 V，由式（2）可得，電阻消耗功率為17.64 W，其1.5倍功率為26.46 W。根據防爆設計對限流電阻的要求，所選電阻的額定功率應大于26.46 W，這樣選擇電阻功率為30 W，滿足其正常工作要求。

2.2 本安防爆厚膜電阻研制

為了解決大功率、小體積電阻問題，這里調研了國內外相關技術資料，也走訪了一些電阻生產廠家，均沒有適合于應用的產品。在調研過程中，發現厚膜電子元件具有功率大、體積小的特點，特別是薄片狀特別適合本安電池的封裝。為此，在國內專業生產厚膜電子元件廠家，設計并生產了適合應用的專業厚膜電阻。

厚膜電阻器是利用絲網印刷技術將配制的電阻漿料網印、燒結到陶瓷基片上形成的具有一定厚度的膜式電阻器。設計的厚膜電阻由基片、電極、漿料等組成，其設計如圖2所示。

電阻器的性能主要由電阻的漿料的性能決定。目前，電阻漿料主要有杜邦1700系列、2100系列和7400系列漿料。這里選擇杜邦公司的2110電阻漿料，其可滿足溫度系數要求比較高的電路，穩定性好，具有良好的抗ESD性能。其方阻RS為10 Ω/□。R=RS×L/W（3）設：L＝0.8 cm，R=1 Ω；則：W=8 cm

L＝0.8 cm;W=8 cm滿足電池的容納空間要求。P＝P_d×LW（4）其中P_d為厚膜電阻材料的功率密度，一般選擇8～15 W/cm.2，為了確保電阻功率要求，選擇P_d為5 W/cm.2，則功率P為32 W，滿足所要設計厚膜電阻要求。在專業厚膜電阻廠家生產，最終的外形如圖3所示。