單片交換機開關電源防爆設計及功能

　　摘 要： 本文針對井下通信系統的電源配置進行了全面的分析和研究。按照電信電源的基本要求，結合煤礦實際情況，首次對井下通信系統交換機的電源結構、供電形式、電磁兼容、防雷及接地等進行了全面的分析和研究，設計了井下通信基站本質安全防爆直流開關穩壓電源及備用電源系統，給出了完整的設計步驟和計算方法，并進行了電路實驗，驗證了電源系統的合理性和結論的正確性。
　　關鍵詞： 煤礦用直流穩壓電源 井下通信專用開關電源本質安全
　　
　　1.引言
　　煤礦用直流穩壓電源是保證煤礦監控系統安全、有效、準確工作的重要設備。它廣泛應用于井下通訊、信號采集處理、過程監控等環節，它的技術先進性、功能適應性，以及產品的質量對整個系統的可靠性和性能價格比有著重要的影響。根據資料顯示，電子設備的故障大約70%是由于電源引起的［１］。所以，直流穩壓電源的性能將直接影響煤礦的安全生產。
　　2.通信電源系統及電磁兼容和防雷設計
　　通信電源系統由交流供電系統、直流供電系統和接地系統組成，交流供電系統由主用交流電源、備用交流電源、高壓開關柜、電力降壓變壓器、低壓配電柜、低壓電容器屏和交流調壓穩壓設備及連接饋線組成的供電總體［２］。由整流設備、直流配電設備、蓄電池組、直流變換器、機架電源設備和相關的配電線路組成的總體稱為直流供電系統［３］。
　　根據對象不同，可采取不同的供電方式，主要供電方式有：整流器獨立供電方式，也稱沒有蓄電池的直流供電方式。電信系統經過整流器，從市電直接獲得直流電的供電。高頻開關整流器，也稱無工頻變壓器整流器［４］，主要有三部分組成：主電路、控制電路和輔助電源。
　　電磁兼容（EMC）是表示一種狀態的特征，即各種電氣設備正常工作互不干擾，它們對其它電氣設備不產生電磁干擾，并具有抗外界電磁干擾的能力，因而在同時運行時，各自的功能不受到影響，同時也不受到自然電磁現象［５］，如閃電雷擊的影響。
　　電磁騷擾分為傳導騷擾和輻射騷擾。
　　（1）騷擾限值
　　電源端口傳導騷擾值。當采用準峰值檢波測試儀所測試的騷擾值不大于平均值限值時，則認為受試單元滿足了兩種極限值，就不必在用平均值檢波測試儀進行測試。如果測試儀上所示讀數在極限值附近波動，則讀數的觀察時間不少于15s，記錄最高讀數，孤立的瞬間高值讀數忽略不計。電信電源設備信號/控制端口的傳導騷擾限值待定。
　　（2）輻射騷擾限值
　　在電源系統中經常受到過電壓的干擾，過電壓產生于下列主要原因。
　　（1）雷電過電壓，包括受直擊雷和感應雷產生的雷電過電壓。
　　（2）電源系統內部過電壓，包括工頻過電壓、操作過電壓和諧波過電壓。
　　按照YD5078—98通信行業標準《通信工程電源系統防雷技術規定》根據電源設備安裝地點條件和額定工作電壓的不同，在電信工程中，電源系統按耐雷電沖擊指標分為5類。氧化鋅壓敏電阻是電信電源設備主要采用的避雷器，由于它性能優越、結構簡單、小型可靠，得到廣泛應用，并有替代過去使用閥式避雷器的趨勢。壓敏電阻的規格以壓敏電阻值和耐流能力表示。主要技術指標有沖擊擊穿電壓、殘壓和耐流能力，與放電管比較，響應速度快，耐流能力可達10 K（8/20 μs電流波形）。
　　作為本質安全防爆開關電源，其設計和評價本質安全電路的基本依據是電火花的最小點燃能量。當電路中的電火花能量達到一定數量級時，將會引燃爆炸性混合物，造成不可估量的損失。因此，在設計本質安全防爆開關電源時，必須嚴格按照本質安全防爆的要求進行設計，也就是其放電火花能量不能大于最小點燃能量。
　　3.電信電源設備和系統的可靠性分析
　　可靠性就是在規定的條件下和規定的時間區間內完成規定功能的能力。可靠性對于電信十分重要，這是因為電信設備乃至由它構成的電信系統日趨電子化，電信設備乃至由它構成的電信系統越復雜，出現故障的概率越高。
　　可靠度，產品在規定的條件下，規定的時間內，完成規定功能的能力的概率稱為該產品的可靠度。
　　（1）平均失效率
　　λ（t）==
　　將上式改寫成微分方式，得到：
　　λ（t）=-
　　（2）平均壽命與平均維修時間。使用壽命是產品在規定的條件下從規定時刻開始，到失效密度變到不可接受或產品的故障被認為不可修理時的時間區間。
　　根據可靠度的定義，一種產品在t時刻內正常工作的概率為R（t），則按照統計理論，該產品壽命的數學期望值亦即使用壽命T可表示為：
　　T=?蘩R（t）dt=?蘩edt=
　　電信電源系統的可靠性估算。
　　對于電源系統，則要根據具體的電路結構、構成系統各種電源設備在考察情況下的可靠性用估算的方法估算其可靠性。為此，必須把物理結構的供電系統圖，改變成表示構成電源系統的各個部分在電路中關于可靠性的邏輯關系的方框圖。其供電方框圖如圖1所示。
　　（1）交流電源部分的穩態不可用度U和平均恢復前時間MTTR。二類市電的年穩態不可用度應小于3×10，平均故障持續時間應不大于6h；柴油發電機組運行過程中的故障率極低，其平均失效間隔時間MTBF應不小于600 h，遠低于啟動失敗率，可靠性估算中可予忽略。由于市電與柴油發電機組并聯，再與交流配電屏串來聯，先計算并聯柴油發電機組的U。
　　計算市電與柴油發電機組并聯的MTTR為：
　　MTTR===0.462
　　由于市電與柴油發電機組并聯后，再與交流配電屏串聯，故交流電源部分的平均恢復前時間MTTR為：
　　MTTR=
　　==0.534
　　（2）整流器以前部分的穩態不可用度U和平均恢復前時間MTTR。首先計算兩臺整流器并聯的穩態不可用度Uzs。
　　單臺整流器的平均失效間隔時間MTBF為5×10 h。由以下公式可求出單臺整流器的MTTR：
　　U=
　　MMTR==0.33（h）
　　由于兩臺整流器并聯，故：
　　MTTR=×0.33=0.165（h）
　　交流電源部分與整流器串聯，故整流器以前部分的穩態不可用度U為：
　　U=U+U=4×10+ 4.356×10≈ 4×10
　　整流器以前部分的MTTR為：
　　MTTR=
　　==0.534
　　4.主電路設計
　　4.1充放電控制電路的設計
　　系統選擇的STSR12M7.0AT型蓄電池在使用時要防止過充電和過放電，一般限制在±10%左右的額定電壓以內。對于12 V的鉛酸蓄電池，其充電電壓最高為13.2 V，最低放電電壓為10.8 V，三個12 V鉛酸蓄電池串聯使用時，則最高充電電壓為39.6V，最低放電電壓為32.4 V。
　　4.2DC/DC變換器的設計
　　AC/DC是交流和直流連接部，此時的額定電壓為220/380ACV，模擬雷電壓沖擊波電壓峰值為2.5kV（1.2/50μs），模擬雷電流沖擊波電流峰值為1.25 kA（8/20 μs）。選擇相應的避雷器產品滿足其要求［６］。
　　單片開關式集成穩壓器被譽為新型高效節能穩壓電源，其電源效率可達90%以上。由于它把開關電源所需的基準電壓源、鋸齒波發生器、脈寬調制器（PWM）、功率輸出級（即開關功率管）和各種保護電路全部集成在芯片中，實現了單片集成化，因此它在各種開關電源中的集成度最高、功能最全、性能優良而外圍電路非常簡單［７］。
　　5.結語
　　煤礦用直流穩壓電源是保證煤礦監控系統安全、有效、準確工作的重要設備。長期以來一直是井下監控系統穩定、可靠工作的關鍵所在。它廣泛應用于井下通訊、信號采集處理、過程監控等環節，它的技術先進性、功能適應性，以及產品的質量對整個系統的可靠性和性能價格比有著重要的影響。
　　本文創新點：針對煤礦井下濕度大、礦塵大、電磁干擾大，以及空間小、工作場所分散等這些特殊要求，設計了井下通信專用開關電源，符合本質安全型輸出的要求，特別是本質安全信號在傳輸電纜斷裂等各種故障情況下，均不能導致燃燒和爆炸事故的發生。還可在75%—115%的輸入電壓范圍內能穩定工作，并有足夠的功率輸出，滿足不間斷供電，安裝使用也比較方便，可靠性和供電質量都非常高。
　　
　　參考文獻：
　　［1］戶永清.高性能開環直流穩壓器設計［J］.微計算機信息，2006，（02）.
　　［2］張立森，王立志，邵一丹.基于CMOS的開關電容DC-DC降壓變換器［J］.微計算機信息，2007，（20）.
　　［3］朱雄世．新型電信電源系統與設備．人民郵電出版社，2002.
　　［4］李愛文．現代通信基礎開關電源的原理和設計．科學出版社，2001.
　　［5］白同云，呂曉德．電磁兼容設計．北京郵電大學出版社，2001.
　　［6］張衛平等．綠色電源—現代電能變換技術及應用．科學出版社，2001.
　　［7］王英劍，常敏慧，何希才.新型開關電源使用技術.電子工業出版社，1999.
　　 注：“本文中所涉及到的圖表、公式、注解等請以PDF格式閱讀”