本安电路设计方法

2021-09-01 19:15:53 bqg52503721

目录

本安电路设计方法背景资料... 1

本安电路设计基本原则... 2

1 本安仪表基本设计要求... 8

2 本安电路设计... 9

3 简单设备与简单电路... 15

MiFi项目框图... 19

USB3.0接口ESD静电保护方案... 24

方案说明与注意事项... 25

天线保护... 25

本安电路设计方法背景资料

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GB/T 2829-2002 周期检验计数抽样程序及表(适用于对过程稳定性的检验)
GB 3836.1 爆炸性气体环境用电气设备 第 1 部分: 通用要求(GB3836.1-2000, eqv IEC
60079-0:1998)
GB 3836.2 爆炸性气体环境用电气设备 第 2 部分:隔爆型“ d”(GB3836.2-2000,eqv
IEC 60079-1:1990)
GB 3836.3 爆炸性气体环境用电气设备 第 3 部分:增安型“ e”(GB3836.3-2000,eqv
IEC 60079-7:1990)
GB 3836.4 爆炸性气体环境用电气设备 第 4 部分:本质安全型“i”(GB3836.4-2000,
eqv IEC 60079-11:1999)
GB 4208 外壳防护等级(IP 代码)(GB 4208-1993,eqv IEC 529:1989)
GB/T 5080.1-1986 设备可靠性试验 总要求(idt IEC 605-1:1978)
GB/T 5080.7 设备可靠性试验 恒定失效率假设下的失效率与平均无故障时间的验证
试验方案(GB/T 5080.7-1986,idt IEC 605-7:1978)

GB 12173 矿用一般型电气设备(GB 12173-1990,neq ΓΟСТ 24754:1981)
GB/T 17626.3-2006 电磁兼容 试验和测量技术 射频电磁场辐射抗扰度试验(idt IEC
61000-4-3:1995)
GB/T 17626.4-1998 电磁兼容 试验和测量技术 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验(idt IEC
61000-4-4:1995)
GB/T 17626.5-1999 电磁兼容 试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验(idt IEC
61000-4-5:1995)
MT/T 286 煤矿通信、自动化产品型号编制方法和管理办法
MT/T 899 煤矿用信息传输装置

防爆电气产品以本质安全型产品最多,本安型电气设备是一种内装本质安全电路的设备,它包括设备和电路,还可以包括关联设备以及连接电缆,是石油、化工、煤炭等存在可燃性气体场合中广泛应用的设备。本安型电气设备由于具有体积小、重量轻、安全可靠等优点。

本安电路设计基本原则

本安型电气设备是指该设备的全部电路,在规定的试验条件下产生的电火花或热效应均不得点燃规定的爆炸性气体混合物的电气设备。

在该定义中:

规定的试验条件指用代表性气体、加安全系数采用标准试验装置并考虑正常工作和规定的故障条件等;

电火花指电容性电路的放电、电感性电路的开路放电、电阻性电路的导通和断开放电及炽热导线的熔断;

热效应指导线束的发热、灼热发光的灯丝和元件表面高温。

根据本安型电气设备的定义,在本安电路设计时可遵循下面几个原则:

本安电路与其他电路适当隔离

我们知道,本安型电气设备主要靠自身的电路参数来保证它的防爆安全性能的,因此本安型电气设备和关联设备的本质安全部分原则上不需要外壳进行保护,但实际使用中为了防止可能遭受外部侵害,则需要采取外壳保护措施。采取的外壳保护措施有机械隔离和电气隔离。

机械隔离通常采用的是电缆(或电线)直接连接在它的接线端子上,或者用插头 - 插座方式插接连接。

接线端子设计,应满足以下要求:

a.接线端子应采用导电性能好、机械性能好的材料制成,如黄铜。且端子的结构要保证导线连接可靠,不发生松动。

b.本安电路接线端子之间、本安电路接线端子与非本安电路接线端子之间的电气间隙和爬电距离应该符合表1中规定要求。另外,在电路设计时要求外部导线连接后,导线裸露的带电部分之间的电气间隙不应该小于6mm,导线裸露的带电部分与接地金属导体之间的电气间隙不应该小于3mm。

1   爬电距离、电气间隙和间距

电压(峰值)V

10

30

60

90

190

375

550

750

1000

1300

1575

3300

4700

9500

15600

电气间隙 mm

1.5

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

10.0

14.0

16.0





通过浇封混合物的距离

0.5

0.7

1.0

1.3

1.7

2.0

2.4

2.7

3.3

4.6

5.3

9.0

12.0

20.0

33.0

通过固体绝缘的间隙mm

0.5

0.5

0.5

0.7

0.8

1.0

1.2

1.4

1.7

2.3

2.7

4.5

6.0

10.0

16.5

空气中的爬电距离mm

1.5

2.0

3.0

4.0

8.0

10.

15.

18.

25.

36.

49.





涂层下的爬电距离mm

0.5

0.7

1.0

1.3

2.6

3.3

5.0

6.0

8.3

12.

13.3





相比漏电起痕指数CTI

Ia


100

100

100

175

175

275

275

275

275

275





Ib


100

100

100

175

175

275

175

175

175

175





注:除间隔距离以外,目前没有提出高于1575V的规定值。

   在电压低于10V时,绝缘材料的相比漏电起痕指数不需要规定。

c.本安电路接线端子与非本安电路接线端子之间,应该设置必要的隔离措施,以防止接线松脱出现“搭线”现象。这种措施有两种形式:

i.本安电路接线端子与非本安电路接线端子之间至少相隔50mm间距;

ii.本安电路接线端子与非本安电路接线端子之间采用隔板进行隔离,这种隔板可以是接地金属板,也可以是非金属隔板。

在设计插头与插座连接时,原则上,在未连接的情况下,插头应连接在非带电侧,插座应连接在带电侧,并且插接后应该锁紧。

电气隔离

电气隔离指元器件采用电气隔离措施而保证非本安的能量或其它电路能量不能影响本安电路特性。这种电气隔离能将本安电路与非本安电路可靠分隔。

根据电路特点和需要,可采用下列方法(之一)进行电气隔离:

a.变压器隔离

这种方法一般是作为交流信号或脉冲信号的转换隔离,是比较简单的,只要按其本安侧的参数进行计算或附加一下保护环节,即可达到把本安电路与非本安电路电气隔离的目的。变压器必须满足以下要求:

在电源变压器中,向本安电路供电的所有绕组同其它绕组应该可靠地隔离,设计人员可采用下列两种结构进行隔离。

i. 向本安电路供电的所有绕组和其它所有绕组并列地布置在铁芯的的一个芯柱上,或者,将向本安电路供电的所有绕组和其它所有绕组分别布置在不同的芯柱上。不管哪种方式,绕组之间都必须按照表1中的规定进行可靠的隔离。

ii.在向本安电路供电的所有绕组和其它绕组之间进行接地屏蔽隔离,这种情况下,接地铜箔的厚度或接地绕组导线的直径,应能够承受电路中保护熔断器或断路器动作时流过的电流而不损坏。接地铜箔的厚度或接地绕组导线的直径必须符合表2规定。

2  屏蔽的最小金属箔厚度或最小导线直径与熔断器额定电流的关系

熔断器额定电流      A

0.1

0.5

1

2

3

5

金属箔屏蔽厚度    mm

0.05

0.05

0.075

0.15

0.25

0.3

导线屏蔽直径      mm

0.02

0.45

0.63

0.9

1.12

1.4

b.可靠电阻隔离

利用可靠电阻,可以降低电压减小电流使非本安电路与本安电路隔离。

c.隔离电容器

隔离电容器主要用于非本安电路与本安电路之间、本安电路与本安电路之间的隔离,其功能是传递检测信号,隔离直流危险电位。它由两个参数相同的电容器串联而成,它的额定电压应该为电路中可能出现的最高电压的1.5倍值。

d.熔断器

在本安电气设备中,当熔断器被用来保护相应电路时,则熔断器应该能够连续地通过1.7In的电流(In熔断体的额定电流)。

e.继电器

继电器也可以把本安电路和非本安电路隔离。它多用于控制或传递回路中,在使用继电器时,必须满足下列要求:

i. 非本安电路触点的开闭回路不超过5A(有效值),250V(有效值)或100VA,其电气间隙、爬电距离应该符合表1规定要求。

ii.当继电器触头损坏时,触点不允许脱落,也不允许因其故障而影响本安电路和非本安电路隔离的可靠性。

iii.继电器绕组应能承受其连接处的最大耗散功率。

f.安全栅隔离

安全栅隔离是设置于本安电路和非本安电路之间最常用的可靠的隔离组件,它能阻止危险能量进入到危险区。

对于“ia”等级本安电路用的安全栅,不允许采用可控半导体器件进行隔离。对于二极管安全栅应该满足下列条件:

i.至少装二只二极管,并且至少设置两个独立的接地端子,而且每个接地端子能够连接截面积不小于4mm2的绝缘导线。

ii.二极管安全栅的试验除检查电路组装及相应的输入、输出端子的正确性外,主要是检验电路中所用二极管的性能指标。

g.光电耦合器

一般在电路功能允许的情况下,尽量采用光电耦合器进行本安电路与非本安电路的隔离。尤其是对不同负载采用光电耦合器隔离,方法简单,可靠,同时可减少许多防爆性能试验。

在使用光电耦合器件对本安电路和非本安电路进行隔离时,应该在非本安电路的终端配置适当的保护环节,以保证非本安电路的电压和电流不超过光电耦合器件的额定值的2/3。

本安电路在规定的条件下,其任何元件的热效应均不能点燃规定的爆炸性气体混合物

在设计本安电路时必须以最不利的工作条件和故障状态下,利用已知元件的热特性以及在适当的故障条件下可能承受的最大功率来计算或测定该元件的表面温度,判定是否满足允许的温度要求。

对设备内导线的选择要考虑导线自身的发热温度,也就是说,要考虑导线最大允许通过的电流。

在一般情况下,对于铜导线,对应于最高导线自身发热温度的最大允许电流可从表3获得。

3   铜导线的温度组别(最高环境温度为40℃时)

导线直径

mm

导线截面积

mm2

温度组别的最大允许电流A

T1~T4和I类

T5

T6

0.035

0.000962

0.53

0.48

0.43

0.05

0.00196

1.04

0.93

0.84

0.1

0.00785

2.1

1.9

1.7

0.2

0.0314

3.7

3.3

3.0

0.35

0.0962

6.4

5.6

5.0

0.5

0.196

7.7

6.9

6.7

       注:给出的最大允许电流值是交流有效值或直流值(A)。

           对于绞合导线,截面积为所有绞合导线的总截面积。

           该表也适用挠性扁平导线,例如带状电缆,但不适用印刷电路导线。

           直径和截面积为标称尺寸。

           当Pi不超过1.3W时,可以判定导线为T4温度组别,并且对于I类也是允许的。

对于金属导线也可用下列公式计算:

       I = If[t(1+αT)/T(1+αt)]1/2

式中,I – 最大允许电流,A

     If – 导线在40℃环境温度时的熔化电流,A

     t – 自热导线温度和环境温度,℃

     T – 导线熔化温度,℃(对于铜为1083℃)

     α  – 导线材料的电阻温度系数(对于铜为0.004265K-1

对于本安电路,应根据其电气设备规定的等级(“ia”级,“ib”级)进行试验和评定,其任何电火花不得引燃规定的爆炸性气体混合物

这一原则是指其电路在正常工作或故障状态产生的电火花,不得点燃规定的爆炸性气体混合物。该原则是本安电气设备最基本的本安特征。电火花是指设备在正常工作状态下和故障状态下,电器元件、连接导线、插接件等的断路或短路而产生的火花。只有保证这些电火花不能点燃规定试验气体的情况下,方可判定电路为本安电路。

1 本安仪表基本设计要求

本安仪表的设计主要包括电路和结构设计, 这是实现仪表本安防爆性能不可分割的两个方面。本安仪表应满足三个基本要求:

必须把本安与非本安电路完全、可靠地隔离。可通过加大电气间隙和爬电距离、加强电气绝缘等方法来实现电路隔离, 防止本安与非本安电路间的击穿, 确保本安电路的防爆性能。

本安电路中所有元器件或导线的最高表面温度须不大于所规定的组别温度要求, 以避免热效应点燃爆炸性气体混合物。根据热效应原理, 限制元器件或导线的最高表面温度和通过限制相应故障条件下加到元件上的最大功率的办法来实现。

电路在规定等级、级别相对应的试验条件下进行试验评定时, 不得点燃相应的爆炸性气体混合物。通过控制电路的电参数 (如减小电感和电容等储能元件参数) , 或降低电路电流和电压, 使电路达到本安防爆要求。电路中元器件要有足够的功率, 连接导线应具有足够截面, 以使电路在各种故障条件下可能产生的高电压和大电流作用下不会破坏元件性能, 通过元件的可靠性来保证电路的可靠性。

2 本安电路设计

2.1 最小点燃曲线

最小点燃曲线包括最小点燃电流曲线和最小点燃电压曲线, 它们是在环境温度为-20+40 、大气压力≤0.1 MPa (一个大气压或接近一个大气压) , 同时在气体最易点燃浓度下, IEC 标准火花试验装置作出的。最小点燃曲线是设计本安电路和评定电路本安性能的主要依据之一, 但这些曲线具有一定的使用局限性, 在应用时应注意下列事项。

本安设备使用环境必须满足:环境温度为 -20+40 ;环境大气压力为86106 kPa;环境空气含氧量必须<21%

最小点燃曲线只适用于线性电路。

电阻性电路是指电感小于1 mH的电路;电感性电路是指电感大于l mH的电路。

电容最小点燃曲线, 仅反映电容本身放电的点燃情况, 并不包括电源的作用。在进行本安电路设计时, 应根据电路的实际情况, 考虑到电源作用的附加影响。

最小点燃曲线是反映点燃爆炸性气体混合物的临界参数。这些参数通常不能直接使用, 使用时应考虑相应的安全系数, 即将查得的最小点燃电流 (或电压) 值除以相应的安全系数, 用等式可表示为:

设计最大允许电流 (电压) =最小点燃电流(电压)电流(电压)安全系数=最小点燃电流(电压)电流(电压)安全系数 (1)

当安全系数施加在能量上时, 则有:

电流 (电压) 安全系数=(能量安全系数)−−−−−−−√=(能量安全系数) (2)

通常, 电阻性和电感性电路用减小电流值作为安全系数;电容性电路用减小电压值作为安全系数。

镉和锌是电线或电缆防腐常用的材料。包括电线或电缆在内的本安系统电路中将不可避免地存在镉和锌。因此, GB 3836.4-2000依据最新IEC标准取消了原GB 3836.4-1983标准中给出的不含有镉、锌、镁、铝的最小点燃曲线。

2.2 本安电路设计分析程序

通常情况下, 本安电路的设计或分析, 应遵守下列程序:在元件的容差、供电电压波动、绝缘故障和元件故障等情况 (即正常工作和故障状态) , 确定出最坏的实际电路参数; 根据电路型式以及电气设备等级, 考虑相应的安全系数以及安全系数施加规则, 推导出适用于采用火花试验装置进行试验和评定的修改电路;根据最小点燃曲线, 检查修改电路参数是否满足本安防爆要求。

2.3 正常情况分析

正常工作情况应包括:供电电压取制造厂设计规定值的1.1;本安电气设备或关联设备的额定环境条件应取其最不利的状态, 如采用晶体管作限流安全栅应考虑其在使用温度下限时的限流值作为安全栅的最大短路电流, 齐纳二极管的最高齐纳电压应取其在使用温度上限时的稳压值;在最不利的组合条件下所有元件的容差。如在评定齐纳安全栅中, 稳压管在考虑正偏差、限流电阻时, 还应考虑负偏差这样的组合条件来决定安全栅的最高输出电压和最大输出电流;各种整定元件应处于最不利的位置;受检本安电路的接通和断开, 属于正常工作状态的一个部分, 不能算作故障状态。

2.4 电路故障状态分析要点

本安电路故障分析应考虑:电路的故障分析, 应当考虑到火花点燃源以及热点燃源。其中火花点燃源包括:电容性电路的放电、电感性电路的开路、电阻性电路周期性的接通和断开、静电火花。而热点燃源包括:小型仪表导线的发热、灼热发白的灯丝、元件的表面高温。②电路的分析, 应分别考虑正常工作、一个故障和两个故障的情况, 并考虑相应的安全系数。③电路的故障条件应选择最恶劣的情况, 包括元件参数的极端情况。④由一个故障引起的一系列故障只能算作一个故障。⑤在可靠连接和隔离不是浇封或没有涂覆绝缘清漆覆盖时, 或不能保持不低于IP20等级外壳完整性, 同时连接件暴露时, 则用火花试验装置对这些连接和隔离电路进行接通和断开试验, 应视作对正常工作状态的检验, 不应算作故障。如关联设备输出短路或接地, 不应算作故障。⑥符合可靠元件或组件设计要求和具有规定的电气间隙以及爬电距离的保护性元件, 应当视为不发生故障的元件。分析故障时, 不应考虑它们的故障或失效。⑦不符合本篇元件额定值所要求的元件故障, 认为是非计数故障。相反, 则应认为是计数故障。⑧半导体器件应考虑到短路和开路故障以及可能由其他元件故障引起的情况。对于表面温度分组来说, 应考虑可能出现最大耗散功率条件下的半导体器件的故障。集成电路可能失效, 以致使在其外部连接之间存在短路和开路的组合。⑨考虑连接线开路故障, 以及由移动引起的脱落。 (10) 任何导线或印制电路导线, 包括它的连接的开路故障应认为是一个单独计数故障。 (11) 对于小间隙的鉴定, 要在这个小间隙可能引起的最不利条件下进行。比规定的电气间隙和爬电距离数值的1/3还小的间隙的短路不应视为故障。 (12) 对于使用电池的设备, 应当考虑到由于电池漏液而造成的腐蚀作用和导电通路。 (13) 对于仅仅有一个故障或无故障可产生的设备, 只要它在一个故障或正常情况下符合标准规定的要求, 就应被认为是可以接受为ia等级的设备。 (14) 按规定关联设备的最大输出参数对本安仪表进行的评定, 应算作一个故障。但即使是同一系统中的多个关联设备均处于各自的最大输出参数状态, 最多也只能算作一个故障。

2.5 本安电路设计方法

通常, 本安电路的设计可根据电路的特点灵活应用下列不同的技术方法, 来满足本安电路设计经济、合理安全可靠的要求。

① 逐一解决法

这种方法通常适用于采用单一电源的电路。对于电路中的各储能元件及可能的发热元件可以通过分析, 分别予以逐一解决。

② 逐级限压/限流法

这种方法通常适用于具有多个工作电源的电路。在设计时, 我们可以采取可靠的限压箝位措施, 将具有不同工作电源电路的最高电压分别予以控制。必要时, 还可依据实际的电路工况, 在箝位电压下采取适当的限流措施, 以限制最大工作电流。然后, 再对各电路中的储能元件及可能的发热元件分析其安全性。这种设计方法既允许电路具有较高的电容、电感, 便于实现电路的基本性能, 同时也允许在较低工作电压下的电路选用具有较低功率的元件, 便于本安设备实现小型化。

③ 电路分离法

这种方法通常适用于复杂电路, 且各功能电路之间本身是相互隔离的情况。尤其是对于采取逐一解决法和逐级限压/限流法都不便于实现电路本安的情况, 我们可以借助于电路自身隔离的特点, 按照本安设计的基本要求, 通过对隔离元件的可靠设计, 首先使不同功能的电路实现可靠隔离, 然后依据逐一解决法和逐级限压/限流法去完成电路的本安设计。

2.6 电容和电感储能的抑制

抑制本安仪表电路中电容和电感元件的储能是仪表实现本安防爆的首要解决的问题。电容和电感中的储能可用公式表示为:

Wc=12CU2   WL=12LI2   (3)Wc=12CU2   WL=12LΙ2   (3)

对于规定类别的爆炸性危险气体都有其最小点燃能量。各典型气体的最小点燃能量值如表1所示。

1 各类级别爆炸性气体混合物最小点燃能量 导出到EXCEL


 
类别

级别

最小点燃能量W0/mJ





  Ⅰ

甲烷

0.280


  Ⅱ

⎧⎩⎨⎪⎪A B C {A B C 

0.200
  0.060
  0.019




窗体顶端

窗体底端

当电容或电感中的储能超过相应类别的最小点燃能量时, 电路一旦发生故障, 爆炸性危险气体混合物就有可能被点燃而产生爆炸。因此, 如何抑制本安电路中电容和电感的储能到安全水平是本安电路设计的关键。

从式 (3) 中不难看出, 设计人员可通过限制元件的端电压或流过元件的电流就能有效地抑制其释放能量。不过, 对于电路中的电感元件通常也可以在电感储能元件两端可靠地并接合适的齐纳二极管、压敏电阻、二极管等分流元件以吸收电感储能。只要并接分流元件选择恰当, 电感对外电路呈现的电感作用将大大降低。一般来说, 分流元件的动态电阻越小, 保护效果越好。试验表明, 并接二极管的电感元件的等效电感可减小到原电感值的1/101/100。市场上的大多数本安电磁阀、电气转换器和阀门定位器等产品都是采用这一保护技术来实现本安的。当这种保护组件使用在爆炸性危险场所时, 应将元件和线圈一起浇封或其他等效措施以避免因线圈与保护元件之间断开产生火花而点燃爆炸性危险气体。

同样, 对于电容储能元件, 可通过并接齐纳二极管、压敏 电阻、稳压管、二极管等限压元件以限制电容两端电压、或串接限流电阻来限制电容放电速率。从而达到抑制电容储能或释放能量的目的。两者相比, 后者显得更为有效。举例来说, 对于一个原有20 V电压的电容, 在一定条件下电容器的电容量应限制在1.0 μF以内, 但是在相同条件下, 如它与一个5.6 Ω的电阻元件可靠串联后, 则电容器电容量可增加到7.0 μF。如果串加电阻为15 Ω则电容量可增加到50 μF。而当串接电阻为40 Ω, 电容器电容量即使为无穷大电路也将具有本安性能。不过, 当这种阻容组件在爆炸性危险场所时, 应采取浇封或其它等效措施, 以保证电容两端不会直接被短路。对于采取浇封的情况, 要求安装元件的印制板正反面都浇封, 以确保电容与电阻间的所有裸露导体 (包括铜箔) 都被浇封。要注意的是电容串接电阻后, 可能其滤波效果或其他性能会受到一定的影响。因此, 在进行电路设计时, 应根据电路的特点和设计性能要求合理选择设计方案。

2.7 最高表面温度的控制

本安仪表电路元件及导线的热表面温度是一种危险的点燃源, 爆炸性危险气体与高于其自燃温度的热表面接触就可能引起爆炸。因此, 在设计本安电路时应根据要求的温度组别合理选择内部连接导线截面以及元器件额定参数, 以限制最高表面温度的产生, 满足仪表使用场所可能出现的危险气体的最低引燃温度高于该仪表的温度组别对应温度。在工作实践中, 逐台进行温度测量的仪表, 其允许的最高表面温度不得高于电气设备温度组别中的规定值。不是逐台进行温度测量的仪表, 其允许的最高表面温度, 对于T1T2, 不得高于电气设备温度组别中的规定值减10 ;对于T3T4T5T6, 不得高于电气设备温度组别中的规定值减5

一般情况下, 经可靠设计的本安仪表在正常工作条件下, 元件或导线通常不会产生高于引燃温度的表面温度。但是当考虑两个故障作用时 (对于ia本安仪表而言) , 仪表的电阻或半导体器件可能会受到远高于正常工作条件下的电压和电流。因此, 在设计时, 应主要考虑故障条件下可能产生的导线或元件的表面温度, 并通过分析计算或实际测量得出最高表面温度。必要时, 可借助于各种散热技术来达到降温目的。实践中, 有时采用浇封措施来降低元件或导电器件的表面温度, 此时要求浇封剂的体积及其最小厚度应至少使被浇封元件或导电部件的表面温度降到要求的温度, 且浇封剂的额定运行温度应不低于浇封剂接触的最热元件或导体部件的表面温度。

此外, 对于T4温度组别, 我们通常也可根据配用关联设备的最大输出功率P0、电路中元件表面积和环境温度按表2进行判断。

2 T4温度组别判别规则 导出到EXCEL


 
总表面积 (不包括引线)

T4温度组别要求




  <20 mm
2

表面温度≤275 ℃


  ≥20 mm
2

P0≤1.3   W, 40 ℃


P0≤1.2   W, 60 ℃


P0≤1.0   W, 80 ℃


  20 mm
2总表面积<10   cm2

表面温度≤200 ℃



窗体顶端

窗体底端

3 简单设备与简单电路

3.1 简单设备

对于电压不超过1.2 V, 电流不超过0.1 A, 且其能量不超过2O μJ或功率不超过25 mW的电气设备或部件, 经国家指定的检验单位认可后, 不须持有防爆合格证书即允许直接使用于工厂爆炸性气体环境中。我们通常把这类电气设备或部件叫做简单设备。它们包括热电偶、热电阻、热敏电阻、发光二极管、光电池等。尽管这些设备本身不会产生足以点燃危险气体的能量, 但是当它们与其他配套仪表一起使用构成本安系统时, 一方面应配用合适的关联设备, 以保证危险电火花能量不致于带到处于危险场所的简单设备端;另一方面这些简单设备至少应同时满足GB 3836.1-2000标准中规定的下列基本安全要求:外壳材料含镁量或塑料表面电阻的要求;金属外壳接地的要求;电气间隙爬电距离的要求;500 V 绝缘 (配齐纳安全栅时) 的要求;外壳防护等级的要求 (至少为IP20)

关于简单设备的温度组别, 若简单设备使用在正常额定范围内及在40 最高环境温度的本质安全电路内时, 对于Ⅱ类的应用场所, 开关、插头、插座和端子, 其温度组别可认定为T6。对于其它简单设备应按相关要求进行确定。

当简单设备作为含在其它电路的设备的部件时, 应随整机电路一起进行评定。

这里需要补充说明的是常用于气体浓度检测的电化学传感器并非一定是简单设备。通常, 电化学传感器可视作为一个容性有源元件, 其可能产生的电能与气体种类及其在空气中的浓度有关, 且其输出特性还取决于气体浓度、温度和湿度等因素。据资料, 对于基于电化学原理的氧传感器 (0%100%) , 其可能产生的开路电压为0.9 V, 负载电流为10 mA, 短路电流为500 mA, 最大功率可达112.5 mW;对于基于电化学原理的毒性气体传感器, 其可能产生的开路电压为1.25 V, 负载电流为50 mA, 短路电流为1 A, 最大功率可达300 mW。很显然, 这些参数值已远远超出了简单设备的定义。但是, 如果这些传感器仅仅以完全独立的电路形式应用时, 即电路中没有其它供电电源时, 它们仍可评定为简单设备;反之, 如果它们集成于其它带有供电电源的电子电路时, 整个电路的本质安全性能的评定除应考虑电路本身的供电电源外, 还必须同时考虑来自电化学传感器可能产生的电参数的叠加影响。

3.2 简单电路设计示例

3.2.1 简单电阻电路

如图1所示, 找出一个与28 V直流电源相串联的限流电阻的最小值, 使该电路适用于氢气危险场所。

图1 简单电阻电路

1 简单电阻电路   下载原图

首先, 应明确该电路属于电阻性电路, 且要求该电路能适用于Ⅱ类C级危险场所。考虑电源波动10%的因素, 电源E=28 V×1.1=30.8 V, E=31 V。查ⅡC曲线可知:电源电压为31 V, 最小点燃电流为140 mA, 取安全系数1.5, 则其最大允许电流=最小点燃电流/安全系数=140 mA/1.5=93.3 mA, 由此可得出与28 V直流电源串联的最小电阻值为31.0 V/93.3 mA=332 Ω, 考虑该电阻器允许误差±5%, 限流电阻至少为349 Ω

当该电源组件直接用于危险场所时, 还必须采取整体浇封或其它等效的附加措施, 以防止电池不经电阻直接短路。

3.2.2 简单电感电路

为了详细说明简单电感电路设计、分析程序, 现在来分析一下图2所示的简单电感电路。假设该电路准备用在ⅡC级爆炸危险场所, 电路由20 V的蓄电池与适当安全可靠元件300 Ω的限流电阻组成的电源, 并向一个1 100 Ω100 mH的电感器馈电。

图2 简单电感电路和电容电路

2 简单电感电路和电容电路   下载原图

该示例中, 300 Ω 1 100 Ω取为最小值, 100 mH取为最大值。对于该电路需分别进行两个单独评定:须保证电源本身是本安型的;须考虑连接负载的影响。

① 电源的评定步骤

首先, 取限流电阻最小值300 Ω。就电阻本身而言, 这是最坏的情况。

如果该电阻不能满足关于可靠元件的规定要求, 那么应用一个故障规定可组成其新的等效电路, 此时, 等效电路中的电阻认为是短路的。当具有这类故障时, 电源就认为不是本安型的。

蓄电池的最高电压应从测量许多新蓄电池的开路电压来确定, 且应取充电后瞬间测得的电压最高值。在以下讨论中, 假定蓄电池的最高电压为22 V, 则最大短路电流是22 V/300 Ω= 73.3 mA

其次, 由于电路是电阻性的, 根据标准规定, 安全系数取1.5, 并施加在电流上, 这时短路电流就增加到1.5×73.3 mA=110 mA

最后, 查ⅡC曲线, 在电压为22 V时对应的最小点燃电流为315 mA, 它远大于110 mA。因此, 从火花点燃的观点可知, 该电源是本质安全的。

② 负载的连接的评定步骤

首先, 如前所述, 假定蓄电池的最高电压为22 V。由于300 Ω1 100 Ω是最小值, 所以负载上流过的最大电流为22 V/ (300+ 1 100) Ω=15.7 mA。电路中无故障可加, 这是因为300 Ω电阻是可靠元件, 电感器的短路故障形成的电路即为上述考虑的电源电路。电感器的开路故障显然只会导致安全条件。

其次, 由于电路是电感性的, 根据标准规定, 安全系数取1.5, 并施加在电流上, 这时电路电流提高到1.5×15.7 mA=23.6 mA

最后, 查ⅡC 曲线 (对于电压低于24 V的情况, 也可使用最小点燃曲线) , 100 mH 电感器在电源电压为24 V时最小点燃电流约为28 mA, 该值大于23.6 mA 。因此, 可以判定, 该电路是本安型的, 可用于ⅡC级爆炸危险场所。

需要注意的是, 上述判定是以假定电感器为空芯电感器为前提的。如果电感器不是空芯的, 那么这样的判断只是近似的。这时有必要用火花试验装置对该电路进行火花试验, 以确定该电路是否真正满足本安防爆要求。

3.2.3 简单电容电路

简单电容电路是准备用在 I 类爆炸危险场所的, 电路由10 μF电容器、30 V蓄电池和可靠元件10 kΩ的限流电阻连接组成的。在图2示例中, 30 V 10 μF取为最大值, 10 kΩ取为最小值。对于该电路的分析, 也需分别进行两个单独判定:保证电源本身是本安型的;考虑有电容存在的情况。

① 电源的评定程序已经在简单电感电路示例中予以叙述, 这里就不再重复。

电源电路本身可很容易地判定为是本安型, 且其安全系数超过100倍。

② 电容器的评定步骤

首先, 蓄电池的最高电压为30 V, 电容器的最大电容值为10 μF。无需再加故障, 因为10 kΩ 电阻是可靠元件, 并且电容器无论是开路还是短路都会形成本例中所考虑的电源电路。其次, 由于电路是电容性的, 根据标准规定, 安全系数取1.5, 且安全系数施加在电压上, 这时电路电压提高到1.5×30 V=45 V 。最后, I类电容电路中 (C+0 Ω) 曲线 () , 在电压为45 V, 对应的不致于引起点燃的电容最大值为3 μF。因此, 可以判定电路中的10 μF电容不能满足本安要求。

为了使该电路满足本安要求, 可降低电路电压或减小电容值, 或者在 10 μF电容器上串联一个电阻可靠元件并将它们浇封为一体。查I类电容电路中 (C+0 Ω) 曲线, 对应10 μF的最小点燃电压为26 V。因此, 若电容不变, 则蓄电池电压应降低到26 V÷ 1.5=17.3 V ;另一种方法是电压不变, 即将电容值减小到1.5 μF;或者由于10 μF电容器串 5.6 Ω电阻可靠元件后的最小点燃电压约为48 V (大于45 V) , 故当把最小值为5.6 Ω的电阻可靠元件与电容器串联连接, 并浇封为一体后构成的新电路是本安型的, 可用于I类爆炸危险场所。

这里要特别指出, 在上述讨论中严格地说有一个问题被忽略了, 就是电容电路最小点燃曲线只考虑了与未直接连接在电源上的充电电容的关系。实际上, 假定所考虑的电源电路本身具有一个较大的安全系数 (如上述示例) , 则可应用这些电容电路最小点燃曲线。但如电源本身具有较小的安全系数, 则把它与电容器连接就可能出现一种怪现象, 即通过电容电路最小点燃曲线判定该电路虽具有本安性能, 但实际上却可能不是本安的。一般地, 这种电路用上述方法是不能作出可靠鉴定结论的, 必须用火花试验装置进行火花点燃试验。

MiFi项目框图

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电源设计

考虑极性保护、过电流保护、过热保护以及程序保护

 1、极性保护:直流开关稳压电源的输入一般都是未稳压直流电源。由于操作失误或者意外情况会将其极性接错,将损坏开关稳压电源。极性保护的目的,就是使开关稳压器仅当以正确的极性接上未稳压直流电源时才能工作。利用单向导通的器件可以实现电源的极性保护。最简单的极性保护电路如图1所示。由于二极管D要流过开关稳压器的输入总电流,因此这种电路应用在小功率的开关稳压器上比较合适。在较大功率的场合,则把极性保护电路作为程序保护中的一个环节,可以省去极性保护所需的大功率二极管,功耗也将减小。

2、过电流保护:当出现负载短路、过载或者控制电路失效等意外情况时,会引起流过稳压器中开关三极管的电流过大,使管子功耗增大,发热,若没有过流保护装置,大功率开关三极管就有可能损坏。故而在开关稳压器中过电流保护是常用的。最经济简便的方法是用保险丝。由于晶体管的热容量小,普通保险丝一般不能起到保护作用,常用的是快速熔断保险丝。这种方法具有保护容易的优点,但是,需要根据具体开关三极管的安全工作区要求来选择保险丝的规格。这种过流保护措施的缺点是带来经常更换保险丝的不便。

 在线性稳压器中常用的限流保护和电流截止保护在开关稳压器中均能应用。但是,根据开关稳压器的特点,这种保护电路的输出不能直接控制开关三极管,而必须使过电流保护的输出转换为脉冲指令,去控制调制器以保护开关三极管。为了实现过电流保护一般均需要用取样电阻串联在电路中,这会影响电源的效率,因此多用于小功率开关稳压器的场合。而在大功率的开关稳压电源中,考虑到功耗,应尽量避免取样电阻的接入。因此,通常将过电流保护转换为过、欠电压保护。

3、过热保护:开关稳压器的高集成化和轻量小体积,使其单位体积内的功率密度大大提高,电源装置内部的元器件对其工作环境温度的要求也相应提高。否则,会使电路性能变坏,元器件过早失效。因此在大功率开关稳压器中应该设过热保护。

4、程序保护:开关稳压电源的电路比较复杂,基本上可以分为小功率的控制部分和大功率的开关部分。开关晶体管则属大功率,为保护开关晶体管在开启或关断电源时的安全,必须先让调制器、放大器等小功率的控制电路工作。为此,要保证正确的开机程序。开关稳压器的输入端一般接有小电感、大电容的输入滤波器。在开机瞬间,滤波电容器会流过很大的浪涌电流,这个浪涌电流可以为正常输入电流的数倍。这样大的浪涌电流会使普通电源开关的触点或继电器的触点熔化,并使输入保险丝熔断。另外,浪涌电流也会损害电容器,使之寿命缩短,过早损坏。为此,开机时应该接入一个限流电阻,通过这个限流电阻来对电容器充电。为了不使该限流电阻消耗过多的功率,以致影响开关稳压器的正常工作,而在开机暂态过程结束后,用一个继电器自动短接它,使直流电源直接对开关稳压器供电,如图2所示。这种电路称之谓开关稳压器的“软启动”电路。

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注意事项

  考虑元件选择在本安规范内参数。

测试项目:input current test (输入电流测试)、durability of marking test (标签的耐久性测试)、energy hazard in operator access area (能量危险测试)、discharge of capacitors (一次电路的电容器放电测试)、selv limits for normal conditions (正常工作条件下的安全低电压测试)、selv limits for abnormal conditions(故障条件下的安全低电压测试)、limited current circuits (bridging components) (限流电路测试)、limited power sources (受限制电源测试)、resistance of earthing circuit (接地连续性测试)、humidity conditioning(潮湿处理测试)、working voltage over insulation (工作电压测试)、cord anchorages and strain relief test (软线固紧装置和应力消除试验)、stability test (10 tilting test) (稳定性测试)、steady force test, 250n (250n 的恒定作用力测试)

4. impact test (steel ball) (冲击测试)、drop test (跌落测试)、stress relief test (应力消除测试)、torque test (direct-plug in over 450g) (直插设备扭力测试)、maximum temperature test (最大温升测试)、ball pressure test(球压测试)、touch current and pe current (漏电流测试)、electric strength test (抗电强度测试)、fault condition test(异常工作/故障条件测试)

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USB3.0接口ESD静电保护方案

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方案说明与注意事项

1、在USB3.0的电源线,数据线共用2颗TVS对地做防护,钳位静电电压

2、该TVS管的结电容小于0.8pF,满足USB3.0的高速传输

3、反应时间为ns级别,残压低

4、集成度高,占用PCB板小

2、该TVS管的结电容小于0.8pF,满足USB3.0的高速传输

3、反应时间为ns级别,残压低

4、集成度高,占用PCB板小

天线保护

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设计考虑因素

使用极低电容(0.35 pF)的解决方案可轻松设计天线匹配电路

选择电气参数合适的击穿电压

为了使天线电路保持出色的信号完整性,必须避免互调失真。为此,请使用二极管电容电压依赖性极小的保护二极管。

确保设计符合法规要求:IEC61000-4-2要求ESD稳健性高达10 KV/16KV

在紧凑小巧的系统中,DFN1006-2 (SOD882) / DSN0603-2 (SOD962)等超小封装能够有效节省空间

无线WiFi电路

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WIFI产品测试项目:

           1,6DB带宽(6DBBANDWIDTH)

           适用标准:PART15.247SECTION(a).(2)

           要求:大于500KHZ。

           2,最大传导输出功率(CONDUCTEDOUTPUTPOWER)

           适用标准:PART15.247SECTION(b).(3)

           限值要求:1W

           3,边带测试(BANDEDGE)

           适用标准:PART15.247SECTION(d)

           限值要求:100KHZ边带以外的杂散必须低于工作带内最高工作点20DB以上

           4,输出功率密度(POWERSPECTRALDENSITY)

           适用标准:PART15.247SECTION(e)

           限值要求:8DB/3KHZ

           5,限制带宽(RESTRICTBAND)

           适用标准:PART15.247SECTION(d),PART15.205C

           限值要求:PART15.209


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