摘 要： 本文针对井下通信系统的电源配置进行了全面的分析和研究。按照电信电源的基本要求，结合煤矿实际情况，首次对井下通信系统交换机的电源结构、供电形式、电磁兼容、防雷及接地等进行了全面的分析和研究，设计了井下通信基站本质安全防爆直流开关稳压电源及备用电源系统，给出了完整的设计步骤和计算方法，并进行了电路实验，验证了电源系统的合理性和结论的正确性。
关键词： 煤矿用直流稳压电源 井下通信专用开关电源本质安全
1.引言
煤矿用直流稳压电源是保证煤矿监控系统安全、有效、准确工作的重要设备。它广泛应用于井下通讯、信号采集处理、过程监控等环节，它的技术先进性、功能适应性，以及产品的质量对整个系统的可靠性和性能价格比有着重要的影响。根据资料显示，电子设备的故障大约70%是由于电源引起的［１］。所以，直流稳压电源的性能将直接影响煤矿的安全生产。
2.通信电源系统及电磁兼容和防雷设计
通信电源系统由交流供电系统、直流供电系统和接地系统组成，交流供电系统由主用交流电源、备用交流电源、高压开关柜、电力降压变压器、低压配电柜、低压电容器屏和交流调压稳压设备及连接馈线组成的供电总体［２］。由整流设备、直流配电设备、蓄电池组、直流变换器、机架电源设备和相关的配电线路组成的总体称为直流供电系统［３］。
根据对象不同，可采取不同的供电方式，主要供电方式有：整流器独立供电方式，也称没有蓄电池的直流供电方式。电信系统经过整流器，从市电直接获得直流电的供电。高频开关整流器，也称无工频变压器整流器［４］，主要有三部分组成：主电路、控制电路和辅助电源。
电磁兼容（EMC）是表示一种状态的特征，即各种电气设备正常工作互不干扰，它们对其它电气设备不产生电磁干扰，并具有抗外界电磁干扰的能力，因而在同时运行时，各自的功能不受到影响，同时也不受到自然电磁现象［５］，如闪电雷击的影响。
电磁骚扰分为传导骚扰和辐射骚扰。
（1）骚扰限值
电源端口传导骚扰值。当采用准峰值检波测试仪所测试的骚扰值不大于平均值限值时，则认为受试单元满足了两种极限值，就不必在用平均值检波测试仪进行测试。如果测试仪上所示读数在极限值附近波动，则读数的观察时间不少于15s，记录最高读数，孤立的瞬间高值读数忽略不计。电信电源设备信号/控制端口的传导骚扰限值待定。
（2）辐射骚扰限值
在电源系统中经常受到过电压的干扰，过电压产生于下列主要原因。
（1）雷电过电压，包括受直击雷和感应雷产生的雷电过电压。
（2）电源系统内部过电压，包括工频过电压、操作过电压和谐波过电压。
按照YD5078―98通信行业标准《通信工程电源系统防雷技术规定》根据电源设备安装地点条件和额定工作电压的不同，在电信工程中，电源系统按耐雷电冲击指标分为5类。氧化锌压敏电阻是电信电源设备主要采用的避雷器，由于它性能优越、结构简单、小型可靠，得到广泛应用，并有替代过去使用阀式避雷器的趋势。压敏电阻的规格以压敏电阻值和耐流能力表示。主要技术指标有冲击击穿电压、残压和耐流能力，与放电管比较，响应速度快，耐流能力可达10 K（8/20 μs电流波形）。
作为本质安全防爆开关电源，其设计和评价本质安全电路的基本依据是电火花的最小点燃能量。当电路中的电火花能量达到一定数量级时，将会引燃爆炸性混合物，造成不可估量的损失。因此，在设计本质安全防爆开关电源时，必须严格按照本质安全防爆的要求进行设计，也就是其放电火花能量不能大于最小点燃能量。
3.电信电源设备和系统的可靠性分析
可靠性就是在规定的条件下和规定的时间区间内完成规定功能的能力。可靠性对于电信十分重要，这是因为电信设备乃至由它构成的电信系统日趋电子化，电信设备乃至由它构成的电信系统越复杂，出现故障的概率越高。
可靠度，产品在规定的条件下，规定的时间内，完成规定功能的能力的概率称为该产品的可靠度。
（1）平均失效率
λ（t）==
将上式改写成微分方式，得到：
λ（t）=-
（2）平均寿命与平均维修时间。使用寿命是产品在规定的条件下从规定时刻开始，到失效密度变到不可接受或产品的故障被认为不可修理时的时间区间。
根据可靠度的定义，一种产品在t时刻内正常工作的概率为R（t），则按照统计理论，该产品寿命的数学期望值亦即使用寿命T可表示为：
T=?蘩R（t）dt=?蘩edt=
电信电源系统的可靠性估算。
对于电源系统，则要根据具体的电路结构、构成系统各种电源设备在考察情况下的可靠性用估算的方法估算其可靠性。为此，必须把物理结构的供电系统图，改变成表示构成电源系统的各个部分在电路中关于可靠性的逻辑关系的方框图。其供电方框图如图1所示。
（1）交流电源部分的稳态不可用度U和平均恢复前时间MTTR。二类市电的年稳态不可用度应小于3×10，平均故障持续时间应不大于6h；柴油发电机组运行过程中的故障率极低，其平均失效间隔时间MTBF应不小于600 h，远低于启动失败率，可靠性估算中可予忽略。由于市电与柴油发电机组并联，再与交流配电屏串来联，先计算并联柴油发电机组的U。
计算市电与柴油发电机组并联的MTTR为：
MTTR===0.462
由于市电与柴油发电机组并联后，再与交流配电屏串联，故交流电源部分的平均恢复前时间MTTR为：
MTTR=
==0.534
（2）整流器以前部分的稳态不可用度U和平均恢复前时间MTTR。首先计算两台整流器并联的稳态不可用度Uzs。
单台整流器的平均失效间隔时间MTBF为5×10 h。由以下公式可求出单台整流器的MTTR：
U=
MMTR==0.33（h）
由于两台整流器并联，故：
MTTR=×0.33=0.165（h）
交流电源部分与整流器串联，故整流器以前部分的稳态不可用度U为：
U=U+U=4×10+ 4.356×10≈ 4×10
整流器以前部分的MTTR为：
MTTR=
==0.534
4.主电路设计
4.1充放电控制电路的设计
系统选择的STSR12M7.0AT型蓄电池在使用时要防止过充电和过放电，一般限制在±10%左右的额定电压以内。对于12 V的铅酸蓄电池，其充电电压最高为13.2 V，最低放电电压为10.8 V，三个12 V铅酸蓄电池串联使用时，则最高充电电压为39.6V，最低放电电压为32.4 V。
4.2DC/DC变换器的设计
AC/DC是交流和直流连接部，此时的额定电压为220/380ACV，模拟雷电压冲击波电压峰值为2.5kV（1.2/50μs），模拟雷电流冲击波电流峰值为1.25 kA（8/20 μs）。选择相应的避雷器产品满足其要求［６］。
单片开关式集成稳压器被誉为新型高效节能稳压电源，其电源效率可达90%以上。由于它把开关电源所需的基准电压源、锯齿波发生器、脉宽调制器（PWM）、功率输出级（即开关功率管）和各种保护电路全部集成在芯片中，实现了单片集成化，因此它在各种开关电源中的集成度最高、功能最全、性能优良而外围电路非常简单［７］。
5.结语
煤矿用直流稳压电源是保证煤矿监控系统安全、有效、准确工作的重要设备。长期以来一直是井下监控系统稳定、可靠工作的关键所在。它广泛应用于井下通讯、信号采集处理、过程监控等环节，它的技术先进性、功能适应性，以及产品的质量对整个系统的可靠性和性能价格比有着重要的影响。
本文创新点：针对煤矿井下湿度大、矿尘大、电磁干扰大，以及空间小、工作场所分散等这些特殊要求，设计了井下通信专用开关电源，符合本质安全型输出的要求，特别是本质安全信号在传输电缆断裂等各种故障情况下，均不能导致燃烧和爆炸事故的发生。还可在75%―115%的输入电压范围内能稳定工作，并有足够的功率输出，满足不间断供电，安装使用也比较方便，可靠性和供电质量都非常高。
参考文献：
［1］户永清.高性能开环直流稳压器设计［J］.微计算机信息，2006，（02）.
［2］张立森，王立志，邵一丹.基于CMOS的开关电容DC-DC降压变换器［J］.微计算机信息，2007，（20）.
［3］朱雄世．新型电信电源系统与设备．人民邮电出版社，2002.
［4］李爱文．现代通信基础开关电源的原理和设计．科学出版社，2001.
［5］白同云，吕晓德．电磁兼容设计．北京邮电大学出版社，2001.
［6］张卫平等．绿色电源―现代电能变换技术及应用．科学出版社，2001.
［7］王英剑，常敏慧，何希才.新型开关电源使用技术.电子工业出版社，1999.
注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
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