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本安電路設計方法

2022-09-18 20:55:56 bqg52503721 298

目錄

本安電路設計方法背景資料... 1

本安電路設計基本原則... 2

1 本安儀表基本設計要求... 8

2 本安電路設計... 9

3 簡單設備與簡單電路... 15

MiFi項目框圖... 19

USB3.0接口ESD靜電保護方案... 24

方案說明與注意事項... 25

天線保護... 25


本安電路設計方法背景資料

下列文件中的條款通過本標準的引用而成為本標準的條款。凡是注日期的引用文件,其
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版本適用于本標準。


GB/T 2829-2002 周期檢驗計數抽樣程序及表(適用于對過程穩定性的檢驗)
GB 3836.1 爆炸性氣體環境用電氣設備 第 1 部分: 通用要求(GB3836.1-2000, eqv IEC
60079-0:1998)
GB 3836.2 爆炸性氣體環境用電氣設備 第 2 部分:隔爆型“ d”(GB3836.2-2000,eqv
IEC 60079-1:1990)
GB 3836.3 爆炸性氣體環境用電氣設備 第 3 部分:增安型“ e”(GB3836.3-2000,eqv
IEC 60079-7:1990)
GB 3836.4 爆炸性氣體環境用電氣設備 第 4 部分:本質安全型“i”(GB3836.4-2000,
eqv IEC 60079-11:1999)
GB 4208 外殼防護等級(IP 代碼)(GB 4208-1993,eqv IEC 529:1989)
GB/T 5080.1-1986 設備可靠性試驗 總要求(idt IEC 605-1:1978)
GB/T 5080.7 設備可靠性試驗 恒定失效率假設下的失效率與平均無故障時間的驗證
試驗方案(GB/T 5080.7-1986,idt IEC 605-7:1978)

GB 12173 礦用一般型電氣設備(GB 12173-1990,neq ΓΟСТ 24754:1981)
GB/T 17626.3-2006 電磁兼容 試驗和測量技術 射頻電磁場輻射抗擾度試驗(idt IEC
61000-4-3:1995)
GB/T 17626.4-1998 電磁兼容 試驗和測量技術 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(idt IEC
61000-4-4:1995)
GB/T 17626.5-1999 電磁兼容 試驗和測量技術 浪涌(沖擊)抗擾度試驗(idt IEC
61000-4-5:1995)
MT/T 286 煤礦通信、自動化產品型號編制方法和管理辦法
MT/T 899 煤礦用信息傳輸裝置

防爆電氣產品以本質安全型產品最多,本安型電氣設備是一種內裝本質安全電路的設備,它包括設備和電路,還可以包括關聯設備以及連接電纜,是石油、化工、煤炭等存在可燃性氣體場合中廣泛應用的設備。本安型電氣設備由于具有體積小、重量輕、安全可靠等優點。

本安電路設計基本原則

本安型電氣設備是指該設備的全部電路,在規定的試驗條件下產生的電火花或熱效應均不得點燃規定的爆炸性氣體混合物的電氣設備。

在該定義中:

規定的試驗條件指用代表性氣體、加安全系數采用標準試驗裝置并考慮正常工作和規定的故障條件等;

電火花指電容性電路的放電、電感性電路的開路放電、電阻性電路的導通和斷開放電及熾熱導線的熔斷;

熱效應指導線束的發熱、灼熱發光的燈絲和元件表面高溫。

根據本安型電氣設備的定義,在本安電路設計時可遵循下面幾個原則:

本安電路與其他電路適當隔離

我們知道,本安型電氣設備主要靠自身的電路參數來保證它的防爆安全性能的,因此本安型電氣設備和關聯設備的本質安全部分原則上不需要外殼進行保護,但實際使用中為了防止可能遭受外部侵害,則需要采取外殼保護措施。采取的外殼保護措施有機械隔離和電氣隔離。

機械隔離通常采用的是電纜(或電線)直接連接在它的接線端子上,或者用插頭 - 插座方式插接連接。

接線端子設計,應滿足以下要求:

a.接線端子應采用導電性能好、機械性能好的材料制成,如黃銅。且端子的結構要保證導線連接可靠,不發生松動。

b.本安電路接線端子之間、本安電路接線端子與非本安電路接線端子之間的電氣間隙和爬電距離應該符合表1中規定要求。另外,在電路設計時要求外部導線連接后,導線裸露的帶電部分之間的電氣間隙不應該小于6mm,導線裸露的帶電部分與接地金屬導體之間的電氣間隙不應該小于3mm。

1   爬電距離、電氣間隙和間距

電壓(峰值)V

10

30

60

90

190

375

550

750

1000

1300

1575

3300

4700

9500

15600

電氣間隙 mm

1.5

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

10.0

14.0

16.0





通過澆封混合物的距離

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

通過固體絕緣的間隙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

空氣中的爬電距離mm

1.5

2.0

3.0

4.0

8.0

10.

15.

18.

25.

36.

49.





涂層下的爬電距離mm

0.5

0.7

1.0

1.3

2.6

3.3

5.0

6.0

8.3

12.

13.3





相比漏電起痕指數CTI

Ia


100

100

100

175

175

275

275

275

275

275





Ib


100

100

100

175

175

275

175

175

175

175





注:除間隔距離以外,目前沒有提出高于1575V的規定值。

   在電壓低于10V時,絕緣材料的相比漏電起痕指數不需要規定。

c.本安電路接線端子與非本安電路接線端子之間,應該設置必要的隔離措施,以防止接線松脫出現“搭線”現象。這種措施有兩種形式:

i.本安電路接線端子與非本安電路接線端子之間至少相隔50mm間距;

ii.本安電路接線端子與非本安電路接線端子之間采用隔板進行隔離,這種隔板可以是接地金屬板,也可以是非金屬隔板。

在設計插頭與插座連接時,原則上,在未連接的情況下,插頭應連接在非帶電側,插座應連接在帶電側,并且插接后應該鎖緊。

電氣隔離

電氣隔離指元器件采用電氣隔離措施而保證非本安的能量或其它電路能量不能影響本安電路特性。這種電氣隔離能將本安電路與非本安電路可靠分隔。

根據電路特點和需要,可采用下列方法(之一)進行電氣隔離:

a.變壓器隔離

這種方法一般是作為交流信號或脈沖信號的轉換隔離,是比較簡單的,只要按其本安側的參數進行計算或附加一下保護環節,即可達到把本安電路與非本安電路電氣隔離的目的。變壓器必須滿足以下要求:

在電源變壓器中,向本安電路供電的所有繞組同其它繞組應該可靠地隔離,設計人員可采用下列兩種結構進行隔離。

i. 向本安電路供電的所有繞組和其它所有繞組并列地布置在鐵芯的的一個芯柱上,或者,將向本安電路供電的所有繞組和其它所有繞組分別布置在不同的芯柱上。不管哪種方式,繞組之間都必須按照表1中的規定進行可靠的隔離。

ii.在向本安電路供電的所有繞組和其它繞組之間進行接地屏蔽隔離,這種情況下,接地銅箔的厚度或接地繞組導線的直徑,應能夠承受電路中保護熔斷器或斷路器動作時流過的電流而不損壞。接地銅箔的厚度或接地繞組導線的直徑必須符合表2規定。

2  屏蔽的最小金屬箔厚度或最小導線直徑與熔斷器額定電流的關系

熔斷器額定電流      A

0.1

0.5

1

2

3

5

金屬箔屏蔽厚度    mm

0.05

0.05

0.075

0.15

0.25

0.3

導線屏蔽直徑      mm

0.02

0.45

0.63

0.9

1.12

1.4

b.可靠電阻隔離

利用可靠電阻,可以降低電壓減小電流使非本安電路與本安電路隔離。

c.隔離電容器

隔離電容器主要用于非本安電路與本安電路之間、本安電路與本安電路之間的隔離,其功能是傳遞檢測信號,隔離直流危險電位。它由兩個參數相同的電容器串聯而成,它的額定電壓應該為電路中可能出現的最高電壓的1.5倍值。

d.熔斷器

在本安電氣設備中,當熔斷器被用來保護相應電路時,則熔斷器應該能夠連續地通過1.7In的電流(In熔斷體的額定電流)。

e.繼電器

繼電器也可以把本安電路和非本安電路隔離。它多用于控制或傳遞回路中,在使用繼電器時,必須滿足下列要求:

i. 非本安電路觸點的開閉回路不超過5A(有效值),250V(有效值)或100VA,其電氣間隙、爬電距離應該符合表1規定要求。

ii.當繼電器觸頭損壞時,觸點不允許脫落,也不允許因其故障而影響本安電路和非本安電路隔離的可靠性。

iii.繼電器繞組應能承受其連接處的最大耗散功率。

f.安全柵隔離

安全柵隔離是設置于本安電路和非本安電路之間最常用的可靠的隔離組件,它能阻止危險能量進入到危險區。

對于“ia”等級本安電路用的安全柵,不允許采用可控半導體器件進行隔離。對于二極管安全柵應該滿足下列條件:

i.至少裝二只二極管,并且至少設置兩個獨立的接地端子,而且每個接地端子能夠連接截面積不小于4mm2的絕緣導線。

ii.二極管安全柵的試驗除檢查電路組裝及相應的輸入、輸出端子的正確性外,主要是檢驗電路中所用二極管的性能指標。

g.光電耦合器

一般在電路功能允許的情況下,盡量采用光電耦合器進行本安電路與非本安電路的隔離。尤其是對不同負載采用光電耦合器隔離,方法簡單,可靠,同時可減少許多防爆性能試驗。

在使用光電耦合器件對本安電路和非本安電路進行隔離時,應該在非本安電路的終端配置適當的保護環節,以保證非本安電路的電壓和電流不超過光電耦合器件的額定值的2/3。

本安電路在規定的條件下,其任何元件的熱效應均不能點燃規定的爆炸性氣體混合物

在設計本安電路時必須以最不利的工作條件和故障狀態下,利用已知元件的熱特性以及在適當的故障條件下可能承受的最大功率來計算或測定該元件的表面溫度,判定是否滿足允許的溫度要求。

對設備內導線的選擇要考慮導線自身的發熱溫度,也就是說,要考慮導線最大允許通過的電流。

在一般情況下,對于銅導線,對應于最高導線自身發熱溫度的最大允許電流可從表3獲得。

3   銅導線的溫度組別(最高環境溫度為40℃時)

導線直徑

mm

導線截面積

mm2

溫度組別的最大允許電流A

T1~T4和I類

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:給出的最大允許電流值是交流有效值或直流值(A)。

           對于絞合導線,截面積為所有絞合導線的總截面積。

           該表也適用撓性扁平導線,例如帶狀電纜,但不適用印刷電路導線。

           直徑和截面積為標稱尺寸。

           當Pi不超過1.3W時,可以判定導線為T4溫度組別,并且對于I類也是允許的。

對于金屬導線也可用下列公式計算:

       I = If[t(1+αT)/T(1+αt)]1/2

式中,I – 最大允許電流,A

     If – 導線在40℃環境溫度時的熔化電流,A

     t – 自熱導線溫度和環境溫度,℃

     T – 導線熔化溫度,℃(對于銅為1083℃)

     α  – 導線材料的電阻溫度系數(對于銅為0.004265K-1

對于本安電路,應根據其電氣設備規定的等級(“ia”級,“ib”級)進行試驗和評定,其任何電火花不得引燃規定的爆炸性氣體混合物

這一原則是指其電路在正常工作或故障狀態產生的電火花,不得點燃規定的爆炸性氣體混合物。該原則是本安電氣設備最基本的本安特征。電火花是指設備在正常工作狀態下和故障狀態下,電器元件、連接導線、插接件等的斷路或短路而產生的火花。只有保證這些電火花不能點燃規定試驗氣體的情況下,方可判定電路為本安電路。

1 本安儀表基本設計要求

本安儀表的設計主要包括電路和結構設計, 這是實現儀表本安防爆性能不可分割的兩個方面。本安儀表應滿足三個基本要求:

必須把本安與非本安電路完全、可靠地隔離??赏ㄟ^加大電氣間隙和爬電距離、加強電氣絕緣等方法來實現電路隔離, 防止本安與非本安電路間的擊穿, 確保本安電路的防爆性能。

本安電路中所有元器件或導線的最高表面溫度須不大于所規定的組別溫度要求, 以避免熱效應點燃爆炸性氣體混合物。根據熱效應原理, 限制元器件或導線的最高表面溫度和通過限制相應故障條件下加到元件上的最大功率的辦法來實現。

電路在規定等級、級別相對應的試驗條件下進行試驗評定時, 不得點燃相應的爆炸性氣體混合物。通過控制電路的電參數 (如減小電感和電容等儲能元件參數) , 或降低電路電流和電壓, 使電路達到本安防爆要求。電路中元器件要有足夠的功率, 連接導線應具有足夠截面, 以使電路在各種故障條件下可能產生的高電壓和大電流作用下不會破壞元件性能, 通過元件的可靠性來保證電路的可靠性。

2 本安電路設計

2.1 最小點燃曲線

最小點燃曲線包括最小點燃電流曲線和最小點燃電壓曲線, 它們是在環境溫度為-20+40 、大氣壓力≤0.1 MPa (一個大氣壓或接近一個大氣壓) , 同時在氣體最易點燃濃度下, IEC 標準火花試驗裝置作出的。最小點燃曲線是設計本安電路和評定電路本安性能的主要依據之一, 但這些曲線具有一定的使用局限性, 在應用時應注意下列事項。

本安設備使用環境必須滿足:環境溫度為 -20+40 ;環境大氣壓力為86106 kPa;環境空氣含氧量必須<21%。

最小點燃曲線只適用于線性電路。

電阻性電路是指電感小于1 mH的電路;電感性電路是指電感大于l mH的電路。

電容最小點燃曲線, 僅反映電容本身放電的點燃情況, 并不包括電源的作用。在進行本安電路設計時, 應根據電路的實際情況, 考慮到電源作用的附加影響。

最小點燃曲線是反映點燃爆炸性氣體混合物的臨界參數。這些參數通常不能直接使用, 使用時應考慮相應的安全系數, 即將查得的最小點燃電流 (或電壓) 值除以相應的安全系數, 用等式可表示為:

設計最大允許電流 (電壓) =最小點燃電流(電壓)電流(電壓)安全系數=最小點燃電流(電壓)電流(電壓)安全系數 (1)

當安全系數施加在能量上時, 則有:

電流 (電壓) 安全系數=(能量安全系數)???????√=(能量安全系數) (2)

通常, 電阻性和電感性電路用減小電流值作為安全系數;電容性電路用減小電壓值作為安全系數。

鎘和鋅是電線或電纜防腐常用的材料。包括電線或電纜在內的本安系統電路中將不可避免地存在鎘和鋅。因此, GB 3836.4-2000依據最新IEC標準取消了原GB 3836.4-1983標準中給出的不含有鎘、鋅、鎂、鋁的最小點燃曲線。

2.2 本安電路設計分析程序

通常情況下, 本安電路的設計或分析, 應遵守下列程序:在元件的容差、供電電壓波動、絕緣故障和元件故障等情況 (即正常工作和故障狀態) , 確定出最壞的實際電路參數; 根據電路型式以及電氣設備等級, 考慮相應的安全系數以及安全系數施加規則, 推導出適用于采用火花試驗裝置進行試驗和評定的修改電路;根據最小點燃曲線, 檢查修改電路參數是否滿足本安防爆要求。

2.3 正常情況分析

正常工作情況應包括:供電電壓取制造廠設計規定值的1.1;本安電氣設備或關聯設備的額定環境條件應取其最不利的狀態, 如采用晶體管作限流安全柵應考慮其在使用溫度下限時的限流值作為安全柵的最大短路電流, 齊納二極管的最高齊納電壓應取其在使用溫度上限時的穩壓值;在最不利的組合條件下所有元件的容差。如在評定齊納安全柵中, 穩壓管在考慮正偏差、限流電阻時, 還應考慮負偏差這樣的組合條件來決定安全柵的最高輸出電壓和最大輸出電流;各種整定元件應處于最不利的位置;受檢本安電路的接通和斷開, 屬于正常工作狀態的一個部分, 不能算作故障狀態。

2.4 電路故障狀態分析要點

本安電路故障分析應考慮:電路的故障分析, 應當考慮到火花點燃源以及熱點燃源。其中火花點燃源包括:電容性電路的放電、電感性電路的開路、電阻性電路周期性的接通和斷開、靜電火花。而熱點燃源包括:小型儀表導線的發熱、灼熱發白的燈絲、元件的表面高溫。②電路的分析, 應分別考慮正常工作、一個故障和兩個故障的情況, 并考慮相應的安全系數。③電路的故障條件應選擇最惡劣的情況, 包括元件參數的極端情況。④由一個故障引起的一系列故障只能算作一個故障。⑤在可靠連接和隔離不是澆封或沒有涂覆絕緣清漆覆蓋時, 或不能保持不低于IP20等級外殼完整性, 同時連接件暴露時, 則用火花試驗裝置對這些連接和隔離電路進行接通和斷開試驗, 應視作對正常工作狀態的檢驗, 不應算作故障。如關聯設備輸出短路或接地, 不應算作故障。⑥符合可靠元件或組件設計要求和具有規定的電氣間隙以及爬電距離的保護性元件, 應當視為不發生故障的元件。分析故障時, 不應考慮它們的故障或失效。⑦不符合本篇元件額定值所要求的元件故障, 認為是非計數故障。相反, 則應認為是計數故障。⑧半導體器件應考慮到短路和開路故障以及可能由其他元件故障引起的情況。對于表面溫度分組來說, 應考慮可能出現最大耗散功率條件下的半導體器件的故障。集成電路可能失效, 以致使在其外部連接之間存在短路和開路的組合。⑨考慮連接線開路故障, 以及由移動引起的脫落。 (10) 任何導線或印制電路導線, 包括它的連接的開路故障應認為是一個單獨計數故障。 (11) 對于小間隙的鑒定, 要在這個小間隙可能引起的最不利條件下進行。比規定的電氣間隙和爬電距離數值的1/3還小的間隙的短路不應視為故障。 (12) 對于使用電池的設備, 應當考慮到由于電池漏液而造成的腐蝕作用和導電通路。 (13) 對于僅僅有一個故障或無故障可產生的設備, 只要它在一個故障或正常情況下符合標準規定的要求, 就應被認為是可以接受為ia等級的設備。 (14) 按規定關聯設備的最大輸出參數對本安儀表進行的評定, 應算作一個故障。但即使是同一系統中的多個關聯設備均處于各自的最大輸出參數狀態, 最多也只能算作一個故障。

2.5 本安電路設計方法

通常, 本安電路的設計可根據電路的特點靈活應用下列不同的技術方法, 來滿足本安電路設計經濟、合理安全可靠的要求。

① 逐一解決法

這種方法通常適用于采用單一電源的電路。對于電路中的各儲能元件及可能的發熱元件可以通過分析, 分別予以逐一解決。

② 逐級限壓/限流法

這種方法通常適用于具有多個工作電源的電路。在設計時, 我們可以采取可靠的限壓箝位措施, 將具有不同工作電源電路的最高電壓分別予以控制。必要時, 還可依據實際的電路工況, 在箝位電壓下采取適當的限流措施, 以限制最大工作電流。然后, 再對各電路中的儲能元件及可能的發熱元件分析其安全性。這種設計方法既允許電路具有較高的電容、電感, 便于實現電路的基本性能, 同時也允許在較低工作電壓下的電路選用具有較低功率的元件, 便于本安設備實現小型化。

③ 電路分離法

這種方法通常適用于復雜電路, 且各功能電路之間本身是相互隔離的情況。尤其是對于采取逐一解決法和逐級限壓/限流法都不便于實現電路本安的情況, 我們可以借助于電路自身隔離的特點, 按照本安設計的基本要求, 通過對隔離元件的可靠設計, 首先使不同功能的電路實現可靠隔離, 然后依據逐一解決法和逐級限壓/限流法去完成電路的本安設計。

2.6 電容和電感儲能的抑制

抑制本安儀表電路中電容和電感元件的儲能是儀表實現本安防爆的首要解決的問題。電容和電感中的儲能可用公式表示為:

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

對于規定類別的爆炸性危險氣體都有其最小點燃能量。各典型氣體的最小點燃能量值如表1所示。

1 各類級別爆炸性氣體混合物最小點燃能量 導出到EXCEL


 
類別

級別

最小點燃能量W0/mJ





  Ⅰ

甲烷

0.280


  Ⅱ

?????A?B?C?{A?B?C?

0.200
  0.060
  0.019




窗體頂端

窗體底端

當電容或電感中的儲能超過相應類別的最小點燃能量時, 電路一旦發生故障, 爆炸性危險氣體混合物就有可能被點燃而產生爆炸。因此, 如何抑制本安電路中電容和電感的儲能到安全水平是本安電路設計的關鍵。

從式 (3) 中不難看出, 設計人員可通過限制元件的端電壓或流過元件的電流就能有效地抑制其釋放能量。不過, 對于電路中的電感元件通常也可以在電感儲能元件兩端可靠地并接合適的齊納二極管、壓敏電阻、二極管等分流元件以吸收電感儲能。只要并接分流元件選擇恰當, 電感對外電路呈現的電感作用將大大降低。一般來說, 分流元件的動態電阻越小, 保護效果越好。試驗表明, 并接二極管的電感元件的等效電感可減小到原電感值的1/101/100。市場上的大多數本安電磁閥、電氣轉換器和閥門定位器等產品都是采用這一保護技術來實現本安的。當這種保護組件使用在爆炸性危險場所時, 應將元件和線圈一起澆封或其他等效措施以避免因線圈與保護元件之間斷開產生火花而點燃爆炸性危險氣體。

同樣, 對于電容儲能元件, 可通過并接齊納二極管、壓敏 電阻、穩壓管、二極管等限壓元件以限制電容兩端電壓、或串接限流電阻來限制電容放電速率。從而達到抑制電容儲能或釋放能量的目的。兩者相比, 后者顯得更為有效。舉例來說, 對于一個原有20 V電壓的電容, 在一定條件下電容器的電容量應限制在1.0 μF以內, 但是在相同條件下, 如它與一個5.6 Ω的電阻元件可靠串聯后, 則電容器電容量可增加到7.0 μF。如果串加電阻為15 Ω則電容量可增加到50 μF。而當串接電阻為40 Ω, 電容器電容量即使為無窮大電路也將具有本安性能。不過, 當這種阻容組件在爆炸性危險場所時, 應采取澆封或其它等效措施, 以保證電容兩端不會直接被短路。對于采取澆封的情況, 要求安裝元件的印制板正反面都澆封, 以確保電容與電阻間的所有裸露導體 (包括銅箔) 都被澆封。要注意的是電容串接電阻后, 可能其濾波效果或其他性能會受到一定的影響。因此, 在進行電路設計時, 應根據電路的特點和設計性能要求合理選擇設計方案。

2.7 最高表面溫度的控制

本安儀表電路元件及導線的熱表面溫度是一種危險的點燃源, 爆炸性危險氣體與高于其自燃溫度的熱表面接觸就可能引起爆炸。因此, 在設計本安電路時應根據要求的溫度組別合理選擇內部連接導線截面以及元器件額定參數, 以限制最高表面溫度的產生, 滿足儀表使用場所可能出現的危險氣體的最低引燃溫度高于該儀表的溫度組別對應溫度。在工作實踐中, 逐臺進行溫度測量的儀表, 其允許的最高表面溫度不得高于電氣設備溫度組別中的規定值。不是逐臺進行溫度測量的儀表, 其允許的最高表面溫度, 對于T1、T2, 不得高于電氣設備溫度組別中的規定值減10 ;對于T3、T4、T5T6, 不得高于電氣設備溫度組別中的規定值減5 。

一般情況下, 經可靠設計的本安儀表在正常工作條件下, 元件或導線通常不會產生高于引燃溫度的表面溫度。但是當考慮兩個故障作用時 (對于ia本安儀表而言) , 儀表的電阻或半導體器件可能會受到遠高于正常工作條件下的電壓和電流。因此, 在設計時, 應主要考慮故障條件下可能產生的導線或元件的表面溫度, 并通過分析計算或實際測量得出最高表面溫度。必要時, 可借助于各種散熱技術來達到降溫目的。實踐中, 有時采用澆封措施來降低元件或導電器件的表面溫度, 此時要求澆封劑的體積及其最小厚度應至少使被澆封元件或導電部件的表面溫度降到要求的溫度, 且澆封劑的額定運行溫度應不低于澆封劑接觸的最熱元件或導體部件的表面溫度。

此外, 對于T4溫度組別, 我們通常也可根據配用關聯設備的最大輸出功率P0、電路中元件表面積和環境溫度按表2進行判斷。

2 T4溫度組別判別規則 導出到EXCEL


 
總表面積 (不包括引線)

T4溫度組別要求




  <20 mm
2

表面溫度≤275 ℃


  ≥20 mm
2

P0≤1.3   W, 40 ℃


P0≤1.2   W, 60 ℃


P0≤1.0   W, 80 ℃


  20 mm
2總表面積<10   cm2

表面溫度≤200 ℃



窗體頂端

窗體底端

3 簡單設備與簡單電路

3.1 簡單設備

對于電壓不超過1.2 V, 電流不超過0.1 A, 且其能量不超過2O μJ或功率不超過25 mW的電氣設備或部件, 經國家指定的檢驗單位認可后, 不須持有防爆合格證書即允許直接使用于工廠爆炸性氣體環境中。我們通常把這類電氣設備或部件叫做簡單設備。它們包括熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、發光二極管、光電池等。盡管這些設備本身不會產生足以點燃危險氣體的能量, 但是當它們與其他配套儀表一起使用構成本安系統時, 一方面應配用合適的關聯設備, 以保證危險電火花能量不致于帶到處于危險場所的簡單設備端;另一方面這些簡單設備至少應同時滿足GB 3836.1-2000標準中規定的下列基本安全要求:外殼材料含鎂量或塑料表面電阻的要求;金屬外殼接地的要求;電氣間隙爬電距離的要求;500 V 絕緣 (配齊納安全柵時) 的要求;外殼防護等級的要求 (至少為IP20) 。

關于簡單設備的溫度組別, 若簡單設備使用在正常額定范圍內及在40 最高環境溫度的本質安全電路內時, 對于Ⅱ類的應用場所, 開關、插頭、插座和端子, 其溫度組別可認定為T6。對于其它簡單設備應按相關要求進行確定。

當簡單設備作為含在其它電路的設備的部件時, 應隨整機電路一起進行評定。

這里需要補充說明的是常用于氣體濃度檢測的電化學傳感器并非一定是簡單設備。通常, 電化學傳感器可視作為一個容性有源元件, 其可能產生的電能與氣體種類及其在空氣中的濃度有關, 且其輸出特性還取決于氣體濃度、溫度和濕度等因素。據資料, 對于基于電化學原理的氧傳感器 (0%100%) , 其可能產生的開路電壓為0.9 V, 負載電流為10 mA, 短路電流為500 mA, 最大功率可達112.5 mW;對于基于電化學原理的毒性氣體傳感器, 其可能產生的開路電壓為1.25 V, 負載電流為50 mA, 短路電流為1 A, 最大功率可達300 mW。很顯然, 這些參數值已遠遠超出了簡單設備的定義。但是, 如果這些傳感器僅僅以完全獨立的電路形式應用時, 即電路中沒有其它供電電源時, 它們仍可評定為簡單設備;反之, 如果它們集成于其它帶有供電電源的電子電路時, 整個電路的本質安全性能的評定除應考慮電路本身的供電電源外, 還必須同時考慮來自電化學傳感器可能產生的電參數的疊加影響。

3.2 簡單電路設計示例

3.2.1 簡單電阻電路

如圖1所示, 找出一個與28 V直流電源相串聯的限流電阻的最小值, 使該電路適用于氫氣危險場所。

圖1 簡單電阻電路

1 簡單電阻電路   下載原圖

首先, 應明確該電路屬于電阻性電路, 且要求該電路能適用于Ⅱ類C級危險場所??紤]電源波動10%的因素, 電源E=28 V×1.1=30.8 V, E=31 V。查ⅡC曲線可知:電源電壓為31 V, 最小點燃電流為140 mA, 取安全系數1.5, 則其最大允許電流=最小點燃電流/安全系數=140 mA/1.5=93.3 mA, 由此可得出與28 V直流電源串聯的最小電阻值為31.0 V/93.3 mA=332 Ω, 考慮該電阻器允許誤差±5%, 限流電阻至少為349 Ω。

當該電源組件直接用于危險場所時, 還必須采取整體澆封或其它等效的附加措施, 以防止電池不經電阻直接短路。

3.2.2 簡單電感電路

為了詳細說明簡單電感電路設計、分析程序, 現在來分析一下圖2所示的簡單電感電路。假設該電路準備用在ⅡC級爆炸危險場所, 電路由20 V的蓄電池與適當安全可靠元件300 Ω的限流電阻組成的電源, 并向一個1 100 Ω100 mH的電感器饋電。

圖2 簡單電感電路和電容電路

2 簡單電感電路和電容電路   下載原圖

該示例中, 300 Ω 1 100 Ω取為最小值, 100 mH取為最大值。對于該電路需分別進行兩個單獨評定:須保證電源本身是本安型的;須考慮連接負載的影響。

① 電源的評定步驟

首先, 取限流電阻最小值300 Ω。就電阻本身而言, 這是最壞的情況。

如果該電阻不能滿足關于可靠元件的規定要求, 那么應用一個故障規定可組成其新的等效電路, 此時, 等效電路中的電阻認為是短路的。當具有這類故障時, 電源就認為不是本安型的。

蓄電池的最高電壓應從測量許多新蓄電池的開路電壓來確定, 且應取充電后瞬間測得的電壓最高值。在以下討論中, 假定蓄電池的最高電壓為22 V, 則最大短路電流是22 V/300 Ω= 73.3 mA

其次, 由于電路是電阻性的, 根據標準規定, 安全系數取1.5, 并施加在電流上, 這時短路電流就增加到1.5×73.3 mA=110 mA 。

最后, 查ⅡC曲線, 在電壓為22 V時對應的最小點燃電流為315 mA, 它遠大于110 mA。因此, 從火花點燃的觀點可知, 該電源是本質安全的。

② 負載的連接的評定步驟

首先, 如前所述, 假定蓄電池的最高電壓為22 V。由于300 Ω1 100 Ω是最小值, 所以負載上流過的最大電流為22 V/ (300+ 1 100) Ω=15.7 mA。電路中無故障可加, 這是因為300 Ω電阻是可靠元件, 電感器的短路故障形成的電路即為上述考慮的電源電路。電感器的開路故障顯然只會導致安全條件。

其次, 由于電路是電感性的, 根據標準規定, 安全系數取1.5, 并施加在電流上, 這時電路電流提高到1.5×15.7 mA=23.6 mA 。

最后, 查ⅡC 曲線 (對于電壓低于24 V的情況, 也可使用最小點燃曲線) , 100 mH 電感器在電源電壓為24 V時最小點燃電流約為28 mA, 該值大于23.6 mA 。因此, 可以判定, 該電路是本安型的, 可用于ⅡC級爆炸危險場所。

需要注意的是, 上述判定是以假定電感器為空芯電感器為前提的。如果電感器不是空芯的, 那么這樣的判斷只是近似的。這時有必要用火花試驗裝置對該電路進行火花試驗, 以確定該電路是否真正滿足本安防爆要求。

3.2.3 簡單電容電路

簡單電容電路是準備用在 I 類爆炸危險場所的, 電路由10 μF電容器、30 V蓄電池和可靠元件10 kΩ的限流電阻連接組成的。在圖2示例中, 30 V 、10 μF取為最大值, 10 kΩ取為最小值。對于該電路的分析, 也需分別進行兩個單獨判定:保證電源本身是本安型的;考慮有電容存在的情況。

① 電源的評定程序已經在簡單電感電路示例中予以敘述, 這里就不再重復。

電源電路本身可很容易地判定為是本安型, 且其安全系數超過100倍。

② 電容器的評定步驟

首先, 蓄電池的最高電壓為30 V, 電容器的最大電容值為10 μF。無需再加故障, 因為10 kΩ 電阻是可靠元件, 并且電容器無論是開路還是短路都會形成本例中所考慮的電源電路。其次, 由于電路是電容性的, 根據標準規定, 安全系數取1.5, 且安全系數施加在電壓上, 這時電路電壓提高到1.5×30 V=45 V 。最后, I類電容電路中 (C+0 Ω) 曲線 () , 在電壓為45 V, 對應的不致于引起點燃的電容最大值為3 μF。因此, 可以判定電路中的10 μF電容不能滿足本安要求。

為了使該電路滿足本安要求, 可降低電路電壓或減小電容值, 或者在 10 μF電容器上串聯一個電阻可靠元件并將它們澆封為一體。查I類電容電路中 (C+0 Ω) 曲線, 對應10 μF的最小點燃電壓為26 V。因此, 若電容不變, 則蓄電池電壓應降低到26 V÷ 1.5=17.3 V ;另一種方法是電壓不變, 即將電容值減小到1.5 μF;或者由于10 μF電容器串 5.6 Ω電阻可靠元件后的最小點燃電壓約為48 V (大于45 V) , 故當把最小值為5.6 Ω的電阻可靠元件與電容器串聯連接, 并澆封為一體后構成的新電路是本安型的, 可用于I類爆炸危險場所。

這里要特別指出, 在上述討論中嚴格地說有一個問題被忽略了, 就是電容電路最小點燃曲線只考慮了與未直接連接在電源上的充電電容的關系。實際上, 假定所考慮的電源電路本身具有一個較大的安全系數 (如上述示例) , 則可應用這些電容電路最小點燃曲線。但如電源本身具有較小的安全系數, 則把它與電容器連接就可能出現一種怪現象, 即通過電容電路最小點燃曲線判定該電路雖具有本安性能, 但實際上卻可能不是本安的。一般地, 這種電路用上述方法是不能作出可靠鑒定結論的, 必須用火花試驗裝置進行火花點燃試驗。

MiFi項目框圖

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電源設計

考慮極性保護、過電流保護、過熱保護以及程序保護

 1、極性保護:直流開關穩壓電源的輸入一般都是未穩壓直流電源。由于操作失誤或者意外情況會將其極性接錯,將損壞開關穩壓電源。極性保護的目的,就是使開關穩壓器僅當以正確的極性接上未穩壓直流電源時才能工作。利用單向導通的器件可以實現電源的極性保護。最簡單的極性保護電路如圖1所示。由于二極管D要流過開關穩壓器的輸入總電流,因此這種電路應用在小功率的開關穩壓器上比較合適。在較大功率的場合,則把極性保護電路作為程序保護中的一個環節,可以省去極性保護所需的大功率二極管,功耗也將減小。

2、過電流保護:當出現負載短路、過載或者控制電路失效等意外情況時,會引起流過穩壓器中開關三極管的電流過大,使管子功耗增大,發熱,若沒有過流保護裝置,大功率開關三極管就有可能損壞。故而在開關穩壓器中過電流保護是常用的。最經濟簡便的方法是用保險絲。由于晶體管的熱容量小,普通保險絲一般不能起到保護作用,常用的是快速熔斷保險絲。這種方法具有保護容易的優點,但是,需要根據具體開關三極管的安全工作區要求來選擇保險絲的規格。這種過流保護措施的缺點是帶來經常更換保險絲的不便。

 在線性穩壓器中常用的限流保護和電流截止保護在開關穩壓器中均能應用。但是,根據開關穩壓器的特點,這種保護電路的輸出不能直接控制開關三極管,而必須使過電流保護的輸出轉換為脈沖指令,去控制調制器以保護開關三極管。為了實現過電流保護一般均需要用取樣電阻串聯在電路中,這會影響電源的效率,因此多用于小功率開關穩壓器的場合。而在大功率的開關穩壓電源中,考慮到功耗,應盡量避免取樣電阻的接入。因此,通常將過電流保護轉換為過、欠電壓保護。

3、過熱保護:開關穩壓器的高集成化和輕量小體積,使其單位體積內的功率密度大大提高,電源裝置內部的元器件對其工作環境溫度的要求也相應提高。否則,會使電路性能變壞,元器件過早失效。因此在大功率開關穩壓器中應該設過熱保護。

4、程序保護:開關穩壓電源的電路比較復雜,基本上可以分為小功率的控制部分和大功率的開關部分。開關晶體管則屬大功率,為保護開關晶體管在開啟或關斷電源時的安全,必須先讓調制器、放大器等小功率的控制電路工作。為此,要保證正確的開機程序。開關穩壓器的輸入端一般接有小電感、大電容的輸入濾波器。在開機瞬間,濾波電容器會流過很大的浪涌電流,這個浪涌電流可以為正常輸入電流的數倍。這樣大的浪涌電流會使普通電源開關的觸點或繼電器的觸點熔化,并使輸入保險絲熔斷。另外,浪涌電流也會損害電容器,使之壽命縮短,過早損壞。為此,開機時應該接入一個限流電阻,通過這個限流電阻來對電容器充電。為了不使該限流電阻消耗過多的功率,以致影響開關穩壓器的正常工作,而在開機暫態過程結束后,用一個繼電器自動短接它,使直流電源直接對開關穩壓器供電,如圖2所示。這種電路稱之謂開關穩壓器的“軟啟動”電路。

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注意事項

  考慮元件選擇在本安規范內參數。

測試項目:input current test (輸入電流測試)、durability of marking test (標簽的耐久性測試)、energy hazard in operator access area (能量危險測試)、discharge of capacitors (一次電路的電容器放電測試)、selv limits for normal conditions (正常工作條件下的安全低電壓測試)、selv limits for abnormal conditions(故障條件下的安全低電壓測試)、limited current circuits (bridging components) (限流電路測試)、limited power sources (受限制電源測試)、resistance of earthing circuit (接地連續性測試)、humidity conditioning(潮濕處理測試)、working voltage over insulation (工作電壓測試)、cord anchorages and strain relief test (軟線固緊裝置和應力消除試驗)、stability test (10 tilting test) (穩定性測試)、steady force test, 250n (250n 的恒定作用力測試)

4. impact test (steel ball) (沖擊測試)、drop test (跌落測試)、stress relief test (應力消除測試)、torque test (direct-plug in over 450g) (直插設備扭力測試)、maximum temperature test (最大溫升測試)、ball pressure test(球壓測試)、touch current and pe current (漏電流測試)、electric strength test (抗電強度測試)、fault condition test(異常工作/故障條件測試)

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USB3.0接口ESD靜電保護方案

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方案說明與注意事項

1、在USB3.0的電源線,數據線共用2顆TVS對地做防護,鉗位靜電電壓

2、該TVS管的結電容小于0.8pF,滿足USB3.0的高速傳輸

3、反應時間為ns級別,殘壓低

4、集成度高,占用PCB板小

2、該TVS管的結電容小于0.8pF,滿足USB3.0的高速傳輸

3、反應時間為ns級別,殘壓低

4、集成度高,占用PCB板小

天線保護

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設計考慮因素

使用極低電容(0.35 pF)的解決方案可輕松設計天線匹配電路

選擇電氣參數合適的擊穿電壓

為了使天線電路保持出色的信號完整性,必須避免互調失真。為此,請使用二極管電容電壓依賴性極小的保護二極管。

確保設計符合法規要求:IEC61000-4-2要求ESD穩健性高達10 KV/16KV

在緊湊小巧的系統中,DFN1006-2 (SOD882) / DSN0603-2 (SOD962)等超小封裝能夠有效節省空間

無線WiFi電路

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WIFI產品測試項目:

           1,6DB帶寬(6DBBANDWIDTH)

           適用標準:PART15.247SECTION(a).(2)

           要求:大于500KHZ。

           2,最大傳導輸出功率(CONDUCTEDOUTPUTPOWER)

           適用標準:PART15.247SECTION(b).(3)

           限值要求:1W

           3,邊帶測試(BANDEDGE)

           適用標準:PART15.247SECTION(d)

           限值要求:100KHZ邊帶以外的雜散必須低于工作帶內最高工作點20DB以上

           4,輸出功率密度(POWERSPECTRALDENSITY)

           適用標準:PART15.247SECTION(e)

           限值要求:8DB/3KHZ

           5,限制帶寬(RESTRICTBAND)

           適用標準:PART15.247SECTION(d),PART15.205C

           限值要求:PART15.209


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