FISCO隔离式安全栅电源的设计与解析

摘 要：文章介绍了安全栅在现场总线本安系统中的作用，说明FISCO安全栅和传统安全栅的区别，全面描述FISCO安全栅在国内外的现状，重点对FISCO隔离式安全栅电源的原理、参数进行了解析和研究，要求该电源具有梯形特性，能够保证通过它的能量都是本安的。

关键词：现场总线；本质安全；FISCO安全栅；梯形特性

引言

安全栅在本质安全型（简称本安）系统中危险区和安全区之间起着能量隔离限制的栅网作用，一般都安装在安全场所且含有本安电路和非本安电路的装置，其电路设计要使非本安电路不能对本安电路产生负作用，也就是说通过限流和限压电路限制送往现场本安回路的能量，防止非本安电路的危险能量窜入本安电路。因此，不论控制室设备是处于正常工作状态还是故障状态，安全栅都能确保通过它传送给现场设备的能量是本安的。

现场总线的优点就在于允许一条通信总线上可以挂接多台现场总线设备，这就需要从总线上吸取更大的电流，如果引用现有的安全参数和认证方法，在一条总线上只能挂接为数不多的设备，从而使现场总线的优点大打折扣。为适应现场总线本安防爆系统的需要，德国技术物理研究所通过研究和试验发表了一篇研究报告W-39，报告提出现场总线本质安全概念的观点（即FISCO）。FISCO认为只要满足如下条件，系统就达到了IIC等级的本质安全要求而不必进行其他的计算。目前这一观点已被普遍接受。

（1）系统中只有一个有源的供电设备，而且它具有梯形或近似矩形的伏安特性。最大开路电压Uo<15V，最大短路电流Io<220mA。

（2）总线其他节点只能是不少于10mA纯耗电设备，最多10个节点；

（3）每台设备的未保护电容Ci<5nF，未保护电感<10μH；

（4）电缆长度小于1000m，每公里电阻R、电容C和电感L应符合如下要求：

R/km=15～150Ω；C/km=80～200nF；L/km=0.4～1mH；

（5）总线两端配终端匹配器应满足，90Ω

FISCO要求中，其中（2）-（5）项是对本安现场设备的要求，这些要求已经实现，只有第（1）项是对安全栅的要求。较小的最大开路电压和较大的最大短路电流恰恰是为满足现场总线连接需要较大电流的要求。大的输出能力会导致设计制造难度大、成本增加和可靠性下降，如何确定开发的FISCO安全栅的输出能力，本文认为工作电压、电流选择14V、125mA比较合适，理由如下：

（1）根据IEC61158的要求，总线供电的现场总线设备的最低工作电压是9V，对于气体组别ⅡC，根据FISCO对安全栅的要求并考虑到线路降和必要的富裕量，工作电压选定为14V，因此，安全栅最大开路电压VOC为15V是合适的；为充分发挥现场总线的优点，尽可能大的最大短路电流将允许挂接更多的仪表，因此，最大短路电流ISC为220mA是合适的，而对于满足ia安全要求的FISCO安全栅的梯形特征阻性电流限制为125mA。

（2）FF总线现场变送器耗电为9V/17.5mA；阀门定位器耗电为9V/26mA；A型电缆分布电阻为44Ω/km。假设FF总线上挂接4台变送器和2台阀门定位器。可以计算出现场仪表耗电总额为122（mA），允许总线电缆的长度为0.931（km）。因此，该安全栅通常允许每段FF总线挂接6台现场仪表。

1 FISCO隔离安全栅的参数设计

本安现场总线系统用关联设备的最高开路电压大于24V是无益的。通常对于不同的现场总线系统，关联设备的最高开路电压宜介于14V～24V之间。该系统中具有多台本安现场总线设备，即具有多负载特征，通过提高最大输出电流，尽可能多的增加挂接负载数量，并要求其满足“可互换性”和“可操作性”。

2 具有梯形特性的隔离电源

具有梯形特性的电源是FISCO安全栅与传统安全栅的主要区别。为了有较高的工作效率，应采用“反激式”PWM变压器隔离DC/DC电源，稳压电压取样点在限流电阻后，在小负载下，电压趋于稳定，不随负载电流变化而变化。限流电阻前电压随负载电流增大而升高。但当经过二极管的电压一旦大于限流电阻后的电压时，稳压电压取样点转换为经过二极管的电压。此后限流电阻前电压不变，而输出电压随负载电流增大而线性降低，输出特性像“梯形”。

3 FISCO隔离式安全栅电源电路

FISCO隔离式安全栅电源电路主要由两部分组成，即开关电源电路和本安控制电路。该电源具有梯形特性，有较高的工作效率。

3.1 开关电源

该电源是以UC3842单端反激式电流型脉宽调制器为核心。本电源采用24V直流电压作为输入电压，通过变压器将交流信号转换成直流电压，直流电压经过滤波后，通过熔断器和限流电阻和二极管构成的隔离式安全栅后，由本安控制电路调整输出电压和电流控制在14V、125mA。

3.2 本安控制电路

本安控制电路工作原理如下：变压器副边电压为32.75V，保险丝内阻和限流电阻总和是150Ω，无负载情况下最大短路电流为220mA；无稳压管的情况下最大开路电压为15V。一旦输出电压大于32.75V，运放LM358输入电压3脚高于2脚，运放输出为高电平，通过两级CMOS反向器CD4049仍为高电平，此时两级三极管9014（Q1和Q3）导通，带动TLP227G完全导通，同时TL431输出电压控制在32.75V，调整最终的输出电压在32.75V，通过保险丝和限流电阻后本安输出电压控制在14V。当稳压电压取样点高于14V，运放LM358输入2脚高于3脚，此时运放输出为低电平，通过CMOS反向器CD4049变为高电平，两级三极管9014导通带动TLP227G导通，同时TL431输出电压控制在14V，调整本安输出电压控制在14V。本安输出电流125mA是合理的，输出电流随负载数量的增加而增大，一旦输出电流大于125mA，则限流电阻后的电压将会随负载电流的变化而减小。

4 结束语

通过对FISCO隔离式安全栅原理和参数的解析，设计出了一款FISCO隔离式安全栅电源，该电源具有梯形特性，能够输出14V电压和125mA的电流，满足最大挂接负载数量，并要求负载满足“可互换性”和“可操作性”。

参考文献

[1]徐建平著.现场总线系统防爆技术综述[J].上海：上海工业自动化仪表研究所，2002.3.

作者简介：何彪（1985-），男，宁夏隆德县人，助理工程师，对电子电路和单片机开发有一定研究。

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