防爆型掌上电脑设计
摘 要：在易燃易爆的场所使用掌上电脑时，要求其具有防爆性能。介绍了一款掌上电脑，综合应用厚膜电子技术和本安防爆技术，研制了具有大功率、小体积的专用厚膜电阻，解决了掌上电脑的防爆难题，确保其在特殊场所的使用安全，极大地提高了工作效率。
关键词：防爆技术；掌上电脑；厚膜电阻；限流电阻
中图分类号：TP368.33 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1405902
Design of the ExplosionProof PDA
YUE Bin,ZHANG Xiaozhong,YU Xiangming
(ROL Research Institute of Air Force,Beijing,100076,China)
Abstract：PDA is required to be explosionproof when it is used in easy exploding workplace.This paper introduces a type of PDA,which has comprehensively adopted thick application of electronic technology and explosionproof technology.Specific thick film resistor with highpower and small size has been developed,and explosionproof problem of PDA has been solved to ensure the safe use in special places.
Keywords：explosionproof;PDA;thick film resistor;current limit resistance
掌上电脑(Personal Digital Assistant)最初是用于PIM（Personal Information Management,个人信息管理），替代纸笔，帮助人们进行一些日常管理，主要为日程安排、通讯录、任务安排、便笺。目前掌上电脑已融合计算、通信、网络、存储、娱乐、电子商务等功能，成为人们移动生活中不可缺少的信息工具。已经广泛应用于民用、军用领域。但在一些特殊的应用场所，如加油站、油库、码头、天然气站等，因为油料、燃气等的易燃易爆性，使用掌上电脑时，就需要进行必要的防爆处理。本文结合一款通用的32位CPU阐述防爆掌上电脑的构成和实现方法。
1 防爆型掌上电脑总体设计
防爆掌上电脑主要由CPU，RAM，FLASH，LCD、触摸屏、串行数据通信窗口、数据同步电缆、无线接收装置、辅助按钮等部分组成，其基本构成结构框图如图1所示。本文的掌上电脑一些指标如下：防爆掌上电脑是在一般的掌上电脑基础上，依据有关防爆规定，进行一些防爆处理后而形成的。
2 防爆设计
2.1 总体防爆设计
防爆设备一般有隔爆、本质安全、增安等多种防爆机理。对于便携式设备由于受到体积和重量的限制，一般设计为本质安全型防爆结构。本质安全电路是在任何可能故障条件下所产生的电火花或热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路。本质安全设备是指其内部所有电路均为本质安全电路。
依据 GB3836.12000《爆炸性气体环境用电气设备 第1部分：通用要求》和 GB3836.42000《爆炸性气体环境用电气设备 第4部分：本质安全型“i” 》的标准要求，掌上电脑在防爆设计中主要考虑的因素有：元器件的选择、线间的爬电距离和电感、电容和电池等储能元器件。在电路设计时，元器件的选择、线间的爬电距离、电感、电容的限能已做了综合考虑。防爆设计中重点解决的难题是电池的本安处理。
由于掌上电脑要求功耗大、使用时间长、体积小，所以这里选择聚合物锂离子电池（2 000 mAh,最大电压4.2 V，工作电流300 mA）。此电池的好处是具有可薄形化、任意面积化与任意形状化、安全性高、容量大等优点。
对防爆设计来说，电池主要在于解决电路板电路中内阻小、短路放电电流过大的难题，本安电池需要在故障冗余状态下能满足本质安全防爆电路要求。一般处理通过限流电阻和双层保护电路来实现。但是，双层保护电路处理方法因要求元件功率大，所以造成元器件体积大，不适合本掌上电脑应用。因此，只有通过限流电阻处理来实现防爆设计比较合适。在限流电阻的选择中，电阻在正常工作和规定故障条件下，不得超过电阻按照条件和温度范围规定的最大电流、电压和功率额定值的2/3的情况下工作；在正常工作时和规定故障条件下，承受可能出现的不小于1.5倍最高电压或不小于1.5倍最大功率。下面对电阻进行选择计算：P=I.2R（1）
P=U.2/R（2） 由于限流电阻始终是串联在电路中，在正常工作时有一定的压降产生，其阻值的大小直接会影响电池容量的有效利用。通过试用验证选择电阻R值为1 Ω合适。在正常工作时，工作电流为300 mA，由式（1）可得，电阻消耗功率为0.09 W；当出现极端故障时，即电池外端直接短路，电池电压直接加载到线路电阻上，考虑到最高电池电压为4.2 V，由式（2）可得，电阻消耗功率为17.64 W，其1.5倍功率为26.46 W。根据防爆设计对限流电阻的要求，所选电阻的额定功率应大于26.46 W，这样选择电阻功率为30 W，满足其正常工作要求。
2.2 本安防爆厚膜电阻研制
为了解决大功率、小体积电阻问题，这里调研了国内外相关技术资料，也走访了一些电阻生产厂家，均没有适合于应用的产品。在调研过程中，发现厚膜电子元件具有功率大、体积小的特点，特别是薄片状特别适合本安电池的封装。为此，在国内专业生产厚膜电子元件厂家，设计并生产了适合应用的专业厚膜电阻。
厚膜电阻器是利用丝网印刷技术将配制的电阻浆料网印、烧结到陶瓷基片上形成的具有一定厚度的膜式电阻器。设计的厚膜电阻由基片、电极、浆料等组成，其设计如图2所示。
电阻器的性能主要由电阻的浆料的性能决定。目前，电阻浆料主要有杜邦1700系列、2100系列和7400系列浆料。这里选择杜邦公司的2110电阻浆料，其可满足温度系数要求比较高的电路，稳定性好，具有良好的抗ESD性能。其方阻RS为10 Ω/□。R=RS×L/W（3）设：L＝0.8 cm，R=1 Ω；则：W=8 cm
L＝0.8 cm;W=8 cm满足电池的容纳空间要求。P＝Pd×LW（4）其中Pd为厚膜电阻材料的功率密度，一般选择8～15 W/cm.2,为了确保电阻功率要求，选择Pd为5 W/cm.2，则功率P为32 W，满足所要设计厚膜电阻要求。在专业厚膜电阻厂家生产，最终的外形如图3所示。
2.3 充电保护电路设计
采用双二极管进行充电电路保护，防止反向充电。
电池保护电路，由一块电源管理芯片MM3077FN和附属电路构成，能够在电池出现过充、过放、短路打火、反向充电的极端情况时及时切断电路，保护电池和用电设备。如图4所示。
（1） 在限定的工作环境内，正常工作时，不会出现漏液、过热与燃烧爆炸等破坏性情况。
（2） 在使用过程中，出现跌落、撞击等意外情况，也不会产生漏液、过热与燃烧爆炸等破坏性情况。
（3） 在极端条件下，对于过充、过放、短路放电、反向充电等极端情况下，也不会出现漏液、过热与燃烧爆炸等破坏性情况。
2.4 电池和保护电路封装设计
将聚合物锂离子电池和保护电路通过环氧树脂进行可靠的封装，在使用过程中，出现跌落、撞击等意外情况，不会产生漏液、过热与燃烧爆炸等破坏性情况（见图5）。
3 结 语
经试验论证，经过防爆处理后的掌上电脑，满足易燃易爆的场所使用要求，防爆标志是：ExibⅡBT3。
随着科技的不断发展，防爆型掌上电脑有着广阔的发展应用前景。将其用于特殊的易燃易爆场所，可以确保使用安全，大大提高业务管理水平和工作效率。
参 考 文 献
［1］Intel XScale Micro architecture\.http://www.developer.intel.com.
［2］GB3836.12000.爆炸性气体环境用电气设备.第1部分：通用要求\.2000.
［3］GB3836.42000.爆炸性气体环境用电气设备\.第4部分：本质安全型“i”.2000.
［4］王森.全面解读PDA\.北京：清华大学出版社，2002.
［5］祝永坚,陈钱.掌上电脑集成GPRS功能和RFIC模块的设计\.现代电子技术,2005,28(9):106108.
［6］袁霏.掌上电脑原型样机硬件系统开发\.西安：西北工业大学,2005.
［7］陆海波.智能型掌上电脑（PDA）的研究与开发\.电子科技大学,2001.
作者简介 岳 彬 男， 1980年出生，江苏徐州人，硕士，毕业于徐州空军学院。研究方向为油料储运自动化、电子设计自动化。
张晓钟 男，1962年出生，河北廊坊人，博士，毕业于北京理工大学。研究方向为油料储运自动化、电子设计自动化。
