基于ADS的本安型傳感器浪涌試驗(yàn)仿真分析

張子良

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013； 2. 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市朝陽區(qū)，100013； 3. 北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京市朝陽區(qū)，100013)

由于煤礦井下巷道呈條狀分布且空間有限，因此開關(guān)、變壓器、電磁起動(dòng)器、變頻器等多種電氣設(shè)備會(huì)產(chǎn)生各種電磁干擾，這些干擾以電磁感應(yīng)、輻射和傳導(dǎo)的方式影響著礦井監(jiān)控和通信系統(tǒng)等電子設(shè)備的正常工作，隨著設(shè)備功率和電壓的逐漸提高，對(duì)監(jiān)測監(jiān)控電子設(shè)備的電磁干擾也變得更為突出。浪涌作為一種常見的干擾形式，是開關(guān)和變頻器等大功率設(shè)備啟停引起的一種瞬態(tài)的過電壓和短路電流，對(duì)電子設(shè)備的破壞也最為嚴(yán)重。

目前，對(duì)于礦井浪涌的電磁特性以及防爆殼體對(duì)浪涌的屏蔽效能等方面研究取得了部分成果，但對(duì)于煤礦產(chǎn)品特別是本安型設(shè)備的浪涌抗干擾設(shè)計(jì)方面的文章較少，大都是一些綜述性或通用性的整改建議，多數(shù)停留在其它領(lǐng)域成熟防護(hù)電路的移植應(yīng)用上面，而對(duì)于具體試驗(yàn)暫態(tài)過程、浪涌干擾機(jī)理以及針對(duì)煤礦產(chǎn)品整改難點(diǎn)等方面的研究較少。

在其它非煤行業(yè)產(chǎn)品電磁兼容試驗(yàn)中，浪涌抗擾度試驗(yàn)順利通過并非難點(diǎn)，但在煤礦領(lǐng)域，尤其是本安型產(chǎn)品，以性能判據(jù)A(試驗(yàn)過程中被試設(shè)備工作完全正常)通過試驗(yàn)則成為各個(gè)廠家公認(rèn)的難點(diǎn)，而這從《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》(AQ/T 6201-2017)和《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案》(煤安監(jiān)函〔2016〕5號(hào))對(duì)浪涌抗擾度試驗(yàn)要求僅為判據(jù)B(施加干擾時(shí)被試設(shè)備工作指標(biāo)或性能出現(xiàn)非期望偏離，但當(dāng)干擾去除后可自行恢復(fù))也可以體現(xiàn)。其原因一方面是受制于煤礦安全規(guī)程的特殊要求，如本安型設(shè)備儲(chǔ)能元件的限值、本安電路與外殼以及不同本安電路之間絕緣耐壓等；另一方面是各個(gè)企業(yè)技術(shù)人員整改時(shí)，大都直接移植其它領(lǐng)域成熟的防護(hù)電路來作試探性的測試，對(duì)試驗(yàn)機(jī)理和瞬態(tài)過程研究不深，以至于無法準(zhǔn)確地把握整改方向。

本文以本安型傳感器為研究對(duì)象，從電源端口浪涌抗擾度試驗(yàn)的具體問題出發(fā)，應(yīng)用ADS軟件建立試驗(yàn)仿真模型，對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析研究，探討模型中各個(gè)參數(shù)變量對(duì)波形的影響，對(duì)整改提出部分思路和建議。

1 浪涌抗擾度試驗(yàn)現(xiàn)象及仿真模型建立

1.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

按照標(biāo)準(zhǔn)《電磁兼容試驗(yàn)和測量技術(shù)浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)》(GB/T 17626.5-2008)的要求，進(jìn)行傳感器直流電源端口浪涌抗擾度試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中，傳感器作為被試設(shè)備(EUT)，穩(wěn)壓源作為輔助設(shè)備(AE)，采用發(fā)生器直接注入的方式進(jìn)行，試驗(yàn)電壓為線-線1 kV(3級(jí))，正負(fù)各5次，脈沖間隔時(shí)間為1 min。

以甲烷傳感器為例，在進(jìn)行初級(jí)整改后，已達(dá)到判據(jù)B，但仍會(huì)在+1 kV浪涌抗擾度試驗(yàn)中出現(xiàn)復(fù)位重啟，傳感器電源入口電壓的示波器波形如圖1所示。

圖1 傳感器電源入口電壓示波器波形

由圖1可以看出，在施加+1 kV浪涌干擾時(shí)，傳感器電源端口電壓(綠色)出現(xiàn)了近500 μs的反向電壓缺口，穩(wěn)壓源輸出電壓(黃色)也出現(xiàn)了下降，正是此缺口的出現(xiàn)造成了傳感器的短時(shí)斷電復(fù)位。為了明確試驗(yàn)暫態(tài)過程，分析反向缺口產(chǎn)生原因，理清各個(gè)電路參數(shù)對(duì)缺口的影響，明確后續(xù)整改思路，本文應(yīng)用ADS(Advanced Design System)仿真軟件對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行了暫態(tài)仿真。

1.2 仿真模型建立

浪涌抗擾度試驗(yàn)仿真模型由發(fā)生器、耦合去耦網(wǎng)絡(luò)(CDN)、被試設(shè)備(EUT)、輔助設(shè)備(AE)4個(gè)部分組成，傳感器直流供電端口浪涌抗擾度試驗(yàn)仿真電路圖(線-線耦合)如圖2所示。

圖2中的發(fā)生器模型參照標(biāo)準(zhǔn)《電磁兼容試驗(yàn)和測量技術(shù)浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)》(GB/T 17626.5-2008)中組合波發(fā)生器電路原理圖，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)給出的開路電壓和短路電流波形及參數(shù)，利用ADS優(yōu)化設(shè)計(jì)確定元器件參數(shù)的最優(yōu)值。其中，Cc=10 μF，Rm=1.4 Ω，Lr=8.54 μH、Rs1=10 Ω、Rs2=20.5 Ω，可產(chǎn)生1.2/50 μs開路電壓波和8/20 μs短路電流波，且開路輸出電壓峰值與短路電流峰值之比為2，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

CDN中耦合網(wǎng)絡(luò)為18 μF的電容Cdm，去耦網(wǎng)絡(luò)由1.5 mH電感Ld1、Ld2以及30 μF電容Cd組成，其對(duì)高頻干擾呈現(xiàn)高阻抗，對(duì)AE起到保護(hù)作用；AE為穩(wěn)壓源，為傳感器供電，VDC=22 V，內(nèi)阻R0=2 Ω；EUT為本安型傳感器等效模型，以LRC電路來等效甲烷傳感器，其Ci、Li、Ri的參數(shù)值均取自傳感器的本安參數(shù)，Li=1μH，Ci=2μF，Ri=500 Ω，TVS為傳感器電源端防護(hù)器件。仿真計(jì)算后得到的波形如圖3所示。

圖2 傳感器直流供電端口浪涌抗擾度試驗(yàn)仿真電路圖(線-線耦合)

圖3 +1 kV浪涌試驗(yàn)仿真波形

圖3中Veut表示傳感器電源端口電壓，出現(xiàn)了近500 μs的反向電壓缺口，Vdc表示穩(wěn)壓源輸出電壓，電壓最低降至8.350 V。總體來說仿真波形與示波器波形基本一致，區(qū)別是前者的Veut峰值達(dá)到了108.941 V，而后者的電壓峰值約為35 V，因仿真器件庫中TVS響應(yīng)速度比實(shí)際要慢，致使部分浪涌波頭通過，造成仿真峰值較高，但該區(qū)別不影響后續(xù)的仿真分析。

2 仿真模型參數(shù)變量分析

在上述仿真模型中，發(fā)生器和CDN模型參數(shù)是確定的，EUT和AE的參數(shù)并不確定，了解各參數(shù)對(duì)波形的變化影響有助于后續(xù)傳感器電路的整改設(shè)計(jì)。

將傳感器等效電路中保護(hù)器件TVS去除，在LRC不考慮耐壓及飽和的情況下，仿真計(jì)算得到的波形如圖4所示。

由圖4可以看出，在去除TVS后，不同傳感器等效電路的波形基本相同，傳感器電源端口電壓與浪涌發(fā)生器輸出電壓基本同步，隨著發(fā)生器浪涌電壓回落0軸振蕩一起振蕩，因沒有TVS鉗位，所以幅度更大，出現(xiàn)的反向電壓缺口也都在500 μs左右，Veut變負(fù)向的時(shí)間分別為130 μs和150 μs，對(duì)比圖3可以說明，TVS的引入在鉗位浪涌高壓保護(hù)傳感器的同時(shí)也加速電壓反向缺口的產(chǎn)生。

圖4 去除TVS后的仿真波形

恢復(fù)TVS，以LRC等效電路為代表，在本安范圍內(nèi)，對(duì)各變量進(jìn)行參數(shù)掃描仿真分析。將傳感器等效電阻Ri作為參數(shù)掃描變量，其它參數(shù)不變。Ri取值為100 Ω～1 kΩ，間隔200 Ω，仿真計(jì)算得到的波形如圖5所示。

圖5 Ri為參數(shù)掃描變量波形

由圖5可以看出，6個(gè)Veut和6個(gè)Vdc波形分別重合在一起，說明傳感器電阻值不影響Veut波形變化趨勢(shì)。后續(xù)仿真中，仍取Ri=500 Ω。

將傳感器等效電容Ci作為參數(shù)掃描變量，其它參數(shù)不變。Ci取值為0～5 μF，間隔1 μF，仿真計(jì)算得到的波形如圖6所示。

圖6 Ci為參數(shù)掃描變量波形

由圖6可以看出，Veut波形也基本上粘合在一起，說明Veut波形變化趨勢(shì)與傳感器電容值關(guān)系也不大。后續(xù)仿真中，仍取Ci= 2 μF。

將傳感器等效電感Li作為參數(shù)掃描變量，其它參數(shù)不變。Li取值為0 μH～100 μH，間隔20 μH，仿真計(jì)算得到的波形如圖7所示。

圖7 Li為參數(shù)掃描變量波形

由圖7可以看出，Veut所有波形雖然沒有重合(負(fù)向電壓時(shí))，但仍然都產(chǎn)生了反向電壓缺口，且缺口寬度基本相同，說明電感對(duì)反向缺口的改善并不明顯，僅僅只是在負(fù)向部分產(chǎn)生了小幅振蕩，且電感量越大，Veut出現(xiàn)小波浪時(shí)間越晚，但幅度越大。后續(xù)仿真取Li=1 μH。

將穩(wěn)壓源內(nèi)阻R0作為參數(shù)掃描變量，其它參數(shù)不變。R0取值從0.1～10 Ω，間隔2 Ω，仿真計(jì)算得到的波形如圖8所示。

圖8 R0為參數(shù)掃描變量波形

由圖8可以看出，R0越小，Veut反向缺口越小，Vdc的跌落越小，但R0增大至4 Ω后，Vdc會(huì)跌落到至0 V以下。后續(xù)仿真取R0= 2 Ω。

通過以上參數(shù)掃描變量仿真分析顯示Ri、Ci的變化對(duì)傳感器端口電壓波形沒有影響，由此可得出對(duì)于只存在等效電阻和電容的本安型設(shè)備來說，其浪涌整改方案基本上是可以通用的。而穩(wěn)壓源內(nèi)阻R0對(duì)于電源輸出波形的影響則引出了一個(gè)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：在本安電源設(shè)計(jì)時(shí)，輸出電阻應(yīng)盡量小，但為了滿足本安要求，其電阻需要大于4 Ω以上時(shí)，就需要考慮到非故障狀態(tài)下輸出電壓跌落至0 V以下的誤動(dòng)作情況。例如，若本安電源具備硬件自鎖電路或者電源保護(hù)芯片具備電壓跌落硬件監(jiān)測功能，則需妥善處理，否則誤動(dòng)作導(dǎo)致的供電中斷會(huì)使供電缺口進(jìn)一步加劇。

3 仿真整改思路探討

由Li的掃描仿真分析顯示，位于TVS后端的電感雖無力減小反向缺口，但其缺口波形呈現(xiàn)出了些許變化。因電感對(duì)高壓不敏感，且電感本安參數(shù)取值較電容相對(duì)寬裕，可從實(shí)際電路設(shè)計(jì)和整改出發(fā)，考慮將TVS前端串入電感，再次進(jìn)行仿真。

圖9 Li′為參數(shù)掃描變量波形

定義TVS前端電感為Li′，將Li′作為參數(shù)掃描變量，其它參數(shù)不變。Li′取值為0～200 μH，間隔40 μH以及Li′取值為500 μH～1.5 mH，間隔200 μH，仿真計(jì)算得到的波形如圖9所示。

由圖9(a)可以看出，Li′的取值會(huì)對(duì)Veut波形產(chǎn)生影響，電感量越大，Veut出現(xiàn)反向的時(shí)間越晚，且反向缺口持續(xù)時(shí)間越短，Vdc的跌落越小。這說明TVS等電壓防護(hù)器件外部電感對(duì)反向缺口具有明顯改善作用，因此電壓型浪涌防護(hù)器件前端電感可以作為整改的一個(gè)方向。

由圖9(b)可以看出，上述仿真分析并不是隨著電感取值的繼續(xù)增大就可以完全消除反向缺口，因?yàn)楫?dāng)電感值繼續(xù)增大至與去耦電路電感可比擬時(shí)，其效果將取決于EUT、去耦電路以及AE的共同阻抗，而后繼續(xù)增大也將不會(huì)有改善效果。

考慮到二極管具有反向截止的特性，嘗試在電路中串聯(lián)二極管來改善反向電壓缺口，在兩級(jí)TVS防護(hù)中串入在二極管，二極管應(yīng)用電路以及仿真計(jì)算得到的波形如圖10所示

圖10 二極管應(yīng)用電路及仿真波形

由圖10可以看出，第二級(jí)防護(hù)的TVS2端電壓未出現(xiàn)反向電壓缺口，最低電壓在16 V以上。由此可見，仿真整改中二極管可有效解決反向缺口問題。但在實(shí)際應(yīng)用中，圖10電路中對(duì)二極管IFSM正向浪涌峰值電流和VRM反向耐壓峰值都具有較高的要求，同時(shí)滿足時(shí)較難實(shí)現(xiàn)，而電感對(duì)浪涌電流也有一定的抑制作用，可在后續(xù)的整改中考慮將電感和二極管結(jié)合的思路去設(shè)計(jì)電路。

4 結(jié)論

(1)在浪涌抗擾度試驗(yàn)中，本安型設(shè)備受儲(chǔ)能元件容量的限制，無法與CDN中大電容大電感抗衡，浪涌干擾的反向振蕩會(huì)引起反向電壓缺口，電壓型防護(hù)器件會(huì)加速這種缺口的到來。

(2)在本安型傳感器浪涌抗擾度試驗(yàn)中，為其供電的輔助設(shè)備參數(shù)可能會(huì)影響試驗(yàn)的最終結(jié)果。

(3)在本安允許的條件下，在TVS等電壓型防護(hù)器件前端串聯(lián)電感有助于緩解反向電壓缺口。

(4)在浪涌抗擾度試驗(yàn)中，兩級(jí)防護(hù)及二極管的應(yīng)用對(duì)于改善反向電壓缺口具有顯著作用，但需要注意其選型。