本安隔離電源電磁掃描優(yōu)化設計

路 萍

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

隨著電子技術的快速發(fā)展，煤礦設備也向著集成化、小型化、智能化的方向發(fā)展，微弱信號采集和處理、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃录夹g不斷涌現(xiàn)，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)設備系統(tǒng)集成度越來越高，各設備之間協(xié)同工作、互相影響，電磁兼容性問題也日益突出。

國際電工委員會標準IEC 對電磁兼容的定義為：系統(tǒng)或設備在所處的電磁環(huán)境中能正常工作，同時不會對其它系統(tǒng)和設備造成干擾。EMC 測試包括EMI（電磁干擾）及EMS（電磁耐受性）兩部分，EMI 電磁干擾，表示機器本身在執(zhí)行自有功能的過程中所產(chǎn)生不利于其它系統(tǒng)的電磁噪聲；而EMS 指機器在執(zhí)行自有功能的過程中不受周圍電磁環(huán)境影響的能力。目前在煤礦設備標準要求中，主要是參照AQ6201-2006 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術要求中的有關規(guī)定，對設備的抗干擾性能進行了規(guī)定，而對電子設備EMI 電磁干擾缺少規(guī)定。隨著煤礦設備集成度越來越高，各功能部件之間的相互影響越來越大，針對部件的EMI 性能也應該設計考慮，系統(tǒng)穩(wěn)定性才能得到進一步的提高。

工程上對集成電路和電子設備進行電磁干擾EMI 測試的方法有在微波暗室中進行遠場測試。遠場測試關注于整個設備在某個頻率點處的電磁輻射值，并不對設備內(nèi)部設置的電路板中的具體位置處產(chǎn)生的電磁干擾進行測量。但是，在很多時候設備電磁兼容測試不達標的原因是因為設備內(nèi)部設置的集成電路產(chǎn)生的電磁輻射過大。因此，遠場測試不能準確定位集成電路中干擾源的位置，也不能測量到準確的干擾值。解決電磁兼容性問題，就是要查明并且減少實際的干擾源，其中一個最重要的解決芯片級電磁兼容的方法就是近場表面掃描法，采用這種方法，能夠使集成電路表面電磁場的實際磁場和電場形象化，同時，還能準確、容易地定位集成電路電磁輻射的干擾源[1-3]。本文利用近場探頭診斷方式，對本安隔離電源主板進行近場掃描測試，獲取主板PCB 電路電磁輻射參數(shù)及溫度參數(shù)，分析數(shù)據(jù)特性，優(yōu)化器件布局、電路設計、布線規(guī)則，減小器件間的電磁干擾，提高設備穩(wěn)定性。

1 電磁干擾分析

電磁輻射源產(chǎn)生交變電磁場，一部分電磁場能量在輻射源周圍空間周期性流動，不向外輻射，稱為感應場或近場；另一部分電磁場以電磁波的形式向外發(fā)射，稱為輻射場或遠場。標準EMI 輻射發(fā)射測試中，通常進行標準3 米法暗室或者10 米法暗室，進行3 m 或10 m 測試距離的遠場測量，測試系統(tǒng)由自動測試軟件、信號接收機和接收天線等組成。遠場輻射發(fā)射測量可以準確地測出被測器件是否符合相應的EMC 標準。但是，遠場測試無法識別，超標輻射發(fā)射問題到底是來自于板卡上面CPU、晶振、USB 之類的部分模塊，還是來自外殼縫隙，或來自連接的電纜乃至電源線。在這種情況下，通常只能使用頻譜分析儀和近場探頭，通過近場測試來定位這些發(fā)射源。近場測試常采用相對量測試，這意味著它需要把被測器件的測試結果與基準器件的測試結果進行比較，以預測被測器件通過一致性測試的可能性[4-5]。

近場測量相關標準目前有國際電工委員會制定的集成電路電磁兼容性測試標準IEC61967 以及集成電路電磁抗擾度測試標準IEC62132。IEC61967提供了TEM 小室法、表面掃描法、1 Ω/150 Ω 直接耦合法、法拉第籠工作臺法對集成電路的電磁發(fā)射情況進行測試[6-7]。其中表面掃描法通過測量集成電路表面電場和磁場的方法來描述集成電路的電磁發(fā)射特性。該方法的測量頻率范圍可達10 MHz～3 GHz，測量采用電場探頭或磁場探頭按一定順序掃過集成電路表面，由接收機將相應的測量結果依次傳送給計算機處理。測試結果的準確性與電場或磁場探頭的特性和探頭定位裝置的精度有關。該方法可用于探測集成電路芯片上不同部位的電磁發(fā)射分布情況，同時適用于對集成電路組成的電路板卡各功能部件的電磁發(fā)射特性的比較。

2 本安隔離電源板卡分析

本文本安隔離電源板卡主要實現(xiàn)蓄電池電壓輸入，通過電源隔離模塊后，經(jīng)過兩個具有過流和過壓保護的18 V 電源模塊，輸出兩路18 V 本安直流電源供給本安設備。同時，電源輸出兩路通訊信號，通過光耦進行隔離，實現(xiàn)外部設備與本安設備的數(shù)據(jù)通訊交互。本安隔離電源原理框圖如圖1 所示。

圖1 本安隔離電源原理框圖Fig.1 Functional block diagram of intrinsically safe isolated power supply

本安隔離電源電路設計有前級隔離模塊、過流過壓保護模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊、電源通訊模塊等集成電路部分。前級隔離模塊實現(xiàn)1500 V 的耐壓，模塊內(nèi)部包含開關管、隔離變壓器、電感、穩(wěn)壓管等器件。高頻的開關動作會產(chǎn)生脈沖電壓和電流，導致電磁波輻射強度的變化。隔離模塊內(nèi)部的寄生電感器和寄生電容器也會產(chǎn)生電磁輻射。在每個開關周期里，存儲在寄生電感器中的能量將和存儲于寄生電容器中的能量發(fā)生共振。當能量釋放時將在開關節(jié)點上產(chǎn)生一個很大的電壓尖峰，其最大可達輸入電壓的2 倍，當開關管電流增加時，存儲在寄生電容器中的能量往往也會增加。另外，開關動作還使輸入電流以及流過頂端和底端開關管的電流產(chǎn)生脈動。由于電源電纜和PCB 板印制線充當了發(fā)射天線，此脈沖電流產(chǎn)生電波，從而產(chǎn)生輻射發(fā)射和傳導發(fā)射。當輸入電壓和輸出電流增加時，每個周期中功率電感器改變極性時開關節(jié)點上的電壓尖峰也將增大。而且，輸出電流越高，電路回路內(nèi)部產(chǎn)生的脈沖電流越大。因此，輻射發(fā)射在很大程度上取決于被測試器件所處的電氣操作條件。一般來說，輻射噪聲將隨著輸入電壓和輸出功率特別是輸出電流的提高而增加[8-9]。

后級的過流過壓保護模塊也包含了變壓器、功率MOSFET、電感、穩(wěn)壓管等器件。本安隔離電源板卡上的數(shù)據(jù)通訊模塊和電源通訊模塊由光耦隔離，PCB 板上的電阻、電容、寄生電容等都會對通訊信號波形產(chǎn)生影響。

本安隔離電源實現(xiàn)非本安電源和信號到本安電源和信號的轉換，每一級電源處理都有功耗損耗，產(chǎn)生熱量使模塊溫度升高，熱噪聲降低模塊參數(shù)性能，所以進行板卡溫度特性分析及處理，對于電路板穩(wěn)定性具有重要意義。

3 本安隔離電源測試分析

本文采用重慶大學研制的電場-磁場-溫度電路環(huán)境檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)符合國際電工委員會電磁發(fā)射測試標準IEC61967-3 中表面掃描測試設備要求。測試系統(tǒng)可用于集成電路元器件、線纜、PCB 板、零部件和手機等手持終端部件表面磁場、電場及溫度近場微探針自動測量，實時顯示掃描軌跡、數(shù)據(jù)波形、掃描進度及對應坐標位置的參數(shù)值。配套的XYCom 差異比較軟件，可實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)與改進數(shù)據(jù)參數(shù)比對，生成差異圖，用于測試設備優(yōu)化改進后數(shù)據(jù)比對。測試系統(tǒng)具有原點定位功能，測試重復性好，便于比較結果。檢測系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 電場-磁場-溫度電路環(huán)境檢測系統(tǒng)Fig.2 Electric-magnetic-temperature detection system for circuit environment

本安隔離電源正常工作時，需要電源輸入和連接負載。采用穩(wěn)壓電源輸出24 V 電源作為本安電源輸入端，無線傳輸模塊和電源控制器接入實現(xiàn)本安電源兩路通訊信號正常工作，接入液晶顯示屏、甲烷傳感器和流量傳感器實現(xiàn)正常工作時的本安隔離電源負載接入。測試設備連接后，本安隔離電源板卡工作正常。掃描測試系統(tǒng)開始初始化，進行系統(tǒng)連接，探頭原點對準本安隔離電源板卡的左下角，啟動掃描。參數(shù)測量之前，掃描探頭首先進行測試板卡地形掃描，獲取測試板卡的空間高度差異數(shù)據(jù)。之后，探頭定位到原點，開始步距為5 mm 掃描，測試系統(tǒng)顯示屏實時顯示掃描軌跡和實時電磁場及溫度數(shù)據(jù)，同時，可在顯示界面進行視頻監(jiān)控，實時觀察掃描過程。測試操作界面如圖3 所示。

圖3 測試流程界面顯示圖Fig.3 Test flow interface diagram

本安隔離電源電路板第一版掃描測試后，可以獲得電路板磁場、電場和溫度的測試數(shù)據(jù)，多維彩色圖形可顯示結果，其中磁場測試數(shù)據(jù)如圖4 和圖5 所示。

圖4 電路板磁場色度圖顯示Fig.4 Magnetic field chroma diagram of circuit board

圖5 電路板磁場三維顯示Fig.5 Magnetic field 3D display diagram of circuit board

通過對第一版本安隔離電源電路板測試可以發(fā)現(xiàn)，磁場輻射最強的區(qū)域一是1500 V 隔離電源模塊區(qū)域，另一個是本安電源輸出端口電壓，由于第一路本安電源接有負載，電流越大輻射強度越高，顏色最深的地方是裸露的電壓接線端子。測試板卡電場強度比較高的地方為電源模塊輸入端口附近區(qū)域，輸入電壓為18 V，此電壓同時是本安隔離電源輸出電壓。從溫度場可見，最高區(qū)域為隔離轉換電源模塊區(qū)域和限壓限流電源模塊區(qū)域，最高溫度高達42°。

從電磁場掃描結果看，電場和磁場區(qū)域輻射高的區(qū)域有一定一致性，對1500 V 隔離電源模塊和18 V 輸入的電源模塊輸入端增加1 mH 共模電感和低ESR 陶瓷去耦電容器濾波，同時模塊輸入輸出兩端增加安規(guī)電容。1500 V 隔離電源模塊表面溫度較高，需要增加散熱片和散熱硅膠降低溫度。通訊隔離器件及電源隔離器件，調整器件布局，避免不同電源系統(tǒng)的PCB 走線相互干擾，提高端口間承受的耐壓值。經(jīng)改進后第二版電路板卡再次進行掃描測試，磁場測試結果如圖6 和圖7 所示。

圖6 電路板磁場色度圖顯示Fig.6 Magnetic field chroma diagram of circuit board

圖7 電路板磁場三維顯示Fig.7 Magnetic field 3D display diagram of circuit board

測試修改后的板卡，輸入電源及信號網(wǎng)絡與輸出電源及信號網(wǎng)絡，通過變壓器隔離、光耦隔離及器件布局調整，大大減小了線路間的輻射干擾。通過增加共模電感和去耦電容器濾波，使電源紋波減小，電場和磁場相應減小。通過增加散熱片和散熱硅膠，與外殼緊密靠近，可增大散熱面積，使電源整體溫度下降。

電場-磁場-溫度電路環(huán)境檢測系統(tǒng)可以對兩個版本的參數(shù)進行比對分析，直觀顯示優(yōu)化改進后的效果，第一版本和第二版本電源板的磁場參數(shù)比對如圖8 所示。

圖8 磁場參數(shù)差異比對圖Fig.8 Comparison diagram of magnetic field parameter difference

選擇濾鏡閾值15，消除可能存在的系統(tǒng)底噪影響，差異圖顯示出1500 V 隔離電源模塊和18 V 輸入的電源模塊附近的磁場顯著減小，光耦隔離芯片附件的磁場也明顯減小，說明經(jīng)過布局改進及器件優(yōu)化后，電路的磁場輻射得到改善。同時，對兩種電路板的電場和溫度也進行了差異比對，第二版電路板的性能得到改善。

實驗中采用電磁近場掃描系統(tǒng)掃描測量電路板的電磁環(huán)境，測量結果以Excel 表格文件形式導出，上位機進行可視化分析，有利于產(chǎn)品開發(fā)進行電路板EMC 的設計與改進。

4 結語

本文利用電場-磁場-溫度電路環(huán)境檢測系統(tǒng)對本安隔離電源板卡進行了測試，獲取了電源主板的電場、磁場的近場輻射數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，通過分析，進行了電路板改進，增加了共模電感、電容等器件，PCB 布局線路調整，增加散熱處理，再次掃描后，本安隔離電源板卡電磁近場輻射明顯改善，板卡溫度特性也有所改善，說明通過對本安隔離電源板卡的電磁場及溫度掃描，有助于優(yōu)化產(chǎn)品EMC設計，減小網(wǎng)絡間輻射干擾，提高產(chǎn)品穩(wěn)定性。