基于ADS的本安型傳感器浪涌試驗仿真分析

張子良

(1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京市朝陽區，100013； 2. 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京市朝陽區，100013； 3. 北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京市朝陽區，100013)

由于煤礦井下巷道呈條狀分布且空間有限，因此開關、變壓器、電磁起動器、變頻器等多種電氣設備會產生各種電磁干擾，這些干擾以電磁感應、輻射和傳導的方式影響著礦井監控和通信系統等電子設備的正常工作，隨著設備功率和電壓的逐漸提高，對監測監控電子設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，是開關和變頻器等大功率設備啟停引起的一種瞬態的過電壓和短路電流，對電子設備的破壞也最為嚴重。

目前，對于礦井浪涌的電磁特性以及防爆殼體對浪涌的屏蔽效能等方面研究取得了部分成果，但對于煤礦產品特別是本安型設備的浪涌抗干擾設計方面的文章較少，大都是一些綜述性或通用性的整改建議，多數停留在其它領域成熟防護電路的移植應用上面，而對于具體試驗暫態過程、浪涌干擾機理以及針對煤礦產品整改難點等方面的研究較少。

在其它非煤行業產品電磁兼容試驗中，浪涌抗擾度試驗順利通過并非難點，但在煤礦領域，尤其是本安型產品，以性能判據A(試驗過程中被試設備工作完全正常)通過試驗則成為各個廠家公認的難點，而這從《煤礦安全監控系統通用技術要求》(AQ/T 6201-2017)和《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》(煤安監函〔2016〕5號)對浪涌抗擾度試驗要求僅為判據B(施加干擾時被試設備工作指標或性能出現非期望偏離，但當干擾去除后可自行恢復)也可以體現。其原因一方面是受制于煤礦安全規程的特殊要求，如本安型設備儲能元件的限值、本安電路與外殼以及不同本安電路之間絕緣耐壓等；另一方面是各個企業技術人員整改時，大都直接移植其它領域成熟的防護電路來作試探性的測試，對試驗機理和瞬態過程研究不深，以至于無法準確地把握整改方向。

本文以本安型傳感器為研究對象，從電源端口浪涌抗擾度試驗的具體問題出發，應用ADS軟件建立試驗仿真模型，對試驗現象進行分析研究，探討模型中各個參數變量對波形的影響，對整改提出部分思路和建議。

1 浪涌抗擾度試驗現象及仿真模型建立

1.1 試驗現象

按照標準《電磁兼容試驗和測量技術浪涌(沖擊)抗擾度試驗》(GB/T 17626.5-2008)的要求，進行傳感器直流電源端口浪涌抗擾度試驗，試驗過程中，傳感器作為被試設備(EUT)，穩壓源作為輔助設備(AE)，采用發生器直接注入的方式進行，試驗電壓為線-線1 kV(3級)，正負各5次，脈沖間隔時間為1 min。

以甲烷傳感器為例，在進行初級整改后，已達到判據B，但仍會在+1 kV浪涌抗擾度試驗中出現復位重啟，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，傳感器電源端口電壓(綠色)出現了近500 μs的反向電壓缺口，穩壓源輸出電壓(黃色)也出現了下降，正是此缺口的出現造成了傳感器的短時斷電復位。為了明確試驗暫態過程，分析反向缺口產生原因，理清各個電路參數對缺口的影響，明確后續整改思路，本文應用ADS(Advanced Design System)仿真軟件對試驗過程進行了暫態仿真。

1.2 仿真模型建立

浪涌抗擾度試驗仿真模型由發生器、耦合去耦網絡(CDN)、被試設備(EUT)、輔助設備(AE)4個部分組成，傳感器直流供電端口浪涌抗擾度試驗仿真電路圖(線-線耦合)如圖2所示。

圖2中的發生器模型參照標準《電磁兼容試驗和測量技術浪涌(沖擊)抗擾度試驗》(GB/T 17626.5-2008)中組合波發生器電路原理圖，根據標準給出的開路電壓和短路電流波形及參數，利用ADS優化設計確定元器件參數的最優值。其中，Cc=10 μF，Rm=1.4 Ω，Lr=8.54 μH、Rs1=10 Ω、Rs2=20.5 Ω，可產生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，符合標準要求。

CDN中耦合網絡為18 μF的電容Cdm，去耦網絡由1.5 mH電感Ld1、Ld2以及30 μF電容Cd組成，其對高頻干擾呈現高阻抗，對AE起到保護作用；AE為穩壓源，為傳感器供電，VDC=22 V，內阻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的參數值均取自傳感器的本安參數，Li=1μH，Ci=2μF，Ri=500 Ω，TVS為傳感器電源端防護器件。仿真計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仿真電路圖(線-線耦合)

圖3 +1 kV浪涌試驗仿真波形

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

2 仿真模型參數變量分析

在上述仿真模型中，發生器和CDN模型參數是確定的，EUT和AE的參數并不確定，了解各參數對波形的變化影響有助于后續傳感器電路的整改設計。

將傳感器等效電路中保護器件TVS去除，在LRC不考慮耐壓及飽和的情況下，仿真計算得到的波形如圖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生器輸出電壓基本同步，隨著發生器浪涌電壓回落0軸振蕩一起振蕩，因沒有TVS鉗位，所以幅度更大，出現的反向電壓缺口也都在500 μs左右，Veut變負向的時間分別為130 μs和150 μs，對比圖3可以說明，TVS的引入在鉗位浪涌高壓保護傳感器的同時也加速電壓反向缺口的產生。

圖4 去除TVS后的仿真波形

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

圖5 Ri為參數掃描變量波形

由圖5可以看出，6個Veut和6個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。后續仿真中，仍取Ri=500 Ω。

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

圖6 Ci為參數掃描變量波形

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

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

圖7 Li為參數掃描變量波形

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

將穩壓源內阻R0作為參數掃描變量，其它參數不變。R0取值從0.1～10 Ω，間隔2 Ω，仿真計算得到的波形如圖8所示。

圖8 R0為參數掃描變量波形

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會跌落到至0 V以下。后續仿真取R0= 2 Ω。

通過以上參數掃描變量仿真分析顯示Ri、Ci的變化對傳感器端口電壓波形沒有影響，由此可得出對于只存在等效電阻和電容的本安型設備來說，其浪涌整改方案基本上是可以通用的。而穩壓源內阻R0對于電源輸出波形的影響則引出了一個設計注意事項：在本安電源設計時，輸出電阻應盡量小，但為了滿足本安要求，其電阻需要大于4 Ω以上時，就需要考慮到非故障狀態下輸出電壓跌落至0 V以下的誤動作情況。例如，若本安電源具備硬件自鎖電路或者電源保護芯片具備電壓跌落硬件監測功能，則需妥善處理，否則誤動作導致的供電中斷會使供電缺口進一步加劇。

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，但其缺口波形呈現出了些許變化。因電感對高壓不敏感，且電感本安參數取值較電容相對寬裕，可從實際電路設計和整改出發，考慮將TVS前端串入電感，再次進行仿真。

圖9 Li′為參數掃描變量波形

定義TVS前端電感為Li′，將Li′作為參數掃描變量，其它參數不變。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，仿真計算得到的波形如圖9所示。

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

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增大就可以完全消除反向缺口，因為當電感值繼續增大至與去耦電路電感可比擬時，其效果將取決于EUT、去耦電路以及AE的共同阻抗，而后繼續增大也將不會有改善效果。

考慮到二極管具有反向截止的特性，嘗試在電路中串聯二極管來改善反向電壓缺口，在兩級TVS防護中串入在二極管，二極管應用電路以及仿真計算得到的波形如圖10所示

圖10 二極管應用電路及仿真波形

由圖10可以看出，第二級防護的TVS2端電壓未出現反向電壓缺口，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。但在實際應用中，圖10電路中對二極管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，同時滿足時較難實現，而電感對浪涌電流也有一定的抑制作用，可在后續的整改中考慮將電感和二極管結合的思路去設計電路。

4 結論

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

(2)在本安型傳感器浪涌抗擾度試驗中，為其供電的輔助設備參數可能會影響試驗的最終結果。

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

(4)在浪涌抗擾度試驗中，兩級防護及二極管的應用對于改善反向電壓缺口具有顯著作用，但需要注意其選型。