基于ADS的本安型传感器浪涌试验仿真分析

张子良

(1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京市朝阳区，100013； 2. 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京市朝阳区，100013； 3. 北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京市朝阳区，100013)

由于煤矿井下巷道呈条状分布且空间有限，因此开关、变压器、电磁起动器、变频器等多种电气设备会产生各种电磁干扰，这些干扰以电磁感应、辐射和传导的方式影响着矿井监控和通信系统等电子设备的正常工作，随着设备功率和电压的逐渐提高，对监测监控电子设备的电磁干扰也变得更为突出。浪涌作为一种常见的干扰形式，是开关和变频器等大功率设备启停引起的一种瞬态的过电压和短路电流，对电子设备的破坏也最为严重。

目前，对于矿井浪涌的电磁特性以及防爆壳体对浪涌的屏蔽效能等方面研究取得了部分成果，但对于煤矿产品特别是本安型设备的浪涌抗干扰设计方面的文章较少，大都是一些综述性或通用性的整改建议，多数停留在其它领域成熟防护电路的移植应用上面，而对于具体试验暂态过程、浪涌干扰机理以及针对煤矿产品整改难点等方面的研究较少。

在其它非煤行业产品电磁兼容试验中，浪涌抗扰度试验顺利通过并非难点，但在煤矿领域，尤其是本安型产品，以性能判据A(试验过程中被试设备工作完全正常)通过试验则成为各个厂家公认的难点，而这从《煤矿安全监控系统通用技术要求》(AQ/T 6201-2017)和《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》(煤安监函〔2016〕5号)对浪涌抗扰度试验要求仅为判据B(施加干扰时被试设备工作指标或性能出现非期望偏离，但当干扰去除后可自行恢复)也可以体现。其原因一方面是受制于煤矿安全规程的特殊要求，如本安型设备储能元件的限值、本安电路与外壳以及不同本安电路之间绝缘耐压等；另一方面是各个企业技术人员整改时，大都直接移植其它领域成熟的防护电路来作试探性的测试，对试验机理和瞬态过程研究不深，以至于无法准确地把握整改方向。

本文以本安型传感器为研究对象，从电源端口浪涌抗扰度试验的具体问题出发，应用ADS软件建立试验仿真模型，对试验现象进行分析研究，探讨模型中各个参数变量对波形的影响，对整改提出部分思路和建议。

1 浪涌抗扰度试验现象及仿真模型建立

1.1 试验现象

按照标准《电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验》(GB/T 17626.5-2008)的要求，进行传感器直流电源端口浪涌抗扰度试验，试验过程中，传感器作为被试设备(EUT)，稳压源作为辅助设备(AE)，采用发生器直接注入的方式进行，试验电压为线-线1 kV(3级)，正负各5次，脉冲间隔时间为1 min。

以甲烷传感器为例，在进行初级整改后，已达到判据B，但仍会在+1 kV浪涌抗扰度试验中出现复位重启，传感器电源入口电压的示波器波形如图1所示。

图1 传感器电源入口电压示波器波形

由图1可以看出，在施加+1 kV浪涌干扰时，传感器电源端口电压(绿色)出现了近500 μs的反向电压缺口，稳压源输出电压(黄色)也出现了下降，正是此缺口的出现造成了传感器的短时断电复位。为了明确试验暂态过程，分析反向缺口产生原因，理清各个电路参数对缺口的影响，明确后续整改思路，本文应用ADS(Advanced Design System)仿真软件对试验过程进行了暂态仿真。

1.2 仿真模型建立

浪涌抗扰度试验仿真模型由发生器、耦合去耦网络(CDN)、被试设备(EUT)、辅助设备(AE)4个部分组成，传感器直流供电端口浪涌抗扰度试验仿真电路图(线-线耦合)如图2所示。

图2中的发生器模型参照标准《电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验》(GB/T 17626.5-2008)中组合波发生器电路原理图，根据标准给出的开路电压和短路电流波形及参数，利用ADS优化设计确定元器件参数的最优值。其中，Cc=10 μF，Rm=1.4 Ω，Lr=8.54 μH、Rs1=10 Ω、Rs2=20.5 Ω，可产生1.2/50 μs开路电压波和8/20 μs短路电流波，且开路输出电压峰值与短路电流峰值之比为2，符合标准要求。

CDN中耦合网络为18 μF的电容Cdm，去耦网络由1.5 mH电感Ld1、Ld2以及30 μF电容Cd组成，其对高频干扰呈现高阻抗，对AE起到保护作用；AE为稳压源，为传感器供电，VDC=22 V，内阻R0=2 Ω；EUT为本安型传感器等效模型，以LRC电路来等效甲烷传感器，其Ci、Li、Ri的参数值均取自传感器的本安参数，Li=1μH，Ci=2μF，Ri=500 Ω，TVS为传感器电源端防护器件。仿真计算后得到的波形如图3所示。

图2 传感器直流供电端口浪涌抗扰度试验仿真电路图(线-线耦合)

图3 +1 kV浪涌试验仿真波形

图3中Veut表示传感器电源端口电压，出现了近500 μs的反向电压缺口，Vdc表示稳压源输出电压，电压最低降至8.350 V。总体来说仿真波形与示波器波形基本一致，区别是前者的Veut峰值达到了108.941 V，而后者的电压峰值约为35 V，因仿真器件库中TVS响应速度比实际要慢，致使部分浪涌波头通过，造成仿真峰值较高，但该区别不影响后续的仿真分析。

2 仿真模型参数变量分析

在上述仿真模型中，发生器和CDN模型参数是确定的，EUT和AE的参数并不确定，了解各参数对波形的变化影响有助于后续传感器电路的整改设计。

将传感器等效电路中保护器件TVS去除，在LRC不考虑耐压及饱和的情况下，仿真计算得到的波形如图4所示。

由图4可以看出，在去除TVS后，不同传感器等效电路的波形基本相同，传感器电源端口电压与浪涌发生器输出电压基本同步，随着发生器浪涌电压回落0轴振荡一起振荡，因没有TVS钳位，所以幅度更大，出现的反向电压缺口也都在500 μs左右，Veut变负向的时间分别为130 μs和150 μs，对比图3可以说明，TVS的引入在钳位浪涌高压保护传感器的同时也加速电压反向缺口的产生。

图4 去除TVS后的仿真波形

恢复TVS，以LRC等效电路为代表，在本安范围内，对各变量进行参数扫描仿真分析。将传感器等效电阻Ri作为参数扫描变量，其它参数不变。Ri取值为100 Ω～1 kΩ，间隔200 Ω，仿真计算得到的波形如图5所示。

图5 Ri为参数扫描变量波形

由图5可以看出，6个Veut和6个Vdc波形分别重合在一起，说明传感器电阻值不影响Veut波形变化趋势。后续仿真中，仍取Ri=500 Ω。

将传感器等效电容Ci作为参数扫描变量，其它参数不变。Ci取值为0～5 μF，间隔1 μF，仿真计算得到的波形如图6所示。

图6 Ci为参数扫描变量波形

由图6可以看出，Veut波形也基本上粘合在一起，说明Veut波形变化趋势与传感器电容值关系也不大。后续仿真中，仍取Ci= 2 μF。

将传感器等效电感Li作为参数扫描变量，其它参数不变。Li取值为0 μH～100 μH，间隔20 μH，仿真计算得到的波形如图7所示。

图7 Li为参数扫描变量波形

由图7可以看出，Veut所有波形虽然没有重合(负向电压时)，但仍然都产生了反向电压缺口，且缺口宽度基本相同，说明电感对反向缺口的改善并不明显，仅仅只是在负向部分产生了小幅振荡，且电感量越大，Veut出现小波浪时间越晚，但幅度越大。后续仿真取Li=1 μH。

将稳压源内阻R0作为参数扫描变量，其它参数不变。R0取值从0.1～10 Ω，间隔2 Ω，仿真计算得到的波形如图8所示。

图8 R0为参数扫描变量波形

由图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会跌落到至0 V以下。后续仿真取R0= 2 Ω。

通过以上参数扫描变量仿真分析显示Ri、Ci的变化对传感器端口电压波形没有影响，由此可得出对于只存在等效电阻和电容的本安型设备来说，其浪涌整改方案基本上是可以通用的。而稳压源内阻R0对于电源输出波形的影响则引出了一个设计注意事项：在本安电源设计时，输出电阻应尽量小，但为了满足本安要求，其电阻需要大于4 Ω以上时，就需要考虑到非故障状态下输出电压跌落至0 V以下的误动作情况。例如，若本安电源具备硬件自锁电路或者电源保护芯片具备电压跌落硬件监测功能，则需妥善处理，否则误动作导致的供电中断会使供电缺口进一步加剧。

3 仿真整改思路探讨

由Li的扫描仿真分析显示，位于TVS后端的电感虽无力减小反向缺口，但其缺口波形呈现出了些许变化。因电感对高压不敏感，且电感本安参数取值较电容相对宽裕，可从实际电路设计和整改出发，考虑将TVS前端串入电感，再次进行仿真。

图9 Li′为参数扫描变量波形

定义TVS前端电感为Li′，将Li′作为参数扫描变量，其它参数不变。Li′取值为0～200 μH，间隔40 μH以及Li′取值为500 μH～1.5 mH，间隔200 μH，仿真计算得到的波形如图9所示。

由图9(a)可以看出，Li′的取值会对Veut波形产生影响，电感量越大，Veut出现反向的时间越晚，且反向缺口持续时间越短，Vdc的跌落越小。这说明TVS等电压防护器件外部电感对反向缺口具有明显改善作用，因此电压型浪涌防护器件前端电感可以作为整改的一个方向。

由图9(b)可以看出，上述仿真分析并不是随着电感取值的继续增大就可以完全消除反向缺口，因为当电感值继续增大至与去耦电路电感可比拟时，其效果将取决于EUT、去耦电路以及AE的共同阻抗，而后继续增大也将不会有改善效果。

考虑到二极管具有反向截止的特性，尝试在电路中串联二极管来改善反向电压缺口，在两级TVS防护中串入在二极管，二极管应用电路以及仿真计算得到的波形如图10所示

图10 二极管应用电路及仿真波形

由图10可以看出，第二级防护的TVS2端电压未出现反向电压缺口，最低电压在16 V以上。由此可见，仿真整改中二极管可有效解决反向缺口问题。但在实际应用中，图10电路中对二极管IFSM正向浪涌峰值电流和VRM反向耐压峰值都具有较高的要求，同时满足时较难实现，而电感对浪涌电流也有一定的抑制作用，可在后续的整改中考虑将电感和二极管结合的思路去设计电路。

4 结论

(1)在浪涌抗扰度试验中，本安型设备受储能元件容量的限制，无法与CDN中大电容大电感抗衡，浪涌干扰的反向振荡会引起反向电压缺口，电压型防护器件会加速这种缺口的到来。

(2)在本安型传感器浪涌抗扰度试验中，为其供电的辅助设备参数可能会影响试验的最终结果。

(3)在本安允许的条件下，在TVS等电压型防护器件前端串联电感有助于缓解反向电压缺口。

(4)在浪涌抗扰度试验中，两级防护及二极管的应用对于改善反向电压缺口具有显著作用，但需要注意其选型。