路 萍

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039）

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

國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 對(duì)電磁兼容的定義為：系統(tǒng)或設(shè)備在所處的電磁環(huán)境中能正常工作，同時(shí)不會(huì)對(duì)其它系統(tǒng)和設(shè)備造成干擾。EMC 測(cè)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(jī)器本身在執(zhí)行自有功能的過(guò)程中所產(chǎn)生不利于其它系統(tǒng)的電磁噪聲；而EMS 指機(jī)器在執(zhí)行自有功能的過(guò)程中不受周?chē)姶怒h(huán)境影響的能力。目前在煤礦設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)要求中，主要是參照AQ6201-2006 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求中的有關(guān)規(guī)定，對(duì)設(shè)備的抗干擾性能進(jìn)行了規(guī)定，而對(duì)電子設(shè)備EMI 電磁干擾缺少規(guī)定。隨著煤礦設(shè)備集成度越來(lái)越高，各功能部件之間的相互影響越來(lái)越大，針對(duì)部件的EMI 性能也應(yīng)該設(shè)計(jì)考慮，系統(tǒng)穩(wěn)定性才能得到進(jìn)一步的提高。

工程上對(duì)集成電路和電子設(shè)備進(jìn)行電磁干擾EMI 測(cè)試的方法有在微波暗室中進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試。遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試關(guān)注于整個(gè)設(shè)備在某個(gè)頻率點(diǎn)處的電磁輻射值，并不對(duì)設(shè)備內(nèi)部設(shè)置的電路板中的具體位置處產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)行測(cè)量。但是，在很多時(shí)候設(shè)備電磁兼容測(cè)試不達(dá)標(biāo)的原因是因?yàn)樵O(shè)備內(nèi)部設(shè)置的集成電路產(chǎn)生的電磁輻射過(guò)大。因此，遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試不能準(zhǔn)確定位集成電路中干擾源的位置，也不能測(cè)量到準(zhǔn)確的干擾值。解決電磁兼容性問(wèn)題，就是要查明并且減少實(shí)際的干擾源，其中一個(gè)最重要的解決芯片級(jí)電磁兼容的方法就是近場(chǎng)表面掃描法，采用這種方法，能夠使集成電路表面電磁場(chǎng)的實(shí)際磁場(chǎng)和電場(chǎng)形象化，同時(shí)，還能準(zhǔn)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(chǎng)探頭診斷方式，對(duì)本安隔離電源主板進(jìn)行近場(chǎng)掃描測(cè)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(shè)計(jì)、布線規(guī)則，減小器件間的電磁干擾，提高設(shè)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(chǎng)，一部分電磁場(chǎng)能量在輻射源周?chē)臻g周期性流動(dòng)，不向外輻射，稱(chēng)為感應(yīng)場(chǎng)或近場(chǎng)；另一部分電磁場(chǎng)以電磁波的形式向外發(fā)射，稱(chēng)為輻射場(chǎng)或遠(yuǎn)場(chǎng)。標(biāo)準(zhǔn)EMI 輻射發(fā)射測(cè)試中，通常進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)3 米法暗室或者10 米法暗室，進(jìn)行3 m 或10 m 測(cè)試距離的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量，測(cè)試系統(tǒng)由自動(dòng)測(cè)試軟件、信號(hào)接收機(jī)和接收天線等組成。遠(yuǎn)場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)量可以準(zhǔn)確地測(cè)出被測(cè)器件是否符合相應(yīng)的EMC 標(biāo)準(zhǔn)。但是，遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試無(wú)法識(shí)別，超標(biāo)輻射發(fā)射問(wèn)題到底是來(lái)自于板卡上面CPU、晶振、USB 之類(lèi)的部分模塊，還是來(lái)自外殼縫隙，或來(lái)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(chǎng)探頭，通過(guò)近場(chǎng)測(cè)試來(lái)定位這些發(fā)射源。近場(chǎng)測(cè)試常采用相對(duì)量測(cè)試，這意味著它需要把被測(cè)器件的測(cè)試結(jié)果與基準(zhǔn)器件的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，以預(yù)測(cè)被測(cè)器件通過(guò)一致性測(cè)試的可能性[4-5]。

近場(chǎng)測(cè)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)目前有國(guó)際電工委員會(huì)制定的集成電路電磁兼容性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)IEC61967 以及集成電路電磁抗擾度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)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(tái)法對(duì)集成電路的電磁發(fā)射情況進(jìn)行測(cè)試[6-7]。其中表面掃描法通過(guò)測(cè)量集成電路表面電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方法來(lái)描述集成電路的電磁發(fā)射特性。該方法的測(cè)量頻率范圍可達(dá)10 MHz～3 GHz，測(cè)量采用電場(chǎng)探頭或磁場(chǎng)探頭按一定順序掃過(guò)集成電路表面，由接收機(jī)將相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果依次傳送給計(jì)算機(jī)處理。測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性與電場(chǎng)或磁場(chǎng)探頭的特性和探頭定位裝置的精度有關(guān)。該方法可用于探測(cè)集成電路芯片上不同部位的電磁發(fā)射分布情況，同時(shí)適用于對(duì)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(shí)現(xiàn)蓄電池電壓輸入，通過(guò)電源隔離模塊后，經(jīng)過(guò)兩個(gè)具有過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)的18 V 電源模塊，輸出兩路18 V 本安直流電源供給本安設(shè)備。同時(shí)，電源輸出兩路通訊信號(hào)，通過(guò)光耦進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備與本安設(shè)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(shè)計(jì)有前級(jí)隔離模塊、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)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(jí)隔離模塊實(shí)現(xiàn)1500 V 的耐壓，模塊內(nèi)部包含開(kāi)關(guān)管、隔離變壓器、電感、穩(wěn)壓管等器件。高頻的開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生脈沖電壓和電流，導(dǎo)致電磁波輻射強(qiáng)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(huì)產(chǎn)生電磁輻射。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期里，存儲(chǔ)在寄生電感器中的能量將和存儲(chǔ)于寄生電容器中的能量發(fā)生共振。當(dāng)能量釋放時(shí)將在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生一個(gè)很大的電壓尖峰，其最大可達(dá)輸入電壓的2 倍，當(dāng)開(kāi)關(guān)管電流增加時(shí)，存儲(chǔ)在寄生電容器中的能量往往也會(huì)增加。另外，開(kāi)關(guān)動(dòng)作還使輸入電流以及流過(guò)頂端和底端開(kāi)關(guān)管的電流產(chǎn)生脈動(dòng)。由于電源電纜和PCB 板印制線充當(dāng)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(dǎo)發(fā)射。當(dāng)輸入電壓和輸出電流增加時(shí)，每個(gè)周期中功率電感器改變極性時(shí)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(cè)試器件所處的電氣操作條件。一般來(lái)說(shuō)，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(jí)的過(guò)流過(guò)壓保護(hù)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(huì)對(duì)通訊信號(hào)波形產(chǎn)生影響。

本安隔離電源實(shí)現(xiàn)非本安電源和信號(hào)到本安電源和信號(hào)的轉(zhuǎn)換，每一級(jí)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(jìn)行板卡溫度特性分析及處理，對(duì)于電路板穩(wěn)定性具有重要意義。

3 本安隔離電源測(cè)試分析

本文采用重慶大學(xué)研制的電場(chǎng)-磁場(chǎng)-溫度電路環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)符合國(guó)際電工委員會(huì)電磁發(fā)射測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)IEC61967-3 中表面掃描測(cè)試設(shè)備要求。測(cè)試系統(tǒng)可用于集成電路元器件、線纜、PCB 板、零部件和手機(jī)等手持終端部件表面磁場(chǎng)、電場(chǎng)及溫度近場(chǎng)微探針自動(dòng)測(cè)量，實(shí)時(shí)顯示掃描軌跡、數(shù)據(jù)波形、掃描進(jìn)度及對(duì)應(yīng)坐標(biāo)位置的參數(shù)值。配套的XYCom 差異比較軟件，可實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)與改進(jìn)數(shù)據(jù)參數(shù)比對(duì)，生成差異圖，用于測(cè)試設(shè)備優(yōu)化改進(jìn)后數(shù)據(jù)比對(duì)。測(cè)試系統(tǒng)具有原點(diǎn)定位功能，測(cè)試重復(fù)性好，便于比較結(jié)果。檢測(cè)系統(tǒng)如圖2 所示。

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

本安隔離電源正常工作時(shí)，需要電源輸入和連接負(fù)載。采用穩(wěn)壓電源輸出24 V 電源作為本安電源輸入端，無(wú)線傳輸模塊和電源控制器接入實(shí)現(xiàn)本安電源兩路通訊信號(hào)正常工作，接入液晶顯示屏、甲烷傳感器和流量傳感器實(shí)現(xiàn)正常工作時(shí)的本安隔離電源負(fù)載接入。測(cè)試設(shè)備連接后，本安隔離電源板卡工作正常。掃描測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)始初始化，進(jìn)行系統(tǒng)連接，探頭原點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)本安隔離電源板卡的左下角，啟動(dòng)掃描。參數(shù)測(cè)量之前，掃描探頭首先進(jìn)行測(cè)試板卡地形掃描，獲取測(cè)試板卡的空間高度差異數(shù)據(jù)。之后，探頭定位到原點(diǎn)，開(kāi)始步距為5 mm 掃描，測(cè)試系統(tǒng)顯示屏實(shí)時(shí)顯示掃描軌跡和實(shí)時(shí)電磁場(chǎng)及溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)，可在顯示界面進(jìn)行視頻監(jiān)控，實(shí)時(shí)觀察掃描過(guò)程。測(cè)試操作界面如圖3 所示。

圖3 測(cè)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(cè)試后，可以獲得電路板磁場(chǎng)、電場(chǎng)和溫度的測(cè)試數(shù)據(jù)，多維彩色圖形可顯示結(jié)果，其中磁場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4 和圖5 所示。

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

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

通過(guò)對(duì)第一版本安隔離電源電路板測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)輻射最強(qiáng)的區(qū)域一是1500 V 隔離電源模塊區(qū)域，另一個(gè)是本安電源輸出端口電壓，由于第一路本安電源接有負(fù)載，電流越大輻射強(qiáng)度越高，顏色最深的地方是裸露的電壓接線端子。測(cè)試板卡電場(chǎng)強(qiáng)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(shí)是本安隔離電源輸出電壓。從溫度場(chǎng)可見(jiàn)，最高區(qū)域?yàn)楦綦x轉(zhuǎn)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(dá)42°。

從電磁場(chǎng)掃描結(jié)果看，電場(chǎng)和磁場(chǎng)區(qū)域輻射高的區(qū)域有一定一致性，對(duì)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(shí)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(diào)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(jìn)后第二版電路板卡再次進(jìn)行掃描測(cè)試，磁場(chǎng)測(cè)試結(jié)果如圖6 和圖7 所示。

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

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

測(cè)試修改后的板卡，輸入電源及信號(hào)網(wǎng)絡(luò)與輸出電源及信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)變壓器隔離、光耦隔離及器件布局調(diào)整，大大減小了線路間的輻射干擾。通過(guò)增加共模電感和去耦電容器濾波，使電源紋波減小，電場(chǎng)和磁場(chǎng)相應(yīng)減小。通過(guò)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(chǎng)-磁場(chǎng)-溫度電路環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)兩個(gè)版本的參數(shù)進(jìn)行比對(duì)分析，直觀顯示優(yōu)化改進(jìn)后的效果，第一版本和第二版本電源板的磁場(chǎng)參數(shù)比對(duì)如圖8 所示。

圖8 磁場(chǎng)參數(shù)差異比對(duì)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(chǎng)顯著減小，光耦隔離芯片附件的磁場(chǎng)也明顯減小，說(shuō)明經(jīng)過(guò)布局改進(jìn)及器件優(yōu)化后，電路的磁場(chǎng)輻射得到改善。同時(shí)，對(duì)兩種電路板的電場(chǎng)和溫度也進(jìn)行了差異比對(duì)，第二版電路板的性能得到改善。

實(shí)驗(yàn)中采用電磁近場(chǎng)掃描系統(tǒng)掃描測(cè)量電路板的電磁環(huán)境，測(cè)量結(jié)果以Excel 表格文件形式導(dǎo)出，上位機(jī)進(jìn)行可視化分析，有利于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)行電路板EMC 的設(shè)計(jì)與改進(jìn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用電場(chǎng)-磁場(chǎng)-溫度電路環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)本安隔離電源板卡進(jìn)行了測(cè)試，獲取了電源主板的電場(chǎng)、磁場(chǎng)的近場(chǎng)輻射數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)分析，進(jìn)行了電路板改進(jìn)，增加了共模電感、電容等器件，PCB 布局線路調(diào)整，增加散熱處理，再次掃描后，本安隔離電源板卡電磁近場(chǎng)輻射明顯改善，板卡溫度特性也有所改善，說(shuō)明通過(guò)對(duì)本安隔離電源板卡的電磁場(chǎng)及溫度掃描，有助于優(yōu)化產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)，減小網(wǎng)絡(luò)間輻射干擾，提高產(chǎn)品穩(wěn)定性。