EMI保護(hù)的實(shí)際方面

文章討論了電磁干擾（EMI）的來源。它描述了使用氣體避雷器、壓敏電阻、抑制二極管、扼流圈和鐵氧體、電容器或串聯(lián)電阻器的設(shè)計如何保護(hù)設(shè)備。描述了EMI測試的方法。

介紹

我們生活的越來越多的方面依賴于電子設(shè)備和電器的不間斷運(yùn)行。“線控驅(qū)動”和“線控飛行”已成為日?，F(xiàn)實(shí)。特別是在自動化工廠和高可用性系統(tǒng)中，無法正常運(yùn)行的電子設(shè)備會造成巨大的損壞和中斷。

理想的電子電路應(yīng)該沒有有源電磁干擾（EMI，也稱為RFI或射頻干擾）源，并且不受外界干擾的被動影響。

最小化有源源的任務(wù)可能比防止干擾更容易。最小化EMI的常用技術(shù)包括線路濾波、電源設(shè)計、正確布局和屏蔽外殼。

電氣干擾可以通過電源線傳導(dǎo)，也可以通過電容、磁或電磁輻射通過空氣傳輸。通常，通過連接到設(shè)備的信號線傳導(dǎo)的干擾是最難管理的。在任何情況下，都必須區(qū)分防止損壞或故障的需要與防止信號或數(shù)據(jù)失真（例如微控制器程序序列中斷）的需要。第一個問題用硬件設(shè)計來攻擊，第二個問題用軟件算法來攻擊。

本文介紹了保護(hù)設(shè)備免受有害電壓和電流侵入的方法。

電磁干擾調(diào)節(jié)指南

認(rèn)識到EMI的重要性，政府機(jī)構(gòu)很早就承擔(dān)了通過法規(guī)加強(qiáng)設(shè)備兼容性的任務(wù)。例如，IEC 61000-4標(biāo)準(zhǔn)化了測試方法。與本次討論相關(guān)的部分包括用于靜電放電 （ESD） 的 IEC 61000-4-2、用于快速瞬變 （FTB） 的 IEC 61000-4-4 和用于高能瞬變 （SURGE） 的 IEC 61000-4-5。所有這些測試方法都依賴于電噪聲的真實(shí)模型。

在應(yīng)用任何保護(hù)元素之前，請考慮以下基本規(guī)則：

在設(shè)計電路時應(yīng)考慮EMI保護(hù)，而不是在之后添加。

盡可能靠近源頭阻止干擾，最好在干擾進(jìn)入設(shè)備之前;將它們重定向到地面。

所有可能受到EMI干擾的部分，即使是電氣隔離的部分，都應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離敏感電路。

由于信號電路無法承受千伏級電壓，因此必須從輸入中排除此類干擾，將其轉(zhuǎn)換為電流，然后再轉(zhuǎn)換為熱量。接地環(huán)路電流可以進(jìn)入接口并貫穿整個電路，通常通過電流隔離來阻止。隔離對于工業(yè)系統(tǒng)中可能發(fā)生的較長線路和高接地環(huán)路電流特別有用。

峰值為30A的ESD電流脈沖在接地走線上可能僅產(chǎn)生數(shù)十毫伏的阻性壓降。然而，其極陡峭的上升時間（> 30A/ns）可能會在同一走線上產(chǎn)生數(shù)百伏的感性壓降（假設(shè)導(dǎo)線電感約為1nH/cm），足以導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤。趨膚效應(yīng)適用于這些高頻;它通過強(qiáng)制電流僅在導(dǎo)體表面的微米內(nèi)流動來顯著增加導(dǎo)線電阻。為了抵消這種影響，接地連接需要較大的表面積來保持低電阻。

快速上升時間可以將FTB和ESD干擾從嘈雜部分電容耦合到所謂的安靜部分。在這種情況下，當(dāng)設(shè)計人員通過在主電源變壓器上增加繞組來提供電氣隔離電源時，經(jīng)常會犯一個錯誤。這種布置允許“感染線路”（外部信號的接地回路）污染整個電路。

作為一種緊湊、功能清潔且經(jīng)濟(jì)高效的替代方案，可以使用基于MAX253驅(qū)動器的正激轉(zhuǎn)換器在電路外圍產(chǎn)生輔助電壓。MAX253提供較小的電路板空間，在干凈電位和噪聲電位之間提供有效的屏障。所需的微型變壓器可以采用低于 10pF 的耦合電容制造，但在隔離千伏時傳輸高達(dá) 1W 的功率（圖 1）。

圖1.小型變壓器和驅(qū)動器IC從5V電源軌獲得隔離式5V電源。有關(guān)1CT：1.3CT的詳細(xì)信息，請參見MAX2數(shù)據(jù)資料中的表253。

其他常用的EMI保護(hù)元件如下所述。

氣體阻攔器是一種充滿氣體的碟形電容器，通常是氖氣。超過~100V的過電壓會產(chǎn)生等離子體，將電壓限制在低電平并承載高電流。氣體避雷器吸收高水平瞬變，但不適用于快速瞬變，因?yàn)榈入x子體的出現(xiàn)需要一些時間。它們不適合電源保護(hù)，并且難以在低源阻抗下使用。正常工作時的漏電流非常低。

壓敏電阻是一種由金屬氧化物（主要是鋅）制成的避雷器，通常形狀像帶有兩個連接器的平板電腦，每側(cè)一個。壓敏電阻的行為類似于齊納二極管，其響應(yīng)速度比氣體抑制器快得多，但漏電流較高，尤其是當(dāng)信號接近鉗位電壓時。

抑制器 （TransZorb） 二極管用于限制低電壓電平下的快速瞬變。其功耗能力因外形尺寸而異。至于壓敏電阻，它們在其擊穿電壓附近表現(xiàn)出明顯的漏電流。結(jié)電容也很重要，因此在快速系統(tǒng)中，它們通常通過二極管橋去耦。?

ESD結(jié)構(gòu)是一種新穎的設(shè)計，其行為有點(diǎn)像音調(diào)。這些設(shè)計集成在MAX202E、MAX485E、其它RS-232/RS-485收發(fā)器IC中，最近還集成在模擬多路復(fù)用器（如MAX4558）中。它們具有低電容和低漏電流特性，適用于ESD和FTB保護(hù)。

扼流圈、鐵氧體可以衰減高頻和快速電壓峰值，但不吸收太多能量。注意諧振效應(yīng)，并始終與衰減電容器（通常是T型結(jié)構(gòu)的LC濾波器）一起使用。電感器制造商通常指定自諧振頻率（SRF）。SRF 來自電感的寄生電容，當(dāng)在 SRF 上方工作時，該電容會抵消電感。為了獲得更好的性能，請使用電感器作為SRF下方的RF扼流圈，切勿在SRF上方使用電感器。這些器件經(jīng)常用于防止共模干擾和電源濾波。

電容器可能是最重要的保護(hù)元件。電容器的重要特性是等效串聯(lián)電阻 （ESR）、電感、大電流能力和電壓能力。在布局中正確放置電容器對于最小化EMI至關(guān)重要。如果使用得當(dāng)，電容器會從低通濾波器產(chǎn)生高頻接地，繞過RF信號到地。電容器還具有自諧振頻率，在該點(diǎn)上它變?yōu)楦行?。就像電感器一樣，?yīng)在SRF下方使用電容器。理解這一點(diǎn)的另一種方法是確保SRF遠(yuǎn)高于需要濾波的噪聲頻率。

串聯(lián)電阻器也是最重要和成本最低的保護(hù)元件之一。根據(jù)電阻和功耗正確選擇串聯(lián)電阻器，可以取代成本更高的元件，結(jié)果相當(dāng)。

良好的布局設(shè)計可以最大限度地減少EMI的影響?？焖匍_關(guān)電流產(chǎn)生磁場，快速變化的電壓產(chǎn)生電場，可能導(dǎo)致不希望的耦合。通過使用良好的接地和屏蔽外殼，可以最大限度地減少電磁耦合。正確放置過孔始終是一種好的做法。具有多個旁路電容器過孔，因?yàn)槎鄠€過孔會降低電阻和電感。此外，避免使用接地電壓電位不穩(wěn)定的接地。攜帶高頻信號的走線會產(chǎn)生時變電磁波，可以傳播干擾的原因。90度角的兩條走線使兩個信號之間的干擾最小。良好的外殼接地還有助于防止外部信號進(jìn)入系統(tǒng)。這反過來又屏蔽了電路。

以下示例說明了這些組件的使用、一些工作原理和可能的陷阱。

熱電偶

熱電偶信號具有準(zhǔn)靜態(tài)處理的優(yōu)勢。為了防止接地環(huán)路電流造成的信號失真，大多數(shù)熱電偶應(yīng)用在信號采集和信號處理電路之間提供電流隔離。如圖2a所示，差分信號通過多路復(fù)用器饋送到儀表放大器的輸入端，然后從那里饋送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。光電耦合或磁耦合通過隔離柵傳輸ADC的數(shù)字輸出。

圖 2a.這些組件處理來自熱電偶的差分信號。

熱電偶可通過每個電極上的2kΩ和100nF的簡單低通RC網(wǎng)絡(luò)輕松保護(hù)。一個具有高額定電壓的附加 1nF 分流電容器連接設(shè)備的電路公共框架和接地框架。該電容器將ESD干擾轉(zhuǎn)移到地，同時保持直流電流的電氣隔離。它還構(gòu)成一個電容分壓器，用于限制隔離電源的峰值電壓。為了進(jìn)一步限制峰值電壓，可以將高壓壓敏電阻與分流電容并聯(lián)（圖 2b）。

圖 2b.高壓壓敏電阻（左下）限制峰值電壓。

2kΩ電阻必須足夠大，以承受高電壓（高達(dá)±8kV ESD），并在FTB和U浪涌測試期間耗散大量能量。不幸的是，后續(xù)電路輸入端（即隔離柵之前）的漏電流可能會流過該保護(hù)串聯(lián)電阻，從而產(chǎn)生大量的靜態(tài)信號誤差。例如，多路復(fù)用器可能會引入不可接受的錯誤;為緩沖多路復(fù)用器而添加的放大器可能會引入額外的輸入失調(diào)和輸入電流誤差，同時增加系統(tǒng)的成本和電路板空間。

MAX4051A多路復(fù)用器與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MAX4051引腳和功能兼容，提供中等成本的替代方案。在擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)，其漏電流保證在 5nA （最大值），在 +2°C 時典型值僅為 25pA。 因此，串聯(lián)電阻器上最壞情況下的溫度泄漏會產(chǎn)生僅2μV的最大誤差。對于大多數(shù)熱電偶來說，這個誤差已經(jīng)足夠了。如果應(yīng)用需要更小的誤差，基于MAX4254四通道運(yùn)算放大器的儀表放大器緩沖器在整個溫度范圍內(nèi)可將漏電流降至100pA （最大值），在+1°C時降至25pA （典型值）。 此外，低輸入失調(diào)電壓（V操作系統(tǒng)） 漂移 （僅 0.3μV/°C） 使得該緩沖器對高阻抗、低電平信號極為有效。

另一種選擇是單芯片MAX1402信號采集系統(tǒng)，包括Σ-Δ型ADC、緩沖放大器、多路復(fù)用器、傳感器激勵電流源和用于信號驗(yàn)證的燒毀電流源。它具有非常低的輸入漏電流，并具有實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償?shù)葢?yīng)用的靈活性。

角度編碼器

工業(yè)角度編碼器確定電機(jī)中的轉(zhuǎn)子位置。精密定位系統(tǒng)具有雙通道、正交、差分正弦波（一些制造商稱為“正弦”信號）?？傊?，這些正弦曲線形成一個指針，可以精細(xì)地解析轉(zhuǎn)子位置。除了模擬位置信號線外，此類系統(tǒng)通常還包括RS-422或RS-485線，用于初始化編碼器并設(shè)置其參數(shù)。在某些情況下，這些線路長距離運(yùn)行，傳輸?shù)颓Ш掌濐l率和高達(dá)每秒兆比特的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)速率的模擬信號（圖 3）。

圖3.該光學(xué)編碼器系統(tǒng)中的通信由模擬“正弦”信號和雙向數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號組成。

因此，排除了大串聯(lián)電阻和無源RC組合形式的保護(hù)，但需要線路端接電阻（通常為120Ω）以防止反射。主要需求是防止ESD和FTB干擾。在采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)器的系統(tǒng)中（圖 4），差分發(fā)射器的輸出電壓受抑制二極管和去耦二極管的限制。（去耦二極管是反向偏置的，以將寬帶數(shù)據(jù)信號與抑制二極管的電容去耦，否則會嚴(yán)重衰減信號。

圖4.該二極管/抑制器網(wǎng)絡(luò)可防止ESD、FTB和浪涌故障造成的損壞。可選的 PTC 保險絲可防止與危險電壓的故障連接。

為接收器提供類似的保護(hù)，但有一個重要的區(qū)別：為了保證不對稱的共模范圍（EIA-7A為-12V至+422V），限幅網(wǎng)絡(luò)也必須是不對稱的。發(fā)射器輸出和接收器輸入符合相同的共模范圍，因此為了方便和經(jīng)濟(jì)起見，兩者都由相同的抑制二極管保護(hù)。但是，MAX490E是集成ESD和FTB保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的RS-422收發(fā)器，可以取代整個保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。

作為良好做法，收發(fā)器接地應(yīng)連接到外殼/接地，連接時間應(yīng)盡可能短。如果線路被屏蔽（強(qiáng)烈推薦?。?，屏蔽也應(yīng)該用短連接連接到這一點(diǎn)上。如果預(yù)計分離的接地電位之間會有較大的交換電流，則應(yīng)在屏蔽和接地之間插入一個100Ω串聯(lián)電阻，最好用低ESR電容旁路。

如果系統(tǒng)需要浪涌保護(hù)，則不可避免地使用外部保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。在這種情況下，建議拆分線路端接，使其也可以用作限流電阻。這在接收器側(cè)很容易實(shí)現(xiàn)，信號電平損失適中。對于驅(qū)動器側(cè)，鑒于MAX10E的差分輸出阻抗約為490Ω，必須驗(yàn)證大約40Ω的串聯(lián)電阻是否可以接受。圖4還給出了一個可能的電路，包括與數(shù)據(jù)線串聯(lián)的PTC保險絲。

標(biāo)準(zhǔn)信號接口

為系統(tǒng)選擇的信號傳輸模式受系統(tǒng)可能呈現(xiàn)的大量信號源和傳輸距離的影響。對于更高的帶寬和更長的線路，通常需要（特別是在易受干擾的系統(tǒng)中）將信號轉(zhuǎn)換為更高的電平：0V至10V;-10V至+10V;4mA至20mA;或者在某些情況下，差分模擬，如角度編碼器。其他系統(tǒng)更喜歡由電線、光纖或無線電鏈路承載的數(shù)字格式。在所有情況下，都應(yīng)通過將傳感器放置在盡可能靠近信號源的位置來最大程度地減少噪聲影響。

例如，±10V接口通常用于設(shè)置電機(jī)控制應(yīng)用中的目標(biāo)位置。這些環(huán)境嘈雜，當(dāng)發(fā)生接線錯誤時，24V 工業(yè)電源（始終存在于機(jī)柜中）可能會造成危險。Maxim的信號線保護(hù)器MAX4506/MAX4507具有60Ω通道電阻和在整個溫度范圍內(nèi)的最大20nA漏電流。它們還為該接口提供了優(yōu)雅的保護(hù)（圖 5）。電源電壓范圍內(nèi)的信號通過這些IC幾乎不受影響。

圖5.該信號線保護(hù)器IC保護(hù)±10V接口。

如果干擾導(dǎo)致受保護(hù)的端子信號超過正或負(fù)電源電壓，則線路保護(hù)器芯片對故障信號具有高阻抗。它可承受高達(dá) 36V 的故障電壓，或在電源關(guān)閉時可承受高達(dá) ±40V 的故障電壓。圖6顯示了這些器件的輸入至輸出傳遞函數(shù)。

圖6.該傳遞函數(shù)說明了MAX4506/MAX4507信號線保護(hù)器的箝位效應(yīng)。

使用MAX4506或MAX4507等元件，圖5給出了±10V標(biāo)準(zhǔn)信號輸出的可能保護(hù)方案。輸出通常比輸入更難保護(hù)，盡管輸入端保護(hù)元件引入的泄漏會導(dǎo)致信號錯誤。在每個接收器輸入或發(fā)送器輸出的線路端子和接地/接地之間插入一個雙向抑制二極管就足夠了，該二極管提供±30V箝位電壓。

由于抑制二極管的箝位電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)信號范圍，因此源自抑制二極管的任何失真漏電流都非常低。線路信號由反饋調(diào)節(jié)，而低信號線路保護(hù)器的串聯(lián)電阻對驅(qū)動器擺幅的要求最低。（假設(shè)接收器的最小負(fù)載電阻為100kΩ，則壓差僅為10mV。這種保護(hù)即使在連續(xù)故障（如上所述，高達(dá)24VDC）下也適用，而不會危及抑制二極管或電路。

類似地，接收器側(cè)的信號輸入可以通過在緩沖放大器前面插入信號線保護(hù)器來保護(hù)。MAX197是專用的A/D轉(zhuǎn)換器，具有±16V的內(nèi)部故障保護(hù)，通過在輸入端并聯(lián)雙向抑制二極管（提供±15V箝位電壓）提供簡單有效的保護(hù)。每個輸入通道的軟件可編程輸入范圍使MAX197能夠處理上述標(biāo)準(zhǔn)電壓范圍。如果需要更高級別的保護(hù)，可以將MAX4507八通道信號線保護(hù)器放在MAX197前面。

EMI 抗擾度測試和測量技術(shù)

靜電放電抗擾度測試 （IEC 61000-4-2）

測試發(fā)生器由一個高壓 150pF 電容器組成，該電容器通過 330Ω 串聯(lián)電阻放電（圖 7）;開關(guān);以及一個電極，形狀模擬手指，排放到被測設(shè)備 （EUT） 中。

圖7.一個簡單的測試電路將受控的ESD脈沖施加到測試設(shè)備。

測試規(guī)范區(qū)分了接觸放電和空氣放電。通過在關(guān)閉開關(guān)時用測試手指觸摸設(shè)備外殼來施加接觸放電。此過程將設(shè)備表面暴露在測試電壓（±2kV、±4kV、±6kV 和 ±8kV）下，減去流過串聯(lián)電阻器的電流引起的壓降。由此產(chǎn)生的短路電流如圖8所示。

圖8.圖1電路中的ESD“zap”在被測器件（DUT）中產(chǎn)生該電流。

通過將測試尖端盡快朝向表面，對絕緣表面施加空氣放電。測試需要至少10次測量，在每個標(biāo)準(zhǔn)測試電壓（±2kV，±4kV，±8kV和±15kV）下至少間隔一秒鐘。目標(biāo)是通過測試到為該類設(shè)備指定的極限來找到設(shè)備外殼內(nèi)最薄弱的點(diǎn)。使用相同的測試發(fā)生器，通過將測試尖端連接到靠近設(shè)備外殼（即約10cm）的金屬板上，實(shí)施了額外的電容耦合測試。該測試僅適用于用戶在正常操作和維護(hù)期間接觸的設(shè)備部件。

快速瞬態(tài)突發(fā)測試 （FTB） （IEC 61000-4-4）

FTB測試將測試信號電容耦合到電源線或信號線上。它采用形狀像管子的耦合裝置，并將被測線封閉約一米。測試信號由大約 75 個高壓脈沖組成，以 3Hz 重復(fù)率突發(fā)傳輸。每個脈沖的上升時間約為5ns，50Ω負(fù)載下的下降時間（至峰值的50%）為50ns，100Ω負(fù)載為1000ns。脈沖之間的時間為10μs或200μs（圖9）。

圖9.FTB 突發(fā)中的測試脈沖如圖所示。

為了產(chǎn)生低負(fù)載電阻所需的高電壓，該發(fā)電機(jī)的輸出電阻遠(yuǎn)低于ESD發(fā)生器的輸出電阻。測試脈沖的峰值幅度范圍為±0.25kV至±0.5kV以上，50Ω負(fù)載時為±1kV至±2kV。在1000Ω時，負(fù)載幅度為±0.5kV、±1kV、±2kV和±4kV。一個像樣的電纜屏蔽層，在設(shè)備側(cè)正確連接到地面/接地，可以消除此測試的很多麻煩。

高能量瞬變浪涌抗擾度測試 （IEC 61000-4-5）

考慮到對設(shè)備的潛在損壞危險，最嚴(yán)格的測試是針對高能量瞬變的測試，即浪涌測試。在該測試中，電源線、非屏蔽信號線或電纜屏蔽層由具有長持續(xù)時間高壓脈沖的低值串聯(lián)電阻驅(qū)動。脈沖的上升時間和下降時間約為2μs（達(dá)到峰值的50%）;主線的振幅范圍為±50.0kV至±5kV，信號線的振幅范圍為±2kV。

對于電源線，SURGE 測試使用一個 9μF 直流去耦電容器并聯(lián)測試信號，串聯(lián)電阻低至 10Ω（在某些情況下，根本沒有電阻）。非屏蔽信號線的串聯(lián)電阻低至40Ω，線對線或線對地。串聯(lián)添加90V氣體避雷器可防止測試之間信號線的容性負(fù)載（圖10a，10b）。

圖 10a.測試設(shè)置：將測試信號電容耦合到交流或直流線路。

圖 10b.測試設(shè)置：耦合到非屏蔽、不對稱操作的線路。

審核編輯：郭婷