浪涌抗擾度怎么測？我們用這個A/D轉(zhuǎn)換器試了一下

作者： Alan Yang，來源： 得捷電子DigiKey微信公眾號

浪涌抗擾度測試表明，設(shè)備或設(shè)備在雷擊，或切換重載，或短路故障條件下，引起的工業(yè)電源浪涌等事件中的耐受能力。本文以ADI的AD74115H舉例，如何進行浪涌抗擾度測試。

1. 浪涌抗擾度測試原理及詳細(xì)分析

首先明確測試目標(biāo)：浪涌抗擾度測試旨在評估受試設(shè)備 (EUT)， 在高能電源與互連線干擾（浪涌脈沖）下的性能。

圖 1 . 浪涌抗擾度測試原理 （圖片來源于Bel Fuse）

1.1 浪涌抗擾度測試兩大主要部分：

浪涌脈沖脈沖發(fā)生器

通常通過源阻抗（例如 10 Ω 的電阻、9 μF 的串聯(lián)電容）直接耦合至信號。

去耦網(wǎng)絡(luò)（CDN）

去耦網(wǎng)絡(luò)（CDN）通常包含，（在抗擾度測試系統(tǒng)內(nèi)）有助于在浪涌測試期間的保護電源或輔助設(shè)備。其中去耦網(wǎng)絡(luò)（CDN）中的電感，結(jié)合電源轉(zhuǎn)化器輸入電容，從而起到去耦合的作用。

然而，CDN 中使用的電感越高，預(yù)期振蕩概率就越高。相反，轉(zhuǎn)換器輸入電容越高，振蕩的概率就越低。

當(dāng) EUT 通過CDN 連接，當(dāng)前設(shè)計的電源轉(zhuǎn)換器可能無法啟動或出現(xiàn)振蕩。在某些情況下，振蕩可能會導(dǎo)致 EUT 損壞。

1.2 浪涌抗擾度測試關(guān)鍵參數(shù)：

直流電源的輸入電壓

結(jié)論：較高的直流電源輸入電壓，有利于測試。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) EN 50121-3-2 ，浪涌測試應(yīng)在最大輸入工作電壓下執(zhí)行。例如，電池電壓為 110 V 時，應(yīng)以137.5 V 進行測試。

務(wù)必要確保將直流電源電壓調(diào)整到足夠高，以補償 CDN 和輸入線的損耗。

舉例：使用24 V DC/DC 轉(zhuǎn)換器，功率為300 W，CDN 串聯(lián)阻抗 0.5 Ω，CDN 電壓降將為大約 7 V。

同時，輸入電壓越高，預(yù)期振蕩概率就越低。

負(fù)載輸出電流

結(jié)論：較低的負(fù)載輸出電流，有利于測試。

輸出功率越低，從電源吸取的輸入電流就越低。當(dāng)負(fù)載足夠低時，振蕩就會消失。

去耦網(wǎng)絡(luò)CDN的額定電流

結(jié)論：較低的去耦電感，較低的串聯(lián)電阻，較高額定電流的 CDN，發(fā)生振蕩的可能性較低。

在IEC 61000-4-5 標(biāo)準(zhǔn)中，并未指定 CDN 電感參數(shù)。因此，市場上推出了各類 CDN 設(shè)備，這導(dǎo)致部分測試實驗室使用具有相當(dāng)高電感的 CDN，其中的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可能會發(fā)生振蕩。相反，有的實驗室可能使用較低電感的 CDN，且沒有觀察到不穩(wěn)定性現(xiàn)象。CDN 的通用電感約為 1 mH（每極）。

IEC 61000-4-5 浪涌測試等級

2. 發(fā)生振蕩的原因與可能的解決方案

無負(fù)載情況下，發(fā)生振蕩的原因

開關(guān)“SW”打開后（或電路中引入其他變化/階躍），此 LC 電路中出現(xiàn)頻率為“fr”的諧波振蕩。

圖 2. 無負(fù)載情況下，發(fā)生振蕩的原因 （圖片來源于Bel Fuse）

由于能量無法及時耗散，因此能量在電容和電感之間，以恒定的幅度長久持續(xù)地振蕩。

可能的解決方案 - 引入耗散電阻

為了避免振蕩的發(fā)生，可以引入耗散電阻（比如電阻“Rdump”），則電感和電容之間的能量傳輸就會有損耗，且振蕩幅度會隨著時間的推移而減小。

圖 3. 可能的解決方案 - 引入耗散電阻 （圖片來源于Bel Fuse）

連接了穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換器情況下，發(fā)生振蕩的原因

如果連接了穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換器而非耗散元件（如電阻負(fù)載），則幅度不會減小，而是及時放大。

圖 4. 連接了穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換器情況下，發(fā)生振蕩的原因 （圖片來源于Bel Fuse）

可能的解決方案 - 引入耗散電阻

若要補償這種影響，至少需要在電路中添加耗散電阻“R”。若要耗散足夠快，“R”的值應(yīng)該越小越好。

圖5. 可能的解決方案 - 引入耗散電阻 （圖片來源于Bel Fuse）

電阻“R”的并聯(lián)（左圖），會在直流條件下導(dǎo)致額外顯著耗散。因此，最好串聯(lián)電阻“Rs”和電容器“Cs”（右圖），以更有效地抑制振蕩。

3. 減輕浪涌測試期間振蕩的可用解決方案比較

除了引入耗散電阻之外，我們還可以通過調(diào)整輸入電容或者限制轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)環(huán)路帶寬，來減輕浪涌測試期間振蕩。下面是三種方案的比較：

4. ADI AD74115H浪涌測試實例

根據(jù)IEC 61000-4-5工業(yè)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)：

浪涌為兩種波形的組合波：

上升時間1.2μs與50μs脈寬開路電壓
上升時間8μs與20μs脈寬短路電流

DUT（被測器件）在每個額定值下經(jīng)受五次正浪涌和五次負(fù)浪涌。

每個浪涌之間的間隔為1分鐘。對AD74115H輸出電纜進行浪涌測試，該電纜被視為DUT的非屏蔽非對稱操作互連線。浪涌通過去耦網(wǎng)絡(luò)CDN 117施加到I/O和傳感器。

CDN（去耦網(wǎng)絡(luò)）不影響DUT的指定功能條件。DUT和CDN之間的互連線路長度應(yīng)小于等于2m。

圖6. ADI AD74115H浪涌測試實例 （圖片來源于ADI）

4.1 硬件配置
為了確保I/O口和傳感器引腳以及用于內(nèi)部數(shù)字輸出FET的完整性。
浪涌測試期間測試對象，需要測試下面這些特定對象：

電壓輸出（以及通過重新配置ADC輸入節(jié)點的電壓輸入）

內(nèi)部數(shù)字輸出

傳感器引腳sense_EXT1和sense_EXT 2

浪涌相較于IO_N（AGND）一次一個地耦合到每個端子。所有測試對象均使用非屏蔽電纜。

對于電壓輸出測試對象，將6V配置為連接在IO_P和IO_N之間的100kΩ負(fù)載的輸出。測量（電壓輸入）被配置為IO_P至IO_N，范圍為0 V至12 V。

SENSE_EXT1和SENSE_EXT 2節(jié)點被選為診斷節(jié)點，并被配置為0 V到12 V范圍內(nèi)ADC的輸入。兩個串聯(lián)的AA電池被用作每個SENSE_EXTx引腳的3.1 V輸入。

對于內(nèi)部數(shù)字輸出，在IO_P和IO_N之間連接1 kΩ負(fù)載電阻器。該測量值被配置為對流過內(nèi)部RSET的電流進行內(nèi)部診斷。

4.2 軟件配置
使用的軟件是AD74115H評估板提供的評估軟件。在每次測試開始時，進行預(yù)測試配置。在放電之前，執(zhí)行前測量流程。放電后，執(zhí)行后測量流程。

預(yù)測試配置

重置DUT
清除警報狀態(tài)寄存器
配置信道
配置ADC測量節(jié)點
配置ADC采樣率為20 SPS

前測量與后測量流程

讀取并存儲警報狀態(tài)寄存器
清除警報狀態(tài)寄存器
讀取ADC數(shù)據(jù)
將數(shù)據(jù)保存到文件

4.3 性能表現(xiàn)總結(jié)
下表總結(jié)了浪涌試驗結(jié)果。對于數(shù)字輸出測試對象，不記錄偏差，因為精度取決于負(fù)載。測試驗證了數(shù)字輸出沒有意外關(guān)閉。警報狀態(tài)寄存器中的ADC轉(zhuǎn)換錯誤位在每次測試后設(shè)置。ADC誤差表示飽和誤差（ADC測量讀數(shù)為滿刻度），表明在測試引腳上觀察到>12 V的浪涌電壓。

常見的防止浪涌電流的元器件

電阻
對于小功率電源(最多幾瓦)，增加一個串聯(lián)電阻，是一個簡單和實用的解決方案，以限制浪涌電流。但限制浪涌電流的的電阻會造成功率損耗，不適合大功率設(shè)備。

熱敏電阻
熱敏電阻是一種阻值隨溫度變化而發(fā)生較大變化的電阻元件，他們通常作為電流限制器。

熱敏電阻分為兩類：

正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻

負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻

浪涌電流限制器
這些浪涌電流限制器可用于各種配置和保護涂層，以適應(yīng)幾乎所有應(yīng)用。一般來說，串珠式熱敏電阻具有高穩(wěn)定性和可靠性，響應(yīng)時間快，在高溫下運行。磁盤和芯片類型通常比串珠式的大，因此它們的響應(yīng)時間相對較慢。然而，它們通常具有更高的耗散常數(shù)，因此在測量、控制和補償應(yīng)用中能夠更好地處理功率。他們通常成本較低，更容易更換的特點。

總結(jié)

浪涌抗擾度測試儀能模擬雷擊和開關(guān)操作產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓干擾波，評估各種設(shè)備的抗電磁干擾能力是否滿足要求。對于測量不同的受試設(shè)備，還需要留意受試設(shè)備自身的特點，增加合適的測試對象與流程，才能確保受試設(shè)備各個部分的信號完整性。

審核編輯 黃宇