EMI保护的实际方面-电子发烧友网

文章讨论了电磁干扰（EMI）的来源。它描述了使用气体避雷器、压敏电阻、抑制二极管、扼流圈和铁氧体、电容器或串联电阻器的设计如何保护设备。描述了EMI测试的方法。

介绍

我们生活的越来越多的方面依赖于电子设备和电器的不间断运行。“线控驱动”和“线控飞行”已成为日常现实。特别是在自动化工厂和高可用性系统中，无法正常运行的电子设备会造成巨大的损坏和中断。

理想的电子电路应该没有有源电磁干扰（EMI，也称为RFI或射频干扰）源，并且不受外界干扰的被动影响。

最小化有源源的任务可能比防止干扰更容易。最小化EMI的常用技术包括线路滤波、电源设计、正确布局和屏蔽外壳。

电气干扰可以通过电源线传导，也可以通过电容、磁或电磁辐射通过空气传输。通常，通过连接到设备的信号线传导的干扰是最难管理的。在任何情况下，都必须区分防止损坏或故障的需要与防止信号或数据失真（例如微控制器程序序列中断）的需要。第一个问题用硬件设计来攻击，第二个问题用软件算法来攻击。

本文介绍了保护设备免受有害电压和电流侵入的方法。

电磁干扰调节指南

认识到EMI的重要性，政府机构很早就承担了通过法规加强设备兼容性的任务。例如，IEC 61000-4标准化了测试方法。与本次讨论相关的部分包括用于静电放电（ESD）的 IEC 61000-4-2、用于快速瞬变（FTB）的 IEC 61000-4-4 和用于高能瞬变（SURGE）的 IEC 61000-4-5。所有这些测试方法都依赖于电噪声的真实模型。

在应用任何保护元素之前，请考虑以下基本规则：

在设计电路时应考虑EMI保护，而不是在之后添加。

尽可能靠近源头阻止干扰，最好在干扰进入设备之前;将它们重定向到地面。

所有可能受到EMI干扰的部分，即使是电气隔离的部分，都应尽可能远离敏感电路。

由于信号电路无法承受千伏级电压，因此必须从输入中排除此类干扰，将其转换为电流，然后再转换为热量。接地环路电流可以进入接口并贯穿整个电路，通常通过电流隔离来阻止。隔离对于工业系统中可能发生的较长线路和高接地环路电流特别有用。

峰值为30A的ESD电流脉冲在接地走线上可能仅产生数十毫伏的阻性压降。然而，其极陡峭的上升时间（> 30A/ns）可能会在同一走线上产生数百伏的感性压降（假设导线电感约为1nH/cm），足以导致数据错误。趋肤效应适用于这些高频;它通过强制电流仅在导体表面的微米内流动来显着增加导线电阻。为了抵消这种影响，接地连接需要较大的表面积来保持低电阻。

快速上升时间可以将FTB和ESD干扰从嘈杂部分电容耦合到所谓的安静部分。在这种情况下，当设计人员通过在主电源变压器上增加绕组来提供电气隔离电源时，经常会犯一个错误。这种布置允许“感染线路”（外部信号的接地回路）污染整个电路。

作为一种紧凑、功能清洁且经济高效的替代方案，可以使用基于MAX253驱动器的正激转换器在电路外围产生辅助电压。MAX253提供较小的电路板空间，在干净电位和噪声电位之间提供有效的屏障。所需的微型变压器可以采用低于 10pF 的耦合电容制造，但在隔离千伏时传输高达 1W 的功率（图 1）。

图1.小型变压器和驱动器IC从5V电源轨获得隔离式5V电源。有关1CT：1.3CT的详细信息，请参见MAX2数据资料中的表253。

其他常用的EMI保护元件如下所述。

气体阻拦器是一种充满气体的碟形电容器，通常是氖气。超过~100V的过电压会产生等离子体，将电压限制在低电平并承载高电流。气体避雷器吸收高水平瞬变，但不适用于快速瞬变，因为等离子体的出现需要一些时间。它们不适合电源保护，并且难以在低源阻抗下使用。正常工作时的漏电流非常低。

压敏电阻是一种由金属氧化物（主要是锌）制成的避雷器，通常形状像带有两个连接器的平板电脑，每侧一个。压敏电阻的行为类似于齐纳二极管，其响应速度比气体抑制器快得多，但漏电流较高，尤其是当信号接近钳位电压时。

抑制器 （TransZorb）二极管用于限制低电压电平下的快速瞬变。其功耗能力因外形尺寸而异。至于压敏电阻，它们在其击穿电压附近表现出明显的漏电流。结电容也很重要，因此在快速系统中，它们通常通过二极管桥去耦。®

ESD结构是一种新颖的设计，其行为有点像音调。这些设计集成在MAX202E、MAX485E、其它RS-232/RS-485 收发器IC中，最近还集成在模拟多路复用器（如MAX4558）中。它们具有低电容和低漏电流特性，适用于ESD和FTB保护。

扼流圈、铁氧体可以衰减高频和快速电压峰值，但不吸收太多能量。注意谐振效应，并始终与衰减电容器（通常是T型结构的LC滤波器）一起使用。电感器制造商通常指定自谐振频率（SRF）。SRF 来自电感的寄生电容，当在 SRF 上方工作时，该电容会抵消电感。为了获得更好的性能，请使用电感器作为SRF下方的RF扼流圈，切勿在SRF上方使用电感器。这些器件经常用于防止共模干扰和电源滤波。

电容器可能是最重要的保护元件。电容器的重要特性是等效串联电阻（ESR）、电感、大电流能力和电压能力。在布局中正确放置电容器对于最小化EMI至关重要。如果使用得当，电容器会从低通滤波器产生高频接地，绕过RF信号到地。电容器还具有自谐振频率，在该点上它变为感性。就像电感器一样，应在SRF下方使用电容器。理解这一点的另一种方法是确保SRF远高于需要滤波的噪声频率。

串联电阻器也是最重要和成本最低的保护元件之一。根据电阻和功耗正确选择串联电阻器，可以取代成本更高的元件，结果相当。

良好的布局设计可以最大限度地减少EMI的影响。快速开关电流产生磁场，快速变化的电压产生电场，可能导致不希望的耦合。通过使用良好的接地和屏蔽外壳，可以最大限度地减少电磁耦合。正确放置过孔始终是一种好的做法。具有多个旁路电容器过孔，因为多个过孔会降低电阻和电感。此外，避免使用接地电压电位不稳定的接地。携带高频信号的走线会产生时变电磁波，可以传播干扰的原因。90度角的两条走线使两个信号之间的干扰最小。良好的外壳接地还有助于防止外部信号进入系统。这反过来又屏蔽了电路。

以下示例说明了这些组件的使用、一些工作原理和可能的陷阱。

热电偶

热电偶信号具有准静态处理的优势。为了防止接地环路电流造成的信号失真，大多数热电偶应用在信号采集和信号处理电路之间提供电流隔离。如图2a所示，差分信号通过多路复用器馈送到仪表放大器的输入端，然后从那里馈送到模数转换器（ADC）。光电耦合或磁耦合通过隔离栅传输ADC的数字输出。

图 2a.这些组件处理来自热电偶的差分信号。

热电偶可通过每个电极上的2kΩ和100nF的简单低通RC网络轻松保护。一个具有高额定电压的附加 1nF 分流电容器连接设备的电路公共框架和接地框架。该电容器将ESD干扰转移到地，同时保持直流电流的电气隔离。它还构成一个电容分压器，用于限制隔离电源的峰值电压。为了进一步限制峰值电压，可以将高压压敏电阻与分流电容并联（图 2b）。

图 2b.高压压敏电阻（左下）限制峰值电压。

2kΩ电阻必须足够大，以承受高电压（高达±8kV ESD），并在FTB和U浪涌测试期间耗散大量能量。不幸的是，后续电路输入端（即隔离栅之前）的漏电流可能会流过该保护串联电阻，从而产生大量的静态信号误差。例如，多路复用器可能会引入不可接受的错误;为缓冲多路复用器而添加的放大器可能会引入额外的输入失调和输入电流误差，同时增加系统的成本和电路板空间。

MAX4051A多路复用器与工业标准MAX4051引脚和功能兼容，提供中等成本的替代方案。在扩展温度范围内，其漏电流保证在 5nA （最大值），在 +2°C 时典型值仅为 25pA。因此，串联电阻器上最坏情况下的温度泄漏会产生仅2μV的最大误差。对于大多数热电偶来说，这个误差已经足够了。如果应用需要更小的误差，基于MAX4254四通道运算放大器的仪表放大器缓冲器在整个温度范围内可将漏电流降至100pA （最大值），在+1°C时降至25pA （典型值）。此外，低输入失调电压（V操作系统）漂移（仅 0.3μV/°C）使得该缓冲器对高阻抗、低电平信号极为有效。

另一种选择是单芯片MAX1402信号采集系统，包括Σ-Δ型ADC、缓冲放大器、多路复用器、传感器激励电流源和用于信号验证的烧毁电流源。它具有非常低的输入漏电流，并具有实现冷端补偿等应用的灵活性。

角度编码器

工业角度编码器确定电机中的转子位置。精密定位系统具有双通道、正交、差分正弦波（一些制造商称为“正弦”信号）。总之，这些正弦曲线形成一个指针，可以精细地解析转子位置。除了模拟位置信号线外，此类系统通常还包括RS-422或RS-485线，用于初始化编码器并设置其参数。在某些情况下，这些线路长距离运行，传输低千赫兹频率和高达每秒兆比特的数字数据速率的模拟信号（图 3）。

图3.该光学编码器系统中的通信由模拟“正弦”信号和双向数字数据信号组成。

因此，排除了大串联电阻和无源RC组合形式的保护，但需要线路端接电阻（通常为120Ω）以防止反射。主要需求是防止ESD和FTB干扰。在采用传统数据收发器的系统中（图 4），差分发射器的输出电压受抑制二极管和去耦二极管的限制。（去耦二极管是反向偏置的，以将宽带数据信号与抑制二极管的电容去耦，否则会严重衰减信号。

图4.该二极管/抑制器网络可防止ESD、FTB和浪涌故障造成的损坏。可选的 PTC 保险丝可防止与危险电压的故障连接。

为接收器提供类似的保护，但有一个重要的区别：为了保证不对称的共模范围（EIA-7A为-12V至+422V），限幅网络也必须是不对称的。发射器输出和接收器输入符合相同的共模范围，因此为了方便和经济起见，两者都由相同的抑制二极管保护。但是，MAX490E是集成ESD和FTB保护网络的RS-422收发器，可以取代整个保护网络。

作为良好做法，收发器接地应连接到外壳/接地，连接时间应尽可能短。如果线路被屏蔽（强烈推荐！），屏蔽也应该用短连接连接到这一点上。如果预计分离的接地电位之间会有较大的交换电流，则应在屏蔽和接地之间插入一个100Ω串联电阻，最好用低ESR电容旁路。

如果系统需要浪涌保护，则不可避免地使用外部保护网络。在这种情况下，建议拆分线路端接，使其也可以用作限流电阻。这在接收器侧很容易实现，信号电平损失适中。对于驱动器侧，鉴于MAX10E的差分输出阻抗约为490Ω，必须验证大约40Ω的串联电阻是否可以接受。图4还给出了一个可能的电路，包括与数据线串联的PTC保险丝。

标准信号接口

为系统选择的信号传输模式受系统可能呈现的大量信号源和传输距离的影响。对于更高的带宽和更长的线路，通常需要（特别是在易受干扰的系统中）将信号转换为更高的电平：0V至10V;-10V至+10V;4mA至20mA;或者在某些情况下，差分模拟，如角度编码器。其他系统更喜欢由电线、光纤或无线电链路承载的数字格式。在所有情况下，都应通过将传感器放置在尽可能靠近信号源的位置来最大程度地减少噪声影响。

例如，±10V接口通常用于设置电机控制应用中的目标位置。这些环境嘈杂，当发生接线错误时，24V 工业电源（始终存在于机柜中）可能会造成危险。Maxim的信号线保护器MAX4506/MAX4507具有60Ω通道电阻和在整个温度范围内的最大20nA漏电流。它们还为该接口提供了优雅的保护（图 5）。电源电压范围内的信号通过这些IC几乎不受影响。

图5.该信号线保护器IC保护±10V接口。

如果干扰导致受保护的端子信号超过正或负电源电压，则线路保护器芯片对故障信号具有高阻抗。它可承受高达 36V 的故障电压，或在电源关闭时可承受高达 ±40V 的故障电压。图6显示了这些器件的输入至输出传递函数。

图6.该传递函数说明了MAX4506/MAX4507信号线保护器的箝位效应。

使用MAX4506或MAX4507等元件，图5给出了±10V标准信号输出的可能保护方案。输出通常比输入更难保护，尽管输入端保护元件引入的泄漏会导致信号错误。在每个接收器输入或发送器输出的线路端子和接地/接地之间插入一个双向抑制二极管就足够了，该二极管提供±30V箝位电压。

由于抑制二极管的箝位电压远远超出标准信号范围，因此源自抑制二极管的任何失真漏电流都非常低。线路信号由反馈调节，而低信号线路保护器的串联电阻对驱动器摆幅的要求最低。（假设接收器的最小负载电阻为100kΩ，则压差仅为10mV。这种保护即使在连续故障（如上所述，高达24VDC）下也适用，而不会危及抑制二极管或电路。

类似地，接收器侧的信号输入可以通过在缓冲放大器前面插入信号线保护器来保护。MAX197是专用的A/D转换器，具有±16V的内部故障保护，通过在输入端并联双向抑制二极管（提供±15V箝位电压）提供简单有效的保护。每个输入通道的软件可编程输入范围使MAX197能够处理上述标准电压范围。如果需要更高级别的保护，可以将MAX4507八通道信号线保护器放在MAX197前面。

EMI 抗扰度测试和测量技术

静电放电抗扰度测试（IEC 61000-4-2）

测试发生器由一个高压 150pF 电容器组成，该电容器通过 330Ω 串联电阻放电（图 7）;开关;以及一个电极，形状模拟手指，排放到被测设备（EUT）中。

图7.一个简单的测试电路将受控的ESD脉冲施加到测试设备。

测试规范区分了接触放电和空气放电。通过在关闭开关时用测试手指触摸设备外壳来施加接触放电。此过程将设备表面暴露在测试电压（±2kV、±4kV、±6kV 和 ±8kV）下，减去流过串联电阻器的电流引起的压降。由此产生的短路电流如图8所示。

图8.图1电路中的ESD“zap”在被测器件（DUT）中产生该电流。

通过将测试尖端尽快朝向表面，对绝缘表面施加空气放电。测试需要至少10次测量，在每个标准测试电压（±2kV，±4kV，±8kV和±15kV）下至少间隔一秒钟。目标是通过测试到为该类设备指定的极限来找到设备外壳内最薄弱的点。使用相同的测试发生器，通过将测试尖端连接到靠近设备外壳（即约10cm）的金属板上，实施了额外的电容耦合测试。该测试仅适用于用户在正常操作和维护期间接触的设备部件。

快速瞬态突发测试（FTB）（IEC 61000-4-4）

FTB测试将测试信号电容耦合到电源线或信号线上。它采用形状像管子的耦合装置，并将被测线封闭约一米。测试信号由大约 75 个高压脉冲组成，以 3Hz 重复率突发传输。每个脉冲的上升时间约为5ns，50Ω负载下的下降时间（至峰值的50%）为50ns，100Ω负载为1000ns。脉冲之间的时间为10μs或200μs（图9）。

图9.FTB 突发中的测试脉冲如图所示。

为了产生低负载电阻所需的高电压，该发电机的输出电阻远低于ESD发生器的输出电阻。测试脉冲的峰值幅度范围为±0.25kV至±0.5kV以上，50Ω负载时为±1kV至±2kV。在1000Ω时，负载幅度为±0.5kV、±1kV、±2kV和±4kV。一个像样的电缆屏蔽层，在设备侧正确连接到地面/接地，可以消除此测试的很多麻烦。

高能量瞬变浪涌抗扰度测试（IEC 61000-4-5）

考虑到对设备的潜在损坏危险，最严格的测试是针对高能量瞬变的测试，即浪涌测试。在该测试中，电源线、非屏蔽信号线或电缆屏蔽层由具有长持续时间高压脉冲的低值串联电阻驱动。脉冲的上升时间和下降时间约为2μs（达到峰值的50%）;主线的振幅范围为±50.0kV至±5kV，信号线的振幅范围为±2kV。

对于电源线，SURGE 测试使用一个 9μF 直流去耦电容器并联测试信号，串联电阻低至 10Ω（在某些情况下，根本没有电阻）。非屏蔽信号线的串联电阻低至40Ω，线对线或线对地。串联添加90V气体避雷器可防止测试之间信号线的容性负载（图10a，10b）。