《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 電源技術(shù) > 設(shè)計應(yīng)用 > 電磁干擾(EMI)濾波減少精密模擬應(yīng)用中的誤差
電磁干擾(EMI)濾波減少精密模擬應(yīng)用中的誤差
摘要: 在醫(yī)療設(shè)備,、汽車儀器儀表和工業(yè)控制等科技領(lǐng)域中,,當(dāng)設(shè)備設(shè)計涉及應(yīng)變計、傳感器接口和電流監(jiān)控時,,通常需要采用精密模擬前端放大器,,以便提取并放大非常微弱的真實信號,,并抑制共模電壓和噪聲等無用信號。
Abstract:
Key words :

  在醫(yī)療設(shè)備,、汽車儀器儀表和工業(yè)控制等科技領(lǐng)域中,,當(dāng)設(shè)備設(shè)計涉及應(yīng)變計、傳感器接口和電流監(jiān)控時,通常需要采用精密模擬前端放大器,,以便提取并放大非常微弱的真實信號,,并抑制共模電壓和噪聲等無用信號。首先,,設(shè)計人員將集中精力確保器件級噪聲,、失調(diào)、增益和溫度穩(wěn)定性等精度參數(shù)符合應(yīng)用要求,。

  然后,,設(shè)計人員根據(jù)上述特性,選擇符合總誤差預(yù)算要求的前端模擬器件,。不過,,此類應(yīng)用中存在一個經(jīng)常被忽視的問題,即外部信號導(dǎo)致的高頻干擾,,也就是通常所說的“電磁干擾(EMI)”,。EMI可以通過多種方式發(fā)生,主要受最終應(yīng)用影響,。例如,,與直流電機接口的控制板中可能會用到儀表放大器,而電機的電流環(huán)路包含電源引線,、電刷,、換向器和線圈,通常就像天線一樣可以發(fā)射高頻信號,,因而可能會干擾儀表放大器輸入端的微小電壓,。

  另一個例子是汽車電磁閥控制中的電流檢測。電磁閥由車輛電池通過長導(dǎo)線來供電,,這些導(dǎo)線就像天線一樣,。該導(dǎo)線路徑中連接著一個串聯(lián)分流電阻,然后通過電流檢測放大器來測量該電阻上的電壓,。該線路中可能存在高頻共模信號,,而該放大器的輸入端容易受到這類外部信號的影響。一旦受到外部高頻干擾影響,,就可能導(dǎo)致模擬器件的精度下降,,甚至可能無法控制電磁閥電路。這種狀態(tài)在放大器中的表現(xiàn)就是放大器輸出精度超過誤差預(yù)算和數(shù)據(jù)手冊中的容差,,甚至在某些情況下可能會達到限值,,從而導(dǎo)致控制環(huán)路關(guān)斷。

  EMI是如何造成較大的直流偏差呢,?可能是以下一種情形:根據(jù)設(shè)計,,很多儀表放大器可以在最高數(shù)十千赫的頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出極佳的共模抑制性能,。但是,非屏蔽的放大器接觸到數(shù)十或數(shù)百“兆赫”的RF輻射時,,就可能會出現(xiàn)問題,。此時放大器的輸入級可能會出現(xiàn)非對稱整流,從而產(chǎn)生直流失調(diào),,進一步放大后,會非常明顯,,再加上放大器的增益,,甚至達到其輸出或部分外部電路的上限。

  關(guān)于高頻信號如何影響模擬器件的示例

  本例將詳細(xì)介紹一種典型的高端電流檢測應(yīng)用,。圖1所示為汽車應(yīng)用環(huán)境中用于監(jiān)控電磁閥或其它感性負(fù)載的常見配置,。

  

  圖1. 高端電流監(jiān)控

  我們采用兩個具有類似設(shè)計的電流檢測放大器配置,研究了高頻干擾的影響,。這兩個器件的功能和引腳排列完全相同,;不過,其中一個內(nèi)置EMI濾波器電路,,而另一個則沒有,。

  

  圖2. 電流傳感器輸出 (無內(nèi)置EMI濾波器,前向功率 = 12 dBm,, 100 mV/分頻,,3 MHz時直流輸出達到峰值)

  圖2所示為輸入在較寬頻率范圍內(nèi)變化時電流傳感器的直流輸出與其理想值的偏差情況。從圖中可以看出,,在1 MHz至20 MHz的頻率范圍內(nèi),,偏差最為顯著(》0.1 V),且3 MHz時直流誤差達到最大值(1 V),,這在放大器0 V至5 V的輸出電壓范圍中占據(jù)很大比例,。

  圖3所示為采用另一種引腳兼容電流傳感器時相同實驗和配置的測試結(jié)果,其中電流傳感器具有與之前示例相同的電路架構(gòu)和類似的直流規(guī)格,,但是內(nèi)置輸入EMI濾波電路,。注意,電壓范圍擴大了20倍,。

  

  圖3. 電流傳感器輸出 (內(nèi)置EMI濾波器,,前向功率 = 12 dBm, 5 mV/分頻,,》100 MHz時直流輸出達到峰值)

  這種情況下,,40 MHz時誤差僅為3 mV左右,且峰值誤差(大于100 MHz時)小于30 mV,,性能提高35倍,。這點清楚地表明,,內(nèi)置EMI濾波電路有助于顯著提高電流傳感器防護性能,使其免受輸入端存在的高頻信號影響,。在實際應(yīng)用中,,盡管并不清楚EMI的嚴(yán)重程度,但是如果使用內(nèi)置EMI濾波功能的電流傳感器,,實際上控制環(huán)路將會保持在其容差范圍內(nèi),。

  這兩種器件都在完全相同的條件下進行測試。唯一不同就是AD8208(參見“附錄”)在輸入引腳和電源引腳上都配有內(nèi)部低通RF輸入濾波器,。在芯片上增添這樣的部件似乎微不足道,,但是由于應(yīng)用通常由PWM進行控制,這種情況下電流檢測放大器必須能夠承受最高45 V的連續(xù)開關(guān)共模電壓,。因此,,要保持精確的高增益和共模抑制性能,輸入濾波器必須嚴(yán)格匹配,。

  在醫(yī)療設(shè)備,、汽車儀器儀表和工業(yè)控制等科技領(lǐng)域中,當(dāng)設(shè)備設(shè)計涉及應(yīng)變計,、傳感器接口和電流監(jiān)控時,,通常需要采用精密模擬前端放大器,以便提取并放大非常微弱的真實信號,,并抑制共模電壓和噪聲等無用信號,。首先,設(shè)計人員將集中精力確保器件級噪聲,、失調(diào),、增益和溫度穩(wěn)定性等精度參數(shù)符合應(yīng)用要求。

  然后,,設(shè)計人員根據(jù)上述特性,,選擇符合總誤差預(yù)算要求的前端模擬器件。不過,,此類應(yīng)用中存在一個經(jīng)常被忽視的問題,,即外部信號導(dǎo)致的高頻干擾,也就是通常所說的“電磁干擾(EMI)”,。EMI可以通過多種方式發(fā)生,,主要受最終應(yīng)用影響。例如,,與直流電機接口的控制板中可能會用到儀表放大器,,而電機的電流環(huán)路包含電源引線、電刷,、換向器和線圈,,通常就像天線一樣可以發(fā)射高頻信號,,因而可能會干擾儀表放大器輸入端的微小電壓。

  另一個例子是汽車電磁閥控制中的電流檢測,。電磁閥由車輛電池通過長導(dǎo)線來供電,,這些導(dǎo)線就像天線一樣。該導(dǎo)線路徑中連接著一個串聯(lián)分流電阻,,然后通過電流檢測放大器來測量該電阻上的電壓,。該線路中可能存在高頻共模信號,而該放大器的輸入端容易受到這類外部信號的影響,。一旦受到外部高頻干擾影響,,就可能導(dǎo)致模擬器件的精度下降,甚至可能無法控制電磁閥電路,。這種狀態(tài)在放大器中的表現(xiàn)就是放大器輸出精度超過誤差預(yù)算和數(shù)據(jù)手冊中的容差,甚至在某些情況下可能會達到限值,,從而導(dǎo)致控制環(huán)路關(guān)斷,。

  EMI是如何造成較大的直流偏差呢?可能是以下一種情形:根據(jù)設(shè)計,,很多儀表放大器可以在最高數(shù)十千赫的頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出極佳的共模抑制性能,。但是,非屏蔽的放大器接觸到數(shù)十或數(shù)百“兆赫”的RF輻射時,,就可能會出現(xiàn)問題,。此時放大器的輸入級可能會出現(xiàn)非對稱整流,從而產(chǎn)生直流失調(diào),,進一步放大后,,會非常明顯,再加上放大器的增益,,甚至達到其輸出或部分外部電路的上限,。

  關(guān)于高頻信號如何影響模擬器件的示例

  本例將詳細(xì)介紹一種典型的高端電流檢測應(yīng)用。圖1所示為汽車應(yīng)用環(huán)境中用于監(jiān)控電磁閥或其它感性負(fù)載的常見配置,。

  

  圖1. 高端電流監(jiān)控

  我們采用兩個具有類似設(shè)計的電流檢測放大器配置,,研究了高頻干擾的影響。這兩個器件的功能和引腳排列完全相同,;不過,,其中一個內(nèi)置EMI濾波器電路,而另一個則沒有,。

  

  圖2. 電流傳感器輸出 (無內(nèi)置EMI濾波器,,前向功率 = 12 dBm, 100 mV/分頻,,3 MHz時直流輸出達到峰值)

  圖2所示為輸入在較寬頻率范圍內(nèi)變化時電流傳感器的直流輸出與其理想值的偏差情況,。從圖中可以看出,,在1 MHz至20 MHz的頻率范圍內(nèi),偏差最為顯著(》0.1 V),,且3 MHz時直流誤差達到最大值(1 V),,這在放大器0 V至5 V的輸出電壓范圍中占據(jù)很大比例。

  圖3所示為采用另一種引腳兼容電流傳感器時相同實驗和配置的測試結(jié)果,,其中電流傳感器具有與之前示例相同的電路架構(gòu)和類似的直流規(guī)格,,但是內(nèi)置輸入EMI濾波電路。注意,,電壓范圍擴大了20倍,。

  

  圖3. 電流傳感器輸出 (內(nèi)置EMI濾波器,前向功率 = 12 dBm,, 5 mV/分頻,,》100 MHz時直流輸出達到峰值)

  這種情況下,40 MHz時誤差僅為3 mV左右,,且峰值誤差(大于100 MHz時)小于30 mV,,性能提高35倍。這點清楚地表明,,內(nèi)置EMI濾波電路有助于顯著提高電流傳感器防護性能,,使其免受輸入端存在的高頻信號影響。在實際應(yīng)用中,,盡管并不清楚EMI的嚴(yán)重程度,,但是如果使用內(nèi)置EMI濾波功能的電流傳感器,實際上控制環(huán)路將會保持在其容差范圍內(nèi),。

  這兩種器件都在完全相同的條件下進行測試,。唯一不同就是AD8208(參見“附錄”)在輸入引腳和電源引腳上都配有內(nèi)部低通RF輸入濾波器。在芯片上增添這樣的部件似乎微不足道,,但是由于應(yīng)用通常由PWM進行控制,,這種情況下電流檢測放大器必須能夠承受最高45 V的連續(xù)開關(guān)共模電壓。因此,,要保持精確的高增益和共模抑制性能,,輸入濾波器必須嚴(yán)格匹配。

  設(shè)計和測試時為何以及如何保證EMI兼容性

  汽車應(yīng)用對EMI事件尤其敏感,,而在由中央電池,、捆綁線束、各種感性負(fù)載,、天線以及與汽車相關(guān)的外部干擾構(gòu)成的嘈雜電氣環(huán)境中,,后者卻是無法避免的。由于安全氣囊配置,、巡航控制,、剎車和懸架等多種關(guān)鍵功能控制都涉及到電子設(shè)備,,因此必須保證EMI兼容性,絕不容許因外部干擾而出現(xiàn)誤報或誤觸發(fā),。早先,,EMI兼容性測試是汽車應(yīng)用中的最后一項測試。如果出現(xiàn)差錯,,設(shè)計人員就必須在倉促之間找出解決方案,,而這往往涉及到改變電路板布局、額外添加濾波器,,甚至是更換器件,。

  這種不確定性極大提高了設(shè)計成本,并給工程師造成了很多麻煩,。一直以來,,汽車行業(yè)都在采取切實措施來改善EMI兼容性。由于設(shè)備必須符合EMI標(biāo)準(zhǔn),,汽車OEM廠商現(xiàn)在要求半導(dǎo)體制造商(如ADI公司)必須在器件級執(zhí)行EMI測試,,然后才會考慮采用其生產(chǎn)的器件。現(xiàn)在,,這一流程已經(jīng)普及,所有IC制造商都使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格來測試器件的EMI兼容性,。

  如欲了解各類型集成電路的標(biāo)準(zhǔn)EMI測試要求,,請向國際電工委員會(IEC)購買獲取相關(guān)文檔。通過IEC 62132和IEC 61967等文檔則可以了解EMI和EMC,,其中非常詳細(xì)地描述了如何使用業(yè)界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)來測試特定集成電路,。上述各種測試都是根據(jù)這些指南說明進行的。

  具體而言,,這些測試都采用 “直接功率注入法”完成,,這是一種通過電容將RF信號耦合至特定器件引腳的方法。根據(jù)待測IC的類型,,針對不同的RF信號功率水平和頻率范圍,,測試器件的每路輸入。圖4顯示了在特定引腳上執(zhí)行直接功率注入測試的原理示意圖,。

  

  圖4. 直接功率注入

  這些標(biāo)準(zhǔn)中包含電路配置,、布局方法和監(jiān)控技術(shù)方面的大量必要信息,有助于正確理解器件測試成功與否,。更為完整的IEC標(biāo)準(zhǔn)原理圖如圖5所示,。

  

  圖5. EMI耐受性測試原理圖

  總結(jié)

  集成電路的EMI兼容性是電子設(shè)計能否成功的關(guān)鍵所在。本文僅從放大器是否內(nèi)置EMI濾波器出發(fā),,介紹了兩款非常類似的放大器執(zhí)行直流測量時,,在RF環(huán)境中的直流性能有何顯著差別,。在汽車應(yīng)用中,考慮到安全性和可靠性時,,EMI是一個非常重要的方面,。如今,在設(shè)計和測試針對關(guān)鍵應(yīng)用的器件時,,IC制造商(如ADI公司)日益重視EMI耐受性方面的考慮因素,。IEC標(biāo)準(zhǔn)非常詳細(xì)地說明了有用的相關(guān)指導(dǎo)原則。對于汽車應(yīng)用市場,,AD8207,,AD8208和AD8209等電流檢測器件都通過了EMI測試。鋰離子電池安全監(jiān)控器AD8280 和數(shù)字式可編程傳感器信號放大器AD8556等新款器件經(jīng)過專門設(shè)計和測試,,符合EMI相關(guān)要求,。

  附錄

  AD8208的更多詳情:AD8203(圖A)是一款單電源差動放大器,非常適合在大共模電壓情況下放大和低通濾波小差分電壓,。采用+5 V單電源供電時,,輸入共模電壓范圍為-2 V至+45 V。該款放大器提供增強的輸入過壓和ESD保護,,并內(nèi)置EMI濾波功能,。

  

  圖A. AD8208差動放大器

  AD8208具有出色的交流和直流性能,且通過相關(guān)認(rèn)證,,適合要求采用穩(wěn)定可靠的精密器件來改善系統(tǒng)控制的汽車應(yīng)用,。失調(diào)和增益漂移典型值分別小于5 µV/°C和10 ppm/°C。該器件提供SOIC和MSOP兩種封裝,,在DC至10 kHz范圍內(nèi)共模抑制比(CMR)最小值為80 dB,。

  另外提供一個外部可用的100kΩ電阻,可用來進行低通濾波以及建立20以外的增益,。

  關(guān)于作者

  Henri Sino [[email protected]]是ADI公司馬薩諸塞州威爾明頓市集成放大器產(chǎn)品(IAP)部門的一名應(yīng)用工程師,。他擁有伍斯特理工學(xué)院電氣工程學(xué)士(BSEE)學(xué)位,畢業(yè)后就加入ADI公司,,迄今已工作了六年,。在此期間,Henri主要負(fù)責(zé)為汽車和通信應(yīng)用市場方面的產(chǎn)品和客戶提供支持,。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),,未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。