MAX22190和MAX22192為符合IEC 61131-2標準的工業數字輸入器件。它們的瞬態抗擾度性能在MAX22190評估板和MAX22192EVKIT上通過外部元件得到驗證。測試方法和測試設置基于IEC 61000-4-x標準。描述了詳細的測試設備、測試設置和測試結果。

介紹

工業產品必須經過廣泛的EMC測試，并通過IEC標準的認證。作為IC制造商，Maxim Integrated對我們的元件進行板級測試，以證明其性能水平，并提供指導，以便工程師優化其性能。本應用筆記著眼于瞬態抗擾度標準的三種具體測試，通常稱為IEC 61000-4-x，涵蓋ESD （-2）、電快速瞬變（EFT）/突發（-4）和浪涌（-5）的測試。討論板級設計建議，并使用Maxim的MAX22190EVKIT和MAX22192EVKIT給出測試結果。

MAX22190/MAX22192為符合IEC 61131-2標準的工業數字輸入器件。它們將8個吸電流工業輸入轉換為串行SPI兼容輸出。MAX22192與MAX22190的不同之處在于，它集成了數字隔離功能（相當于MAX14483），數字隔離功能是MAX22190評估板上的獨立IC。

MAX22190和MAX22192設計用于惡劣的工業環境。這些器件可承受 ±1kV 線對地浪涌（最小串聯電阻器）以及 ±8kV 接觸 ESD 和 ±15kV 氣隙 ESD（最小串聯電阻器）。

MAX22190的瞬態抗擾度性能在MAX22190評估板通過外部元件驗證。MAX22192的瞬態抗擾度性能在MAX22192EVKIT上通過外部元件驗證。測試方法和測試設置基于IEC 61000-4標準。以下各節介紹了詳細的測試設備、測試設置和測試結果。此報告不應用作合規認證。

IEC 61000-4 測試標準

工業產品經過IEC 61000-4規定的瞬態抗擾度標準測試。驗證了ESD （-2）、EFT/突發（-4）和浪涌（-5）的三個主要測試。

抗擾度測試的性能標準

免疫測試的結果通常分為四類，如表1所示。最終應用要求及其容忍瞬態噪聲的能力決定了系統是否將特定性能標準視為故障。

表 1.抗擾度測試的性能標準

標準	描述
性能標準 A	正常運行，無性能下降
性能標準 B	可自行恢復的暫時性能下降（數據丟失/數據錯誤）
性能標準 C	需要干預的暫時性能下降（設備重置或電源重啟）
性能標準 D	無法恢復的功能喪失（設備損壞）

Maxim的工業IC通常采用集成功能和外部（板級）元件（如串聯脈沖容限電阻、瞬態電壓抑制器（TVS）和安全認證的Y型電容）的組合，經受住瞬態抗擾度事件。通常用于工業接口應用的外部保護器件的簡化原理圖如圖1所示。

圖1.可選外部保護元件的簡化原理圖。

IEC 61000-4-2 靜電放電測試

靜電放電 （ESD） 抗擾度測試直接模擬電子元件上數十納秒持續時間的放電。使用兩種放電方法：接觸放電和氣隙放電。ESD 測試發生器與“尖點”一起使用，直接連接到被測設備（引腳）進行接觸式 ESD 測試（圖 2）。在發生器上添加一個“圓形尖端”，并靠近EUT（引腳），以觸發氣隙ESD測試的火花。

表 2.IEC 61000-4-2 靜電測試級別

水平	接觸放電 （kV）	氣隙放電 （kV）
1	±2	±2
2	±4	±4
3	±6	±8
4	±8	±15

圖2.ESD接觸放電波形。

IEC 61000-4-4 電子轉帳

電氣快速瞬變/突發抗擾度測試表明設備或設備在重復的電氣快速瞬變和突發期間保持數據完整性的能力，這些瞬變和突發通常發生在開關和繼電器中的電弧觸點。表 3 中列出了 EFT 測試級別。

輸出電壓范圍高達 ±4kV 且輸出阻抗為 50O 的 EFT/浪涌發生器用于生成 IEC 規范定義的電壓波形。通常測試兩種波形（如圖3所示）：5kHz重復頻率，突發持續時間為15ms，突發周期為300ms，100kHz重復頻率為0.75ms突發持續時間和300ms突發周期。

電容耦合鉗位（CCC）能夠將EFT發生器的快速瞬變（突發）耦合到MAX22190/MAX22192的輸入引腳，無需任何電流連接。被測設備（EUT）在輸入低電平（0V）、高電平（24V）或浮動的情況下進行測試，如圖4所示。每次EFT測試后，評估板（EV kit）GUI讀取EUT的狀態（通過SPI接口），以查看EFT瞬態是否造成任何損壞、更改寄存器內容或導致器件復位。

表 3.IEC 61000-4-4 EFT 測試級別

水平	功率，艾爾特電壓峰值 （kV）	信號和控制電壓峰值 （kV）
1	±0.5	±0.25
2	±1	±0.5
3	±2	±1
4	±4	±2

圖3.EFT/突發波形。

圖4.EFT 測試設置。

IEC 61000-4-5 浪涌

浪涌抗擾度測試表明設備或設備承受由雷擊或開關重負載或短路故障條件引起的工業電涌等事件引起的浪涌的能力。浪涌測試水平列于表4中。

該標準規定了不同的浪涌脈沖曲線，特別是六類測試級別，具體取決于終端設備的安裝條件。該等級決定了具有相應電壓電平的保護。此外，這還定義了耦合模式（線對線或線對地）和所需的源阻抗（Zs）。適用于工業數字輸入的測試等級為3類，適用于非對稱操作電路/線路，建議測試電平為線對線±2kV，線對地測試電平為±1kV。有關更多詳細信息，請參閱 IEC 61000-4-5 標準。

1.2μs/50μs浪涌脈沖如圖5所示。用于電源線和 I/O 端口的浪涌測試具有不同的源阻抗，因此需要不同的 CDN。MAX22190和MAX22192根據I/O端口要求進行測試，其輸入浪涌性能通過40O + 0.5μF CDN、高達±1kV線對地和±2kV線對線進行測試。

表 4.IEC 61000-4-5 浪涌測試級別

水平	測試電壓（千伏）
1	±0.5
2	±1
3	±2
4	±4

圖5.1.2μs/50μs浪涌電壓波形。

該標準規定源阻抗為42O，由于外部發生器的內部阻抗為2O，因此使用外部40O電阻與發生器串聯，如圖6中的簡化原理圖所示。

圖6.浪涌測試設置。

MAX22190評估板和MAX22192評估板說明

MAX22190評估板（和MAX22192EVKIT）提供評估MAX22190（和MAX22192）特性和性能所需的硬件和軟件。

MAX22190評估板在評估板上有兩個MAX22190器件，一個（U1）配置為1/3類數字輸入，另一個（U2）配置為2類輸入。“邏輯”域和“現場”域之間的電流隔離使用MAX14483和MAX12931數字隔離器。

MAX22192評估板在評估板上具有MAX22192和MAX22190：MAX22192（U1）配置為1/3類數字輸入，MAX22190 （U2）配置為2類輸入。邏輯域和現場域之間的電流隔離使用MAX22192中集成的隔離式SPI接口。

MAX22190評估板GUI用于配置MAX22190寄存器，并在測試過程中回讀數字輸入和故障狀態。MAX22190評估板與USB2PMB2轉接板配合使用，通過USB端口在PC和MAX22190器件之間進行通信。同樣，MAX22192評估板GUI與MAX22192EVKIT一起使用。

為了驗證MAX22190/MAX22192的瞬態抗擾度性能，評估板上包含必要的外部保護元件（圖7a和7b）。表5列出了兩款評估板的區別，圖8所示。以下各節將討論這些項目及其對性能的影響。

高分辨率圖像 ?
圖7a. MAX22190評估板框圖

高分辨率圖像 ?
圖7b. MAX22192評估板框圖

表 5.MAX22190評估板與MAX22192評估板的比較

評估套件	JCP	隔離	輸入電阻	Y 型電容器	電視	接線端子
MAX22190 評估板	U1 = MAX22190 （1、3型） U2 = MAX22190 （2型）	MAX14483， MAX12931	CMB0207 梅爾夫	3300pF GNDF-PE， 1000pF GNDF-GNDL	SMAJ33A	菲尼克斯電氣，1.7mm間隙
MAX22192 評估板	U1 = MAX22192 （類型 1、3） U2 = MAX22190 （2型）	集成在MAX22192中， MAX12931	CRCW2512-HP	3300pF GNDF-PE， 1000pF GNDF-GNDL	SMAJ33A	瓦戈， 2.5毫米間隙

圖8.MAX22190評估板和MAX22192評估板

輸入電阻

在現場輸入和MAX22190/MAX22192輸入引腳之間至少需要1kO串聯電阻，以限制進入器件的浪涌電流。這也設置了從高到低和從低到高的輸入電壓閾值。對于 1 類和 3 類輸入，建議使用 1.5kO 電阻。對于 2 類輸入，建議使用 1kO 電阻，兩個輸入通道并聯。

輸入電阻必須為耐脈沖類型，以承受浪涌脈沖。兩個電阻元件通過MAX22190和MAX22192進行測試和驗證。

MAX22190評估板上
的CMB0207 MELF電阻 該電阻用于MAX22190評估板。它可以承受±1kV線對地浪涌和±8kV接觸ESD。然而，當對輸入施加±15kV氣隙ESD時，在兩個電阻焊盤上觀察到電弧。這是因為PCB上兩個電阻焊盤之間的間隙太小，無法防止電弧。在±15kV氣隙ESD測試期間，我們從焊盤上取下電阻，使用連接到MAX22190輸入端的焊盤垂直于PCB安裝CMB0207，并將ESD直接施加到電阻上。通過此修改，該板通過了±15kV氣隙ESD。
在設計耐脈沖電阻器時，應注意在PCB上的電阻焊盤之間保持足夠大的間隙，以防止電弧放電。

MAX22192評估板上的CRCW2512-HP厚膜電阻 MAX22192評估板在輸入端采用CRCW2512-HP厚膜電阻。它們具有比 CMB0207 型更大的封裝，允許該板通過 ±1kV 線對地浪涌、±8kV 接觸 ESD 和 ±15kV 氣隙 ESD。

安全等級 Y 型電容器

評估板上提供接地連接，以驗證線對地瞬態抗擾度性能。需要在現場接地 （GNDF） 和接地 （PE） 之間安裝安全等級的 Y 電容器，以達到最佳的 ESD 和 EFT 性能。Y電容值可根據應用進行調整。默認情況下，MAX22190EVKIT和MAX22192評估板上安裝3300pF電容。

MAX22190評估板在現場接地和邏輯接地（GNDL）之間具有板載電流隔離。MAX14483和MAX12931數字隔離器具有基本絕緣額定值。如果在場接地和邏輯接地之間施加ESD或EFT，則需要在場接地和邏輯地之間使用安全等級的Y型電容。Y電容值可根據應用進行調整。默認情況下，這些評估板上安裝一個1000pF電容。

MAX22192EVKIT在現場接地和邏輯地之間集成了電氣隔離（具有基本絕緣額定值）。如果在場接地和邏輯接地之間施加ESD或EFT，則需要在場接地和邏輯地之間使用安全等級的Y型電容。- 電容值可根據應用進行調整。默認情況下，這些評估板上安裝一個1000pF電容。

VDD24 上的 TVS 二極管

MAX22190/MAX22192 VDD24引腳沒有集成浪涌保護功能，因此需要TVS二極管來保護VDD24引腳免受ESD、EFT和浪涌的影響。由于VDD24引腳的絕對最大值為+70V，因此可以根據不同的浪涌串聯電阻選擇較小的TVS二極管。對于 42O 浪涌阻抗，建議使用 SMAJ33A，對于 2O 浪涌阻抗，建議使用 SM30T39AY。

也可以在 VDD24 引腳上實現一個小串聯電阻器，以進一步限制進入 VDD24 引腳的浪涌電流。評估板內置150O耐脈沖串聯電阻。該值可以根據應用進行調整。選擇電阻值時應注意電阻兩端的壓降不會觸發VDD24進入UVLO。該電阻器必須是耐脈沖型，才能承受浪涌脈沖。

輸入接線端子

MAX22190評估板有3.5mm間距接線端子用作現場輸入。在±15kV氣隙ESD期間，在現場輸入引腳和相鄰現場接地引腳之間觀察到電弧 馬克西姆集成 第 12 頁，共 17 頁 測試。這是由于該接線端子上的兩個相鄰引腳（輸入和現場接地）之間的間隙（1.7mm）不足。在MAX22192EVKIT中，使用更大間距的接線端子解決了這個問題，間隙增加到2.5mm。

測試方法和結果

用于測試MAX22190EVKIT和MAX22192EVKIT的設備見表6，測試臺架設置的圖片如圖9所示。

表 6.用于瞬態抗擾度測試的設備

設備	描述	測試 （S）
MAX22190評估板或MAX22192評估板	被測設備操作	都
靜電放電測試生成器	Teseq NSG438 帶氣隙排放頭 403-826?	接觸式靜電放電和氣隙靜電放電
EFT/浪涌發生器	海菲利科技ECOMPACT4和Teseq NSG 3040A?	電子轉帳和浪涌
信號和數據線耦合網絡	Teseq CDN 117	激
具有 0.5μF 電容器的耦合器	INA 174A	激
電容耦合鉗	Teseq CDN 3425	DF5

測試設置和結果

MAX22190評估板通過VDD24測試點由外部24V電源供電。C38 裝有 3300pF Y 電容器。C39 裝有 1000pF Y 型電容器。

USB2PMB2（或USB2GPIO）連接到連接器X1，邏輯側由USB2PMB2（或USB2GPIO）產生的3.3V供電，USB2PMB2由PC上USB端口上的5V電源供電。MAX22190評估板GUI（或MAX22192評估板GUI）用于配置器件并讀寫所有寄存器。

U1 和 U2 均配置為 SPI 模式 0，即獨立的從機模式。所有跳線均處于默認位置，如MAX22910EVKIT和MAX22912EVKIT數據資料所示。上電復位（POR）位在每次測試前被清除。每次測試后都會驗證寄存器內容和基本設備功能。

圖10至圖12所示為被測MAX22190EVKIT的圖像。使用MAX22192EVKIT進行相同的測試。請參閱表 7 中的 ESD 測試結果。

圖 10.MAX22190評估板待測

IEC 61000-4-2

測試等級：±8kV接觸放電，±15kV氣隙放電。

輸入條件：輸入浮動，輸入低電平（0V），輸入高電平（24V）。

1Hz的ESD脈沖在正極性和負極性下均施加10次。

MAX22190EVKIT串聯電阻垂直安裝以防止電弧 MAX22190EVKIT串聯電阻垂直安裝，防止PCB上兩個電阻焊盤上發生電弧。

表 7.MAX22190評估板和MAX22192評估板ESD測試結果

靜電放電測試	測試條件	配置	水平	觀察
接觸放電	線對場接地	R在= 1kO 或 1.5kO	±8kV	消除干擾后正常運行;無需設備重置或注冊內容更改
	線到邏輯接地	R在= 1kO 或 1.5kO，1000pF Y 電容，介于 GNDF 和 GNDL 之間	±8kV	消除干擾后正常運行;無需設備重置或注冊內容更改
	線對地	R在= 1kO 或 1.5kO， GNDF 和大地之間的 3300pF Y 電容	±8kV	消除干擾后正常運行;無需設備重置或注冊內容更改
	VDD24 到現場接地	帶TVS和150O串聯電阻器	±8kV	消除干擾后正常運行;無需設備重置或注冊內容更改
	VDD24 至邏輯接地	帶TVS和150O串聯電阻器，在GNDF和GNDL之間使用1000pF Y電容	±8kV	消除干擾后正常運行;無需設備重置或注冊內容更改
氣隙放電	線對場接地	R在= 1kO 或 1.5kO	±15kV	消除干擾后正常運行;無需設備重置或注冊內容更改
	線到邏輯接地	R在= 1kO 或 1.5kO，1000pF Y 電容，介于 GNDF 和 GNDL 之間	±15kV	消除干擾后正常運行;無需設備重置或注冊內容更改
	線對地	R在= 1kO 或 1.5kO， GNDF 和大地之間的 3300pF Y 電容	±15kV	消除干擾后正常運行;無需設備重置或注冊內容更改
	VDD24 到現場接地	帶TVS和150O串聯電阻器	±15kV	消除干擾后正常運行;無需設備重置或注冊內容更改
	VDD24 至邏輯接地	帶TVS和150O串聯電阻器，在GNDF和GNDL之間使用1000pF Y電容	±15kV	消除干擾后正常運行;無需設備重置或注冊內容更改

總之，MAX22190和MAX22192均符合ESD測試的性能標準B。

IEC 61000-4-4

測試電平：高達±4kV。

輸入條件：輸入浮動，輸入低電平（0V），輸入高電平（24V）。

兩個 EFT 頻率：5kHz 和 15ms 突發時間，100kHz 和 0.75ms 突發時間。

EFT/突發應用一分鐘，同時連續監控輸入數據寄存器，包括正極性和負極性。

現場輸入和現場接地均耦合在電容鉗內，然后連接到輸入接線端子。

總之，MAX22190和MAX22192均符合表8所列EFT測試的性能標準A。

表 8.MAX22190評估板和MAX22192評估板EFT測試結果

測試條件	配置	水平	觀察
輸入線	R在= 1kO 或 1.5kO，GNDF 和大地之間的 3300pF Y 電容	±4kV	正常運行，無干擾
VDD24 線	帶TVS和150O串聯電阻器，在GNDF和大地之間使用3300pF Y電容	±4kV	正常運行，無干擾

IEC 61000-4-5

測試電平：線路對地高達±1kV，線路對線最高±2kV（兩個輸入僅浮動）。

輸入條件：輸入浮動，輸入低電平（0V），輸入高電平（24V）。 馬克西姆集成 第 17 頁，共 17 頁

浪涌脈沖以10秒的間隔施加10次，包括正極性和負極性。

CDN：40O + 0.5μF

總之，MAX22190和MAX22192均符合輸入引腳浪涌性能標準B和VDD24電源浪涌性能標準C，如表9所示。

表 9.MAX22190評估板和MAX22192評估板浪涌測試結果

測試條件	配置	水平	觀察
線對線	R在= 1kO 或 1.5kO	±2kV	消除干擾后正常運行;無需設備重置或注冊內容更改
線對場接地	R在= 1kO 或 1.5kO	±1kV	消除干擾后正常運行;無需設備重置或注冊內容更改
線到邏輯接地	R在= 1kO 或 1.5kO，1000pF Y 電容，介于 GNDF 和 GNDL 之間	±1kV	消除干擾后正常運行;無需設備重置或注冊內容更改
線對地	R在= 1kO 或 1.5kO，GNDF 和大地之間的 3300pF Y 電容	±1kV	消除干擾后正常運行;無需設備重置或注冊內容更改
VDD24 到現場接地	帶TVS二極管和150O串聯電阻器	±1kV	浪涌后設備復位;POR由浪涌觸發
VDD24 至邏輯接地	帶TVS二極管和150O串聯電阻器，在GNDF和GNDL之間使用1000pF Y電容	±1kV	消除干擾后正常運行;無需設備重置或注冊內容更改

總結

MAX22190和MAX22192在Maxim實驗室使用MAX22190評估板和MAX22192EVKIT根據IEC 61000-4測試進行ESD （-2）、EFT/突發（-4）和浪涌（-5）測試。通過遵循推薦的外部元件和評估板PCB布局指南，器件通過ESD 4級（±8kV接觸和±15kV氣隙）達到性能標準B，EFT 4級（±4kV I/O接地）達到性能標準A，浪涌2級（±1kV線對地，42O耦合）達到性能標準B。這為工程師提供了設計其設備以通過合規認證的指南。

審核編輯：郭婷