本文探討了電磁兼容性 （EMC），自 1996 年 232 月以來(lái)，電磁兼容性在形式上的重要性越來(lái)越大。我們?cè)谶@里討論進(jìn)入歐盟 （EU） 市場(chǎng)的所有設(shè)備必須具備的特殊要求和標(biāo)準(zhǔn)，并從 EMC 的角度考慮獲得“CE”（Communauté Européene）標(biāo)志的要求。專為滿足這些要求而設(shè)計(jì)的新一代RS-15產(chǎn)品體現(xiàn)了ADI公司為在IC級(jí)別實(shí)現(xiàn)EMC而采取的措施。這些措施包括內(nèi)置保護(hù)電路，以提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)以前可用的免疫水平;對(duì)超過(guò)<> kV的靜電放電（ESD）的抗擾度已通過(guò)新的和更嚴(yán)格的測(cè)試方法測(cè)量。我們還討論了過(guò)壓和電氣快速瞬變（EFT）保護(hù)。從發(fā)射的角度來(lái)看，我們研究了電磁輻射以及我們?cè)贗C中為消除昂貴的屏蔽程序而采取的措施。

歐盟電磁兼容指令：1989年89月，歐盟發(fā)布了一項(xiàng)理事會(huì)指令336/92/EEC，涉及成員國(guó)內(nèi)投放市場(chǎng)的產(chǎn)品的電磁兼容性。后來(lái)的修正案31/1/EEC將強(qiáng)制遵守推遲到1996年<>月<>日。該指令適用于容易造成電磁干擾或本身受這種干擾影響的設(shè)備，因此適用于所有電氣或電子產(chǎn)品。它超越了更熟悉的FCC B類排放控制要求，因?yàn)樗€解決了抗擾度和排放問(wèn)題。雖然該指令僅適用于在歐盟境內(nèi)銷售的產(chǎn)品，但該標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)在全球范圍內(nèi)采用。

符合歐盟電磁兼容性
指令要求產(chǎn)品

對(duì)其他來(lái)源的排放具有很高的內(nèi)在免疫力

將不良排放保持在非常嚴(yán)格的范圍內(nèi) 制造商有責(zé)任滿足法規(guī);從1年1996月<>日起，在歐盟銷售的所有電子產(chǎn)品必須通過(guò)顯示CE標(biāo)志來(lái)顯示一致性。

定義：

電磁兼容性（EMC）：能夠在電磁輻射環(huán)境中運(yùn)行，并且不會(huì)過(guò)度影響電磁輻射環(huán)境。當(dāng)這個(gè)目標(biāo)達(dá)到時(shí)，所有的電子設(shè)備在彼此面前都能正常工作。

電磁干擾 （°EMI）：一個(gè)設(shè)備發(fā)出的電磁能量導(dǎo)致另一個(gè)設(shè)備的性能下降。

電磁抗擾度或敏感性（EMS）：對(duì)電磁能量存在的耐受性。

電磁兼容測(cè)試：全面的EMC評(píng)估需要同時(shí)測(cè)試EMI和EMS。需要不同的測(cè)量方法和測(cè)試方法，它們?cè)趩为?dú)的標(biāo)準(zhǔn)中指定。發(fā)射的能量可以通過(guò)電源線或I / O電纜傳導(dǎo)，也可以通過(guò)空間輻射。它可以從沿著電纜傳導(dǎo)開始，然后在屏蔽不足時(shí)進(jìn)行輻射。同樣，電磁抗擾度或敏感性必須針對(duì)傳導(dǎo)和輻射干擾進(jìn)行測(cè)試。傳導(dǎo)干擾包括靜電放電 （ESD） 和電快速瞬變 （EFT）。

排放測(cè)試并不新鮮，但直到現(xiàn)在，免疫測(cè)試才成為商業(yè)產(chǎn)品的強(qiáng)制性要求——這是歐盟法規(guī)的結(jié)果。商業(yè)免疫測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，包括進(jìn)行和輻射，已經(jīng)發(fā)展了幾年。

IEC1000-4-x 抗擾度規(guī)格：歐洲的基本EMC抗擾度標(biāo)準(zhǔn)來(lái)自國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）。多年來(lái)，內(nèi)容和文檔編號(hào)不斷發(fā)展。在最新一輪中，IEC已將IEC1000-4-x分配給以前稱為IEC801-x系列的抗擾度標(biāo)準(zhǔn)系列。例如，處理ESD抗擾度的規(guī)范，以前稱為IEC801-2，現(xiàn)已成為IEC1000-4-2。

電磁兼容和 I-O 端口

據(jù)估計(jì)，高達(dá)75%的EMC問(wèn)題與I-O端口有關(guān)。I-O端口是一個(gè)開放的網(wǎng)關(guān)，用于靜電放電或快速瞬態(tài)放電進(jìn)入設(shè)備，以及通過(guò)I-O線路上的雜散信號(hào)傳導(dǎo)或I-O電纜輻射使干擾信號(hào)逸出。因此，連接到端口的I-O收發(fā)器器件的EMC性能對(duì)整個(gè)封裝的EMC性能至關(guān)重要。

I-O 端口的電磁敏感性：I-O端口特別容易受到EMI的損壞，因?yàn)樗鼈冊(cè)凇罢！辈僮髌陂g可能會(huì)受到各種形式的過(guò)電壓。簡(jiǎn)單地插入或拔下帶有靜電荷的電纜可能會(huì)損壞收發(fā)器。RS-232串行端口特別容易受到攻擊 標(biāo)準(zhǔn)串行端口使用裸露的 9 路公頭 D 連接器。連接器上的引腳非常容易接近，使其成為意外放電的主要目標(biāo)。ESD 損壞可能是由于在穿過(guò)鋪有地毯的房間后簡(jiǎn)單地拿起筆記本電腦造成的。

確保I-O端口（包括RS-232）的ESD抗擾度的傳統(tǒng)方法是使用某種形式的電壓鉗位結(jié)構(gòu)，例如Tranzorbs或限流電阻器。集成電路損壞是由電流過(guò)大引起的，通常是由高電壓引起的。可以使用電流分流或電流限制來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

當(dāng)前改道：可以通過(guò)將一些電流轉(zhuǎn)移到外部接地來(lái)保護(hù)集成電路，通常具有提供電壓鉗位的結(jié)構(gòu)。電壓鉗必須快速接通，并能夠安全地處理從IC轉(zhuǎn)移的電流。Tranzorbs是一種受歡迎的選擇，但它們價(jià)格昂貴且占用空間。例如，RS-232端口有八條I-O線，每條線都需要單獨(dú)保護(hù);保護(hù)元件通常比收發(fā)器本身占用更多的面積。在當(dāng)今的筆記本電腦中，成本和電路板空間都必須最小化，這遠(yuǎn)非理想。外部鉗位結(jié)構(gòu)的另一個(gè)缺點(diǎn)是I-O線路上的容性負(fù)載較重。這限制了最大數(shù)據(jù)速率，并且數(shù)據(jù)邊緣的充電/放電會(huì)導(dǎo)致電池消耗，這是便攜式設(shè)備的另一個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)。

電流限制：使用簡(jiǎn)單串聯(lián)電阻的限流保護(hù)是一種常用選擇，因?yàn)榭赡苡龅降倪^(guò)電壓相對(duì)較低。但對(duì)于電壓可能高達(dá)15 kV的ESD保護(hù)，這不是一個(gè)可行的選擇。將電流保持在安全限值（200 mA左右）所需的電阻值會(huì)很高，以至于無(wú)法正常工作。偶爾使用其他限流元件，如熱敏電阻;但同樣，保護(hù)是以輸出阻抗為代價(jià)實(shí)現(xiàn)的。電流限制通常與電壓箝位結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)良好的折衷，提供高水平的保護(hù)，但不會(huì)降低正常工作規(guī)格。盡管如此，外部結(jié)構(gòu)在便攜式低成本設(shè)備中是不可取的。

I-O 端口上的 EMC 輻射：人們可能不認(rèn)為RS-232端口可能是違規(guī)者，因?yàn)閿?shù)據(jù)速率相當(dāng)適中。但排放確實(shí)是一個(gè)令人擔(dān)憂的問(wèn)題，原因有很多。

近年來(lái)，傳輸速度比最初預(yù)期的RS-10速度提高了232倍。現(xiàn)在常見(jiàn)的V.34調(diào)制解調(diào)器要求數(shù)據(jù)速率超過(guò)115 kbps。現(xiàn)在出現(xiàn)了更高速的調(diào)制解調(diào)器，將速率推高到133 kbps。ISDN將其推高到230 kbps。更高的頻率，加上高電壓，轉(zhuǎn)化為更高的發(fā)射水平。向基于電荷泵的單電源收發(fā)器的轉(zhuǎn)變催生了片上高頻時(shí)鐘振蕩器。最新一代基于電荷泵的產(chǎn)品使用0.1μF電荷泵電容器以節(jié)省電路板空間，但代價(jià)是振蕩器頻率更高，導(dǎo)致更高的輻射水平。高壓開關(guān) （20 V）、高頻以及驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)且通常為非屏蔽電纜是 EMI 故障的秘訣，除非非常小心。RS-232電纜是一種非常有效的天線，即使是耦合到RS-232電纜上的低電平噪聲也會(huì)產(chǎn)生明顯的輻射。

“修復(fù)”與預(yù)防

很多時(shí)候，EMC問(wèn)題是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的后期發(fā)現(xiàn)的，需要昂貴的重新設(shè)計(jì)，包括屏蔽、額外的接地、電壓鉗位結(jié)構(gòu)等。這種“創(chuàng)可貼”修復(fù)可能既費(fèi)時(shí)又費(fèi)空間，價(jià)格昂貴，而且缺乏成功的保證。它有助于在設(shè)計(jì)周期中盡早了解和消除潛在的EMI問(wèn)題，包括輻射和抗擾度。 在可能的情況下，包括已經(jīng)過(guò)合規(guī)性測(cè)試和特征描述的產(chǎn)品會(huì)很有幫助，這樣您就可以知道您正在運(yùn)行的極限有多近。

ADM2xxE系列?RS-232接口收發(fā)器產(chǎn)品（模擬對(duì)話30-3，第19頁(yè)）是設(shè)計(jì)時(shí)將EMC合規(guī)性作為重要考慮因素的器件示例。高水平的固有抗EMI以及低水平的輻射發(fā)射減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的麻煩。優(yōu)點(diǎn)包括低成本、節(jié)省空間、內(nèi)置堅(jiān)固性和低排放。

片上抗擾度：片上 ESD、EFT 和 EMI 保護(hù)結(jié)構(gòu)確保符合 IEC1000-4-2、IEC1000-4-3 和 IEC1000-4-4 的要求。所有輸入和輸出均可承受高達(dá) ±15 kV 的靜電放電和高達(dá) ±2 kV 的快速電瞬變。這非常適合在電氣惡劣環(huán)境中或經(jīng)常插入或拔出RS-232電纜的設(shè)備。它們還不受高 R-F 場(chǎng)強(qiáng) （1000-4-3） 的影響，允許在非屏蔽外殼中運(yùn)行。

所有這些固有保護(hù)意味著可以消除昂貴的外部電路，從而節(jié)省成本和電路板空間;更少的組件意味著更高的系統(tǒng)可靠性;并且保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速度，通常受到外部保護(hù)的影響。

保護(hù)結(jié)構(gòu)：所用保護(hù)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化版本如下所示。它基本上采用兩個(gè)背靠背二極管。在正常工作條件下，這些二極管中的一個(gè)或另一個(gè)是反向偏置的。如果I-O引腳上的電壓超過(guò)±50 V，則會(huì)發(fā)生反向擊穿，電壓被箝位，從而轉(zhuǎn)移流經(jīng)二極管的電流。由于RS-232信號(hào)線是雙極性的，擺幅通常在?10 V至+10 V之間，因此需要兩個(gè)二極管。發(fā)射器輸出和接收器輸入使用相同的保護(hù)結(jié)構(gòu)。接收器輸入端接的5毫歐姆電阻也有助于電流轉(zhuǎn)移。

二極管必須能夠耗散ESD脈沖中存在的能量。它們必須能夠高速開關(guān)，安全地耗散能量，并占用最小的芯片面積。下圖說(shuō)明了如何實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，是用于接收器輸入和發(fā)射器輸出的實(shí)際結(jié)構(gòu)。每個(gè)焊盤周圍的環(huán)形結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了P-N結(jié)，以最小的芯片面積實(shí)現(xiàn)了最佳的電荷分布。

根據(jù) IEC1000-4-2 測(cè)試 ESD 保護(hù)：這種結(jié)構(gòu)符合IEC1000-4-2的測(cè)試要求，比更常見(jiàn)的MIL-STD-883B或人體模型測(cè)試要嚴(yán)格得多。大多數(shù)半導(dǎo)體制造商使用的這種傳統(tǒng)的ESD測(cè)試方法旨在測(cè)試產(chǎn)品在處理和電路板制造過(guò)程中對(duì)ESD損壞的敏感性。他們沒(méi)有充分測(cè)試產(chǎn)品對(duì)真實(shí)世界放電的敏感性。每個(gè)引腳都相對(duì)于所有其他引腳進(jìn)行測(cè)試，模擬在處理過(guò)程中或使用自動(dòng)插入設(shè)備可能發(fā)生的放電類型。這些測(cè)試與IEC測(cè)試之間存在重要差異。

IEC1000-4-2 與 MIL-STD-883B：IEC測(cè)試在放電能量方面要嚴(yán)格得多。下面顯示的是ESD測(cè)試發(fā)生器的簡(jiǎn)化原理圖。電容器C1通過(guò)R1充電至所需的測(cè)試電壓。然后，C1中的能量通過(guò)R2排放到被測(cè)器件中。峰值電流和放電能量由R2和C1決定。該表顯示，對(duì)于IEC測(cè)試，R2從1.5毫歐姆降低到330歐姆，導(dǎo)致峰值電流增加>4倍。此外，C1從50 pF增加到100 pF增加了150%。此外，應(yīng)用于I-O引腳的IEC1000-4-2測(cè)試是在向器件通電時(shí)進(jìn)行的，以檢查潛在的破壞性閂鎖，這可能是由ESD瞬變引起的。

因此，IEC測(cè)試更好地代表了真實(shí)世界的I-O放電，其中設(shè)備在通電的情況下正常運(yùn)行。但為了讓您高枕無(wú)憂，應(yīng)執(zhí)行這兩項(xiàng)測(cè)試，以確保在處理和制造期間以及以后的現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)期間提供最大的保護(hù)。

IEC1000-4-4（以前稱為 IEC801-4）電氣快速瞬態(tài)抗擾度：電快速瞬變是由于開關(guān)和繼電器中的電弧觸點(diǎn)而發(fā)生的。IEC1000-4-4 中定義的測(cè)試模擬了例如功率繼電器斷開感性負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的干擾。由于高反電動(dòng)勢(shì)（Ldi/dt），產(chǎn)生電弧。由于開關(guān)打開時(shí)觸點(diǎn)反彈，電弧實(shí)際上是突發(fā);因此，線路上出現(xiàn)的電壓由極快的瞬態(tài)脈沖組成。IEC1000-4-4中定義的快速瞬態(tài)突發(fā)測(cè)試嘗試使用此處所示的波形模擬此類事件引起的干擾。

波形由 15 ms 突發(fā) 2.5 至 5kHz 瞬變組成，以 300 ms 的間隔重復(fù)。這些瞬變使用1米電容箝位耦合到I-O線路上。施加高達(dá) 2 kV 的電壓，具有所示的快速轉(zhuǎn)換時(shí)間。這可能會(huì)立即損壞連接到I-O線路的未受保護(hù)的IC，或者導(dǎo)致性能下降并導(dǎo)致延遲故障。上述保護(hù)方案用于ADM2xxE，可將過(guò)壓箝位至安全水平。

IEC1000-4-3（以前稱為 IEC801-3）輻射抗擾度：本規(guī)范描述了測(cè)量方法并定義了對(duì)輻射電磁（EM）場(chǎng)的抗擾度。它最初旨在模擬由便攜式無(wú)線電收發(fā)器等源產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，這些源產(chǎn)生連續(xù)波輻射電磁能量。此后，其范圍已擴(kuò)大到包括雜散電磁能量，可以從熒光燈、晶閘管驅(qū)動(dòng)器、感性負(fù)載等輻射。

在抗干擾性測(cè)試中，設(shè)備以多種方式之一用電磁場(chǎng)照射。集成電路使用某種形式的帶狀線電池可以方便地進(jìn)行測(cè)試，該帶狀線單元由兩個(gè)平行板組成，它們之間會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。高功率RF放大器產(chǎn)生磁場(chǎng)，其頻率從80 MHz掃描到1 GHz。被測(cè)器件放置在電池內(nèi)并暴露在電場(chǎng)中。電池內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè)器提供反饋，以在頻率變化時(shí)保持恒定的場(chǎng)電平。定義了三個(gè)嚴(yán)重性級(jí)別，場(chǎng)強(qiáng)范圍為 1 至 10 V/m。結(jié)果的分類方式與IEC1000-4-2類似。

排放：EN55 022，CISPR22定義了信息技術(shù)（IT）設(shè)備的輻射和傳導(dǎo)干擾的允許限值。該標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是最大限度地減少這兩種類型的輻射，例如由涉及高頻開關(guān)電流的開關(guān)電路產(chǎn)生的輻射。為了便于測(cè)量和分析，假設(shè)傳導(dǎo)發(fā)射在30 MHz以下占主導(dǎo)地位，輻射發(fā)射在30 MHz以上占主導(dǎo)地位。

減少排放的最佳和最簡(jiǎn)單的方法是從源頭上減少排放;例如，ADM2xxE系列中使用的電荷泵設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是最大限度地降低開關(guān)瞬變，而無(wú)需任何額外的濾波或屏蔽元件。這減輕了系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的任務(wù)，通過(guò)消除外部濾波器和其他高頻抑制或屏蔽元件來(lái)節(jié)省成本和空間，并完全避免濾波連接器，這通常是昂貴的最后手段。

審核編輯：郭婷