文章討論了電磁干擾（EMI）的來源。它描述了使用氣體避雷器、壓敏電阻、抑制二極管、扼流圈和鐵氧體、電容器或串聯(lián)電阻器的設(shè)計(jì)如何保護(hù)設(shè)備。描述了EMI測試的方法。

介紹

我們生活的越來越多的方面依賴于電子設(shè)備和電器的不間斷運(yùn)行。“線控驅(qū)動(dòng)”和“線控飛行”已成為日常現(xiàn)實(shí)。特別是在自動(dòng)化工廠和高可用性系統(tǒng)中，無法正常運(yùn)行的電子設(shè)備會(huì)造成巨大的損壞和中斷。

理想的電子電路應(yīng)該沒有有源電磁干擾（EMI，也稱為RFI或射頻干擾）源，并且不受外界干擾的被動(dòng)影響。

最小化有源源的任務(wù)可能比防止干擾更容易。最小化EMI的常用技術(shù)包括線路濾波、電源設(shè)計(jì)、正確布局和屏蔽外殼。

電氣干擾可以通過電源線傳導(dǎo)，也可以通過電容、磁或電磁輻射通過空氣傳輸。通常，通過連接到設(shè)備的信號(hào)線傳導(dǎo)的干擾是最難管理的。在任何情況下，都必須區(qū)分防止損壞或故障的需要與防止信號(hào)或數(shù)據(jù)失真（例如微控制器程序序列中斷）的需要。第一個(gè)問題用硬件設(shè)計(jì)來攻擊，第二個(gè)問題用軟件算法來攻擊。

本文介紹了保護(hù)設(shè)備免受有害電壓和電流侵入的方法。

電磁干擾調(diào)節(jié)指南

認(rèn)識(shí)到EMI的重要性，政府機(jī)構(gòu)很早就承擔(dān)了通過法規(guī)加強(qiáng)設(shè)備兼容性的任務(wù)。例如，IEC 61000-4標(biāo)準(zhǔn)化了測試方法。與本次討論相關(guān)的部分包括用于靜電放電 （ESD） 的 IEC 61000-4-2、用于快速瞬變 （FTB） 的 IEC 61000-4-4 和用于高能瞬變 （SURGE） 的 IEC 61000-4-5。所有這些測試方法都依賴于電噪聲的真實(shí)模型。

在應(yīng)用任何保護(hù)元素之前，請(qǐng)考慮以下基本規(guī)則：

在設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)考慮EMI保護(hù)，而不是在之后添加。

盡可能靠近源頭阻止干擾，最好在干擾進(jìn)入設(shè)備之前;將它們重定向到地面。

所有可能受到EMI干擾的部分，即使是電氣隔離的部分，都應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離敏感電路。

由于信號(hào)電路無法承受千伏級(jí)電壓，因此必須從輸入中排除此類干擾，將其轉(zhuǎn)換為電流，然后再轉(zhuǎn)換為熱量。接地環(huán)路電流可以進(jìn)入接口并貫穿整個(gè)電路，通常通過電流隔離來阻止。隔離對(duì)于工業(yè)系統(tǒng)中可能發(fā)生的較長線路和高接地環(huán)路電流特別有用。

峰值為30A的ESD電流脈沖在接地走線上可能僅產(chǎn)生數(shù)十毫伏的阻性壓降。然而，其極陡峭的上升時(shí)間（> 30A/ns）可能會(huì)在同一走線上產(chǎn)生數(shù)百伏的感性壓降（假設(shè)導(dǎo)線電感約為1nH/cm），足以導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。趨膚效應(yīng)適用于這些高頻;它通過強(qiáng)制電流僅在導(dǎo)體表面的微米內(nèi)流動(dòng)來顯著增加導(dǎo)線電阻。為了抵消這種影響，接地連接需要較大的表面積來保持低電阻。

快速上升時(shí)間可以將FTB和ESD干擾從嘈雜部分電容耦合到所謂的安靜部分。在這種情況下，當(dāng)設(shè)計(jì)人員通過在主電源變壓器上增加繞組來提供電氣隔離電源時(shí)，經(jīng)常會(huì)犯一個(gè)錯(cuò)誤。這種布置允許“感染線路”（外部信號(hào)的接地回路）污染整個(gè)電路。

作為一種緊湊、功能清潔且經(jīng)濟(jì)高效的替代方案，可以使用基于MAX253驅(qū)動(dòng)器的正激轉(zhuǎn)換器在電路外圍產(chǎn)生輔助電壓。MAX253提供較小的電路板空間，在干凈電位和噪聲電位之間提供有效的屏障。所需的微型變壓器可以采用低于 10pF 的耦合電容制造，但在隔離千伏時(shí)傳輸高達(dá) 1W 的功率（圖 1）。

圖1.小型變壓器和驅(qū)動(dòng)器IC從5V電源軌獲得隔離式5V電源。有關(guān)1CT：1.3CT的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見MAX2數(shù)據(jù)資料中的表253。

其他常用的EMI保護(hù)元件如下所述。

氣體阻攔器是一種充滿氣體的碟形電容器，通常是氖氣。超過~100V的過電壓會(huì)產(chǎn)生等離子體，將電壓限制在低電平并承載高電流。氣體避雷器吸收高水平瞬變，但不適用于快速瞬變，因?yàn)榈入x子體的出現(xiàn)需要一些時(shí)間。它們不適合電源保護(hù)，并且難以在低源阻抗下使用。正常工作時(shí)的漏電流非常低。

壓敏電阻是一種由金屬氧化物（主要是鋅）制成的避雷器，通常形狀像帶有兩個(gè)連接器的平板電腦，每側(cè)一個(gè)。壓敏電阻的行為類似于齊納二極管，其響應(yīng)速度比氣體抑制器快得多，但漏電流較高，尤其是當(dāng)信號(hào)接近鉗位電壓時(shí)。

抑制器 （TransZorb） 二極管用于限制低電壓電平下的快速瞬變。其功耗能力因外形尺寸而異。至于壓敏電阻，它們?cè)谄鋼舸╇妷焊浇憩F(xiàn)出明顯的漏電流。結(jié)電容也很重要，因此在快速系統(tǒng)中，它們通常通過二極管橋去耦。?

ESD結(jié)構(gòu)是一種新穎的設(shè)計(jì)，其行為有點(diǎn)像音調(diào)。這些設(shè)計(jì)集成在MAX202E、MAX485E、其它RS-232/RS-485收發(fā)器IC中，最近還集成在模擬多路復(fù)用器（如MAX4558）中。它們具有低電容和低漏電流特性，適用于ESD和FTB保護(hù)。

扼流圈、鐵氧體可以衰減高頻和快速電壓峰值，但不吸收太多能量。注意諧振效應(yīng)，并始終與衰減電容器（通常是T型結(jié)構(gòu)的LC濾波器）一起使用。電感器制造商通常指定自諧振頻率（SRF）。SRF 來自電感的寄生電容，當(dāng)在 SRF 上方工作時(shí)，該電容會(huì)抵消電感。為了獲得更好的性能，請(qǐng)使用電感器作為SRF下方的RF扼流圈，切勿在SRF上方使用電感器。這些器件經(jīng)常用于防止共模干擾和電源濾波。

電容器可能是最重要的保護(hù)元件。電容器的重要特性是等效串聯(lián)電阻 （ESR）、電感、大電流能力和電壓能力。在布局中正確放置電容器對(duì)于最小化EMI至關(guān)重要。如果使用得當(dāng)，電容器會(huì)從低通濾波器產(chǎn)生高頻接地，繞過RF信號(hào)到地。電容器還具有自諧振頻率，在該點(diǎn)上它變?yōu)楦行浴＞拖耠姼衅饕粯樱瑧?yīng)在SRF下方使用電容器。理解這一點(diǎn)的另一種方法是確保SRF遠(yuǎn)高于需要濾波的噪聲頻率。

串聯(lián)電阻器也是最重要和成本最低的保護(hù)元件之一。根據(jù)電阻和功耗正確選擇串聯(lián)電阻器，可以取代成本更高的元件，結(jié)果相當(dāng)。

良好的布局設(shè)計(jì)可以最大限度地減少EMI的影響。快速開關(guān)電流產(chǎn)生磁場，快速變化的電壓產(chǎn)生電場，可能導(dǎo)致不希望的耦合。通過使用良好的接地和屏蔽外殼，可以最大限度地減少電磁耦合。正確放置過孔始終是一種好的做法。具有多個(gè)旁路電容器過孔，因?yàn)槎鄠€(gè)過孔會(huì)降低電阻和電感。此外，避免使用接地電壓電位不穩(wěn)定的接地。攜帶高頻信號(hào)的走線會(huì)產(chǎn)生時(shí)變電磁波，可以傳播干擾的原因。90度角的兩條走線使兩個(gè)信號(hào)之間的干擾最小。良好的外殼接地還有助于防止外部信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)。這反過來又屏蔽了電路。

以下示例說明了這些組件的使用、一些工作原理和可能的陷阱。

熱電偶

熱電偶信號(hào)具有準(zhǔn)靜態(tài)處理的優(yōu)勢。為了防止接地環(huán)路電流造成的信號(hào)失真，大多數(shù)熱電偶應(yīng)用在信號(hào)采集和信號(hào)處理電路之間提供電流隔離。如圖2a所示，差分信號(hào)通過多路復(fù)用器饋送到儀表放大器的輸入端，然后從那里饋送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。光電耦合或磁耦合通過隔離柵傳輸ADC的數(shù)字輸出。

圖 2a.這些組件處理來自熱電偶的差分信號(hào)。

熱電偶可通過每個(gè)電極上的2kΩ和100nF的簡單低通RC網(wǎng)絡(luò)輕松保護(hù)。一個(gè)具有高額定電壓的附加 1nF 分流電容器連接設(shè)備的電路公共框架和接地框架。該電容器將ESD干擾轉(zhuǎn)移到地，同時(shí)保持直流電流的電氣隔離。它還構(gòu)成一個(gè)電容分壓器，用于限制隔離電源的峰值電壓。為了進(jìn)一步限制峰值電壓，可以將高壓壓敏電阻與分流電容并聯(lián)（圖 2b）。

圖 2b.高壓壓敏電阻（左下）限制峰值電壓。

2kΩ電阻必須足夠大，以承受高電壓（高達(dá)±8kV ESD），并在FTB和U浪涌測試期間耗散大量能量。不幸的是，后續(xù)電路輸入端（即隔離柵之前）的漏電流可能會(huì)流過該保護(hù)串聯(lián)電阻，從而產(chǎn)生大量的靜態(tài)信號(hào)誤差。例如，多路復(fù)用器可能會(huì)引入不可接受的錯(cuò)誤;為緩沖多路復(fù)用器而添加的放大器可能會(huì)引入額外的輸入失調(diào)和輸入電流誤差，同時(shí)增加系統(tǒng)的成本和電路板空間。

MAX4051A多路復(fù)用器與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MAX4051引腳和功能兼容，提供中等成本的替代方案。在擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)，其漏電流保證在 5nA （最大值），在 +2°C 時(shí)典型值僅為 25pA。 因此，串聯(lián)電阻器上最壞情況下的溫度泄漏會(huì)產(chǎn)生僅2μV的最大誤差。對(duì)于大多數(shù)熱電偶來說，這個(gè)誤差已經(jīng)足夠了。如果應(yīng)用需要更小的誤差，基于MAX4254四通道運(yùn)算放大器的儀表放大器緩沖器在整個(gè)溫度范圍內(nèi)可將漏電流降至100pA （最大值），在+1°C時(shí)降至25pA （典型值）。 此外，低輸入失調(diào)電壓（V操作系統(tǒng)） 漂移 （僅 0.3μV/°C） 使得該緩沖器對(duì)高阻抗、低電平信號(hào)極為有效。

另一種選擇是單芯片MAX1402信號(hào)采集系統(tǒng)，包括Σ-Δ型ADC、緩沖放大器、多路復(fù)用器、傳感器激勵(lì)電流源和用于信號(hào)驗(yàn)證的燒毀電流源。它具有非常低的輸入漏電流，并具有實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償?shù)葢?yīng)用的靈活性。

角度編碼器

工業(yè)角度編碼器確定電機(jī)中的轉(zhuǎn)子位置。精密定位系統(tǒng)具有雙通道、正交、差分正弦波（一些制造商稱為“正弦”信號(hào)）。總之，這些正弦曲線形成一個(gè)指針，可以精細(xì)地解析轉(zhuǎn)子位置。除了模擬位置信號(hào)線外，此類系統(tǒng)通常還包括RS-422或RS-485線，用于初始化編碼器并設(shè)置其參數(shù)。在某些情況下，這些線路長距離運(yùn)行，傳輸?shù)颓Ш掌濐l率和高達(dá)每秒兆比特的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)速率的模擬信號(hào)（圖 3）。

圖3.該光學(xué)編碼器系統(tǒng)中的通信由模擬“正弦”信號(hào)和雙向數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)組成。

因此，排除了大串聯(lián)電阻和無源RC組合形式的保護(hù)，但需要線路端接電阻（通常為120Ω）以防止反射。主要需求是防止ESD和FTB干擾。在采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)器的系統(tǒng)中（圖 4），差分發(fā)射器的輸出電壓受抑制二極管和去耦二極管的限制。（去耦二極管是反向偏置的，以將寬帶數(shù)據(jù)信號(hào)與抑制二極管的電容去耦，否則會(huì)嚴(yán)重衰減信號(hào)。

圖4.該二極管/抑制器網(wǎng)絡(luò)可防止ESD、FTB和浪涌故障造成的損壞。可選的 PTC 保險(xiǎn)絲可防止與危險(xiǎn)電壓的故障連接。

為接收器提供類似的保護(hù)，但有一個(gè)重要的區(qū)別：為了保證不對(duì)稱的共模范圍（EIA-7A為-12V至+422V），限幅網(wǎng)絡(luò)也必須是不對(duì)稱的。發(fā)射器輸出和接收器輸入符合相同的共模范圍，因此為了方便和經(jīng)濟(jì)起見，兩者都由相同的抑制二極管保護(hù)。但是，MAX490E是集成ESD和FTB保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的RS-422收發(fā)器，可以取代整個(gè)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。

作為良好做法，收發(fā)器接地應(yīng)連接到外殼/接地，連接時(shí)間應(yīng)盡可能短。如果線路被屏蔽（強(qiáng)烈推薦！），屏蔽也應(yīng)該用短連接連接到這一點(diǎn)上。如果預(yù)計(jì)分離的接地電位之間會(huì)有較大的交換電流，則應(yīng)在屏蔽和接地之間插入一個(gè)100Ω串聯(lián)電阻，最好用低ESR電容旁路。

如果系統(tǒng)需要浪涌保護(hù)，則不可避免地使用外部保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。在這種情況下，建議拆分線路端接，使其也可以用作限流電阻。這在接收器側(cè)很容易實(shí)現(xiàn)，信號(hào)電平損失適中。對(duì)于驅(qū)動(dòng)器側(cè)，鑒于MAX10E的差分輸出阻抗約為490Ω，必須驗(yàn)證大約40Ω的串聯(lián)電阻是否可以接受。圖4還給出了一個(gè)可能的電路，包括與數(shù)據(jù)線串聯(lián)的PTC保險(xiǎn)絲。

標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)接口

為系統(tǒng)選擇的信號(hào)傳輸模式受系統(tǒng)可能呈現(xiàn)的大量信號(hào)源和傳輸距離的影響。對(duì)于更高的帶寬和更長的線路，通常需要（特別是在易受干擾的系統(tǒng)中）將信號(hào)轉(zhuǎn)換為更高的電平：0V至10V;-10V至+10V;4mA至20mA;或者在某些情況下，差分模擬，如角度編碼器。其他系統(tǒng)更喜歡由電線、光纖或無線電鏈路承載的數(shù)字格式。在所有情況下，都應(yīng)通過將傳感器放置在盡可能靠近信號(hào)源的位置來最大程度地減少噪聲影響。

例如，±10V接口通常用于設(shè)置電機(jī)控制應(yīng)用中的目標(biāo)位置。這些環(huán)境嘈雜，當(dāng)發(fā)生接線錯(cuò)誤時(shí)，24V 工業(yè)電源（始終存在于機(jī)柜中）可能會(huì)造成危險(xiǎn)。Maxim的信號(hào)線保護(hù)器MAX4506/MAX4507具有60Ω通道電阻和在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的最大20nA漏電流。它們還為該接口提供了優(yōu)雅的保護(hù)（圖 5）。電源電壓范圍內(nèi)的信號(hào)通過這些IC幾乎不受影響。

圖5.該信號(hào)線保護(hù)器IC保護(hù)±10V接口。

如果干擾導(dǎo)致受保護(hù)的端子信號(hào)超過正或負(fù)電源電壓，則線路保護(hù)器芯片對(duì)故障信號(hào)具有高阻抗。它可承受高達(dá) 36V 的故障電壓，或在電源關(guān)閉時(shí)可承受高達(dá) ±40V 的故障電壓。圖6顯示了這些器件的輸入至輸出傳遞函數(shù)。

圖6.該傳遞函數(shù)說明了MAX4506/MAX4507信號(hào)線保護(hù)器的箝位效應(yīng)。

使用MAX4506或MAX4507等元件，圖5給出了±10V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出的可能保護(hù)方案。輸出通常比輸入更難保護(hù)，盡管輸入端保護(hù)元件引入的泄漏會(huì)導(dǎo)致信號(hào)錯(cuò)誤。在每個(gè)接收器輸入或發(fā)送器輸出的線路端子和接地/接地之間插入一個(gè)雙向抑制二極管就足夠了，該二極管提供±30V箝位電壓。

由于抑制二極管的箝位電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)范圍，因此源自抑制二極管的任何失真漏電流都非常低。線路信號(hào)由反饋調(diào)節(jié)，而低信號(hào)線路保護(hù)器的串聯(lián)電阻對(duì)驅(qū)動(dòng)器擺幅的要求最低。（假設(shè)接收器的最小負(fù)載電阻為100kΩ，則壓差僅為10mV。這種保護(hù)即使在連續(xù)故障（如上所述，高達(dá)24VDC）下也適用，而不會(huì)危及抑制二極管或電路。

類似地，接收器側(cè)的信號(hào)輸入可以通過在緩沖放大器前面插入信號(hào)線保護(hù)器來保護(hù)。MAX197是專用的A/D轉(zhuǎn)換器，具有±16V的內(nèi)部故障保護(hù)，通過在輸入端并聯(lián)雙向抑制二極管（提供±15V箝位電壓）提供簡單有效的保護(hù)。每個(gè)輸入通道的軟件可編程輸入范圍使MAX197能夠處理上述標(biāo)準(zhǔn)電壓范圍。如果需要更高級(jí)別的保護(hù)，可以將MAX4507八通道信號(hào)線保護(hù)器放在MAX197前面。

EMI 抗擾度測試和測量技術(shù)

靜電放電抗擾度測試 （IEC 61000-4-2）

測試發(fā)生器由一個(gè)高壓 150pF 電容器組成，該電容器通過 330Ω 串聯(lián)電阻放電（圖 7）;開關(guān);以及一個(gè)電極，形狀模擬手指，排放到被測設(shè)備 （EUT） 中。

圖7.一個(gè)簡單的測試電路將受控的ESD脈沖施加到測試設(shè)備。

測試規(guī)范區(qū)分了接觸放電和空氣放電。通過在關(guān)閉開關(guān)時(shí)用測試手指觸摸設(shè)備外殼來施加接觸放電。此過程將設(shè)備表面暴露在測試電壓（±2kV、±4kV、±6kV 和 ±8kV）下，減去流過串聯(lián)電阻器的電流引起的壓降。由此產(chǎn)生的短路電流如圖8所示。

圖8.圖1電路中的ESD“zap”在被測器件（DUT）中產(chǎn)生該電流。

通過將測試尖端盡快朝向表面，對(duì)絕緣表面施加空氣放電。測試需要至少10次測量，在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測試電壓（±2kV，±4kV，±8kV和±15kV）下至少間隔一秒鐘。目標(biāo)是通過測試到為該類設(shè)備指定的極限來找到設(shè)備外殼內(nèi)最薄弱的點(diǎn)。使用相同的測試發(fā)生器，通過將測試尖端連接到靠近設(shè)備外殼（即約10cm）的金屬板上，實(shí)施了額外的電容耦合測試。該測試僅適用于用戶在正常操作和維護(hù)期間接觸的設(shè)備部件。

快速瞬態(tài)突發(fā)測試 （FTB） （IEC 61000-4-4）

FTB測試將測試信號(hào)電容耦合到電源線或信號(hào)線上。它采用形狀像管子的耦合裝置，并將被測線封閉約一米。測試信號(hào)由大約 75 個(gè)高壓脈沖組成，以 3Hz 重復(fù)率突發(fā)傳輸。每個(gè)脈沖的上升時(shí)間約為5ns，50Ω負(fù)載下的下降時(shí)間（至峰值的50%）為50ns，100Ω負(fù)載為1000ns。脈沖之間的時(shí)間為10μs或200μs（圖9）。

圖9.FTB 突發(fā)中的測試脈沖如圖所示。

為了產(chǎn)生低負(fù)載電阻所需的高電壓，該發(fā)電機(jī)的輸出電阻遠(yuǎn)低于ESD發(fā)生器的輸出電阻。測試脈沖的峰值幅度范圍為±0.25kV至±0.5kV以上，50Ω負(fù)載時(shí)為±1kV至±2kV。在1000Ω時(shí)，負(fù)載幅度為±0.5kV、±1kV、±2kV和±4kV。一個(gè)像樣的電纜屏蔽層，在設(shè)備側(cè)正確連接到地面/接地，可以消除此測試的很多麻煩。

高能量瞬變浪涌抗擾度測試 （IEC 61000-4-5）

考慮到對(duì)設(shè)備的潛在損壞危險(xiǎn)，最嚴(yán)格的測試是針對(duì)高能量瞬變的測試，即浪涌測試。在該測試中，電源線、非屏蔽信號(hào)線或電纜屏蔽層由具有長持續(xù)時(shí)間高壓脈沖的低值串聯(lián)電阻驅(qū)動(dòng)。脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間約為2μs（達(dá)到峰值的50%）;主線的振幅范圍為±50.0kV至±5kV，信號(hào)線的振幅范圍為±2kV。

對(duì)于電源線，SURGE 測試使用一個(gè) 9μF 直流去耦電容器并聯(lián)測試信號(hào)，串聯(lián)電阻低至 10Ω（在某些情況下，根本沒有電阻）。非屏蔽信號(hào)線的串聯(lián)電阻低至40Ω，線對(duì)線或線對(duì)地。串聯(lián)添加90V氣體避雷器可防止測試之間信號(hào)線的容性負(fù)載（圖10a，10b）。

圖 10a.測試設(shè)置：將測試信號(hào)電容耦合到交流或直流線路。

圖 10b.測試設(shè)置：耦合到非屏蔽、不對(duì)稱操作的線路。

審核編輯：郭婷