電磁干擾(EMI)濾波減少精密模擬應(yīng)用中的誤差方法

在醫(yī)療設(shè)備、汽車(chē)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(jì)涉及應(yīng)變計(jì)、傳感器接口和電流監(jiān)控時(shí)，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(shí)信號(hào)，并抑制共模電壓和噪聲等無(wú)用信號(hào)。首先，設(shè)計(jì)人員將集中精力確保器件級(jí)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(jì)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(guò)，此類(lèi)應(yīng)用中存在一個(gè)經(jīng)常被忽視的問(wèn)題，即外部信號(hào)導(dǎo)致的高頻干擾，也就是通常所說(shuō)的“電磁干擾(EMI)”。EMI可以通過(guò)多種方式發(fā)生，主要受最終應(yīng)用影響。例如，與直流電機(jī)接口的控制板中可能會(huì)用到儀表放大器，而電機(jī)的電流環(huán)路包含電源引線(xiàn)、電刷、換向器和線(xiàn)圈，通常就像天線(xiàn)一樣可以發(fā)射高頻信號(hào)，因而可能會(huì)干擾儀表放大器輸入端的微小電壓。

另一個(gè)例子是汽車(chē)電磁閥控制中的電流檢測(cè)。電磁閥由車(chē)輛電池通過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)來(lái)供電，這些導(dǎo)線(xiàn)就像天線(xiàn)一樣。該導(dǎo)線(xiàn)路徑中連接著一個(gè)串聯(lián)分流電阻，然后通過(guò)電流檢測(cè)放大器來(lái)測(cè)量該電阻上的電壓。該線(xiàn)路中可能存在高頻共模信號(hào)，而該放大器的輸入端容易受到這類(lèi)外部信號(hào)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(wú)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(guò)誤差預(yù)算和數(shù)據(jù)手冊(cè)中的容差，甚至在某些情況下可能會(huì)達(dá)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(jì)，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(shí)，就可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。此時(shí)放大器的輸入級(jí)可能會(huì)出現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)整流，從而產(chǎn)生直流失調(diào)，進(jìn)一步放大后，會(huì)非常明顯，再加上放大器的增益，甚至達(dá)到其輸出或部分外部電路的上限。

關(guān)于高頻信號(hào)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(cè)應(yīng)用。圖1所示為汽車(chē)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(jiàn)配置。

圖1. 高端電流監(jiān)控

我們采用兩個(gè)具有類(lèi)似設(shè)計(jì)的電流檢測(cè)放大器配置，研究了高頻干擾的影響。這兩個(gè)器件的功能和引腳排列完全相同;不過(guò)，其中一個(gè)內(nèi)置EMI濾波器電路，而另一個(gè)則沒(méi)有。

圖2. 電流傳感器輸出 (無(wú)內(nèi)置EMI濾波器，前向功率 = 12 dBm, 100 mV/分頻，3 MHz時(shí)直流輸出達(dá)到峰值)

圖2所示為輸入在較寬頻率范圍內(nèi)變化時(shí)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(shí)直流誤差達(dá)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(shí)相同實(shí)驗(yàn)和配置的測(cè)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(lèi)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(kuò)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(shí)直流輸出達(dá)到峰值)

這種情況下，40 MHz時(shí)誤差僅為3 mV左右，且峰值誤差(大于100 MHz時(shí))小于30 mV，性能提高35倍。這點(diǎn)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(hù)性能，使其免受輸入端存在的高頻信號(hào)影響。在實(shí)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(shí)際上控制環(huán)路將會(huì)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(jìn)行測(cè)試。唯一不同就是AD8208(參見(jiàn)“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(jìn)行控制，這種情況下電流檢測(cè)放大器必須能夠承受最高45 V的連續(xù)開(kāi)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(jì)和測(cè)試時(shí)為何以及如何保證EMI兼容性

汽車(chē)應(yīng)用對(duì)EMI事件尤其敏感，而在由中央電池、捆綁線(xiàn)束、各種感性負(fù)載、天線(xiàn)以及與汽車(chē)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(wú)法避免的。由于安全氣囊配置、巡航控制、剎車(chē)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(bào)或誤觸發(fā)。早先，EMI兼容性測(cè)試是汽車(chē)應(yīng)用中的最后一項(xiàng)測(cè)試。如果出現(xiàn)差錯(cuò)，設(shè)計(jì)人員就必須在倉(cāng)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(jì)成本，并給工程師造成了很多麻煩。一直以來(lái)，汽車(chē)行業(yè)都在采取切實(shí)措施來(lái)改善EMI兼容性。由于設(shè)備必須符合EMI標(biāo)準(zhǔn)，汽車(chē)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(jí)執(zhí)行EMI測(cè)試，然后才會(huì)考慮采用其生產(chǎn)的器件?，F(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(lái)測(cè)試器件的EMI兼容性。

如欲了解各類(lèi)型集成電路的標(biāo)準(zhǔn)EMI測(cè)試要求，請(qǐng)向國(guó)際電工委員會(huì) (IEC)購(gòu)買(mǎi)獲取相關(guān)文檔。通過(guò)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(lái)測(cè)試特定集成電路。上述各種測(cè)試都是根據(jù)這些指南說(shuō)明進(jìn)行的。

具體而言，這些測(cè)試都采用 “直接功率注入法”完成，這是一種通過(guò)電容將RF信號(hào)耦合至特定器件引腳的方法。根據(jù)待測(cè)IC的類(lèi)型，針對(duì)不同的RF信號(hào)功率水平和頻率范圍，測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試原理圖

Summary

集成電路的EMI兼容性是電子設(shè)計(jì)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(lèi)似的放大器執(zhí)行直流測(cè)量時(shí)，在RF環(huán)境中的直流性能有何顯著差別。在汽車(chē)應(yīng)用中，考慮到安全性和可靠性時(shí)，EMI是一個(gè)非常重要的方面。如今，在設(shè)計(jì)和測(cè)試針對(duì)關(guān)鍵應(yīng)用的器件時(shí)，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(shuō)明了有用的相關(guān)指導(dǎo)原則。對(duì)于汽車(chē)應(yīng)用市場(chǎng)，AD8207, AD8208 和 AD8209等電流檢測(cè)器件都通過(guò)了EMI測(cè)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(hào)放大器AD8556等新款器件經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)和測(cè)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(dòng)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(shí)，輸入共模電壓范圍為-2 V至+45 V。該款放大器提供增強(qiáng)的輸入過(guò)壓和ESD保護(hù)，并內(nèi)置EMI濾波功能。

圖A. AD8208差動(dòng)放大器

AD8208具有出色的交流和直流性能，且通過(guò)相關(guān)認(rèn)證，適合要求采用穩(wěn)定可靠的精密器件來(lái)改善系統(tǒng)控制的汽車(chē)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(gè)外部可用的100k?電阻，可用來(lái)進(jìn)行低通濾波以及建立20以外的增益。