利用数字隔离器应对EMC(电磁兼容)挑战

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selina 发布于:周六, 09/30/2017 - 09:35 ,关键词:

Hein Marais ADI 公司应用工程师

在仪器仪表、过程控制、工业自动化、电机和功率控制、医疗保健等应用中,需要将信息从各种传感器传送到中央控制器进行处理和分析。系统根据分析结果和用户输入进行优化。为了维护用户接口必须的安全性,并且防止来自信号源的耦合瞬变,必须进行电气隔离。此类系统的例子有很多,例如,精密机械臂需要在有电弧焊等设备的恶劣工业环境下工作,病人监护仪需要在除颤期间工作。

设计系统时必须考虑市场要求,尤其应满足EMC要求。出售产品到欧盟时,需要CE标志;出售产品到美国时,也存在类似要求,如FCC分类认证。为取得这些认证,系统需要执行并通过一套EMC测试。

图 CISPR 1. EMC类别

EMC的要求就好像是做一个好邻居——不制造过大噪声,同时能够容忍邻居的吵闹。这可以从图1看出,EMC分为两个方面;抗扰度和发射。发射可进一步分为传导发射和辐射发射,而抗扰度可分为传导抗扰度、辐射抗扰度、瞬变抗扰度和容错。

不同类别都存在系统标准,必须符合标准才能获得CE标志或FCC分类认证,如图2所示。在工业和医疗系统环境中,传导和辐射发射通常必须符合EN55011、EN55022或FCC Part 15标准。

传导抗扰度必须符合IEC61000-4-6标准,辐射抗扰度必须符合IEC61000-4-3标准。瞬态可分为三类:ESD(静电放电)和标准IEC61000-4-2,EFT(电气快速瞬变)和标准IEC61000-4-4,以及浪涌和标准IEC61000-4-5。

建筑安防解决方案领域的另一个重大进步是从有线接口转变为无线接口,这种转变不仅出现在单个传感器节点和控制面板之间,还包括整个系统部署及其关联远程监控站或运营中心。几十年来,传感器和面板连接都是采用低压串行接线,这种最常见的RS-485类型常见于许多其他建筑控制应用。这种硬连线接口工作量很大,而且会增加系统安装成本。随着超低功耗和短程无线技术的出现,许多制造商已经扩展了其硬件系统产品组合,涵盖无线系统版本,能够使初始部署更简单、更轻松。这种转变缩短了实施时间,降低了成本,而且显著扩大了市场规模,因为这种方式允许合理的改装,而不是像过去那样,只能通过新的建筑销售来推动市场发展。此外,在后端连接区域,过去的入侵检测系统市场是将电话线或POTS连接与远程监控站或运营中心——对应,而现在已发展为利用Wi-Fi/网关互联网链路以及地面移动电话网络连接,这不仅可拓宽部署选项的发挥空间,而且可消除安装入侵检测系统所需的固定电话连接。

图2. EMC类别和标准

系统设计完成后遇到EMC问题会非常难以解决,因为随着设计的进行,可用来解决EMC问题的技术越来越少。必须在项目一开始就考虑EMC设计,从而尽量减少花费在电路板迭代上的时间,同时还可缩短设计时间并降低项目成本。

利用数字隔离器可以非常有效地应对EMC瞬变威胁,因为电气隔离栅允许数据流通,但禁止电流流通。与此同时,数字隔离器谨遵“好邻居”规范,不会产生噪声来影响相邻器件。电气隔离可利用隔离栅上的不同耦合元件实现。传统上使用光学方法,但它们非常耗电,而且由于使用发光源,寿命有限。数字隔离器可利用感性或容性耦合方法实现,绝缘材料使用聚酰亚胺和SiO2等,具有寿命长、功耗低等优势。

ADI公司的新系列开关键控i Coupler®数字隔离器ADuM1xx和ADuM2xx在隔离栅上实现感性耦合,已被证明非常鲁棒,可应对大瞬变威胁。这些器件还能以高数据速率工作,并且满足所需的辐射发射标准。下面是新系列数字隔离器产品的一些特性:

* 浪涌瞬变抗扰度:高达16 kV峰值(基本)
* 共模瞬变抗扰度:100 kV/μs
* 600 V rms工作电压下耐受电压为5 kV
* 高数据吞吐速率:高达150 Mbps
* 超低传播延迟:13 ns(最大值)
* 宽电源电压范围:1.7 V至5.5 V

作者简介

Hein Marais 2001年毕业于南非斯坦陵布什大学,获得电子学学士学位。他最初就职于南非空军,从事电子战系统工作。2003年,他加入Grintek Communication Systems,参与军用无线电的软件和硬件设计工作。2007年,Hein加入ADI公司,目前是利默里克接口与隔离应用团队的应用工程师。

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