ZHCAAZ5 August 2020 ISO7741
1 內容
引言
數字隔離器是集成器件，用于隔離數字信號并跨隔離柵進行數字通信。數字隔離器通常需要承受惡劣的電氣條件，以保護人類用戶和敏感的設備。理想情況是，隔離器在無形中對電路提供保護，在傳播信息的同時不會增加復雜性。事實上，所有電氣元件對系統都有影響。電磁兼容性 (EMC) 指的是設備在電磁環境中正常工作的能力。通過了解數字隔離器在 EMC 方面的性能，系統設計人員可以選擇不良輻射發射更小的器件，同時在暴露于 ESD 和 EFT 等電磁能量中時提供可靠保護。
什么是輻射發射？
電磁干擾 (EMI) 是外部電磁場對電路造成的干擾。EMI 取決于很多因素，而且很難準確預測，因此在電路設計和布局過程中盡可能減少干擾源非常重要。輻射發射是 EMI 的一種類型，指的是某個器件在正常工作過程中產生的中高頻噪聲。國際標準 EN55032:2010 要求在 30MHz 至 1GHz（最高不超過 6GHz）頻率之間進行輻射發射測試，具體取決于器件的內部振蕩器頻率。本測試以常見的工業標準為依據，其中受試設備 (EUT) 置于消聲室中距離測量天線 10 米遠的位置，如圖 1-1 所示。
在設備正常工作的情況下，天線測量在測試頻率范圍內接收到的發射量（單位為 dBμV/m）。若要通過此標準測試，測量值必須在測量的頻率范圍內低于定義的閾值，如表 1-1 所示。
| 頻率 (MHz) | 限值 (dBuV/m) |
|---|---|
| 30 - 230 | 30 |
| 230-1000 | 37 |
影響發射測量的因素有哪些？
在進行輻射發射測量時，讓受試設備通電并在正常條件下（見設備的最終用例）運行非常重要。發射量取決于器件配置和電源使用情況，因此測試完成時應能體現產生發射的最差工作條件。謹慎選擇設備的電源電壓、通信數據速率和器件型號可幫助系統設計人員減少總發射量。
輻射電磁場中存在的能量與原傳輸信號中所含的能量成正比。這意味著，通過減少通信信號中的能量，可以減少環境中的輻射能量。盡可能對信號器件使用更低的電源電壓將有助于減少這些能量。
隨著數據速率的提高，寄生容性負載充電和放電更加頻繁，導致總平均電流增大。因此，在發射測量中會出現數據速率更高的信號及其諧波，這樣就會對系統的其他部分造成干擾。同樣地，這種速率所需的快速壓擺率包含可使發射加劇的高頻成分。圖 1-2 和圖 1-3 顯示了 TI ISO7741 器件在兩種不同數據速率下的輻射發射性能。在兩種情況下，ISO7741 器件與 CISPR32 限值有較大裕度。
器件在較低的數據速率下工作以及使用具有較低壓擺率的器件（額定數據速率較低），可以減少系統中的高頻成分并減少這些諧波產生的發射。在不需要或者不可能降低數據速率的系統中，設計人員可以優化 PCB 布局、巧妙放置阻抗，并使用 EMC 屏蔽方法來減少高頻成分對發射的影響。
什么是靜電放電 (ESD)？
ESD 測試用于評估器件或設備在正常運行時可以承受多大的靜電放電應力。JEDEC 標準規定的器件級測試對不同能量源建模，包括人體放電模型 (HBM)、充電器件模型 (CDM) 和機器模型 (MM) - 圖 4 中可以看到這些波形。IEC 61000-4-2 提供與設備級測試類似的標準測試。這些標準對高電流、短時沖擊建模，以表示真實放電事件的特性。在峰值測試電壓下進行每項測試，以表征器件或系統可以承受的水平。表 1-2 中顯示了 IEC 61000-4-2 的示例值。
| 級別 | 接觸放電 | 空氣放電 |
|---|---|---|
| 測試電壓 (+- kV) | 測試電壓 (+- kV) | |
| 1 | 2 | 2 |
| 2 | 4 | 4 |
| 3 | 6 | 8 |
| 4 | 8 | 15 |
許多器件都需要設計人員考慮 ESD 保護和抗擾度，但隔離器保護面臨獨特的挑戰。非隔離條件下的 ESD 測試方法需要電源和數據線可靠接地。TVS 二極管等典型保護方法可為 ESD 沖擊中的能量提供安全的接地路徑。但因為隔離式系統單獨接地，TVS 二極管無法以相同的方式提供保護。這是因為，跨隔離層沖擊中的能量對“單側”或“本地”ESD 保護而言為共模形式。本地 TVS 二極管不會因為隔離接地層之間存在的大壓差而限制電壓。
為了保護用戶安全、延長產品壽命，一些行業需要設備提供一定水平的 ESD 抗擾度。提高系統級 ESD 能力的最簡單的方法是，選擇具有較高 ESD 等級的可靠器件。如下方圖 5 中所示，TI 的 ISO77xx 系列在同類器件中具有最高的 ESD 保護級別，可減少提供系統保護所需的外部元件數量。如需更高的保護級別，可以使用諸如 Y 電容和氣體放電管 (GDT) 等外部元件來減少和消散放電產生的能量。雖然外部解決方案可以提供更多保護，但也會增加成本、電路板尺寸或操作限制。
什么是電快速瞬變 (EFT)？
與 ESD 測試和等級一樣，EFT 等級也用于評估器件和設備的穩健性，但它更側重于評估原因和系統影響。與 ESD 沖擊相比，由電感負載或繼電器觸點回跳產生的開關瞬變形成的應力不太可能造成器件損壞，但可能會中斷正常的系統行為。因此按照 IEC 61000-4-4 標準，使用不同的方法對這些瞬變進行仿真，如下方圖 1-6 所示，該圖對上述干擾條件下影響系統性能的短暫上升時間、重復的低電能脈沖進行建模。與 ESD 相似的是，這些測試在高達表 1-3 中所示的指定電壓電平下進行。
圖 1-6 EFT 脈沖測試周期的波形和時序圖| 等級 | 電源端口上，PE | 在 I/O、數據和控制端口上 |
|---|---|---|
| 測試電壓 (kV) | 測試電壓 (kV) | |
| 1 | 0.5 | 0.25 |
| 2 | 1 | 0.5 |
| 3 | 2 | 1 |
| 4 | 4 | 2 |
電源線和接地線可能因開關負載發生 EFT 事件，信號線可能因繼電器反彈或其他產生的開關瞬態發生 EFT 事件。這兩種注入類型都會在相關信號線上形成干擾，表現形式可能為位錯誤，并可能導致數據損壞或系統鎖定。為了降低這些故障的風險，可以在設計中選擇使用可耐受這種瞬變的可靠器件，還可以使用去耦電容、RC 網絡和共模扼流圈等外部濾波元件來降低易受影響器件中的高頻開關噪音。下方的圖 1-7 顯示了與同類競爭器件相比，TI 的 ISO77xx 系列能夠提供的高 EFT 復原能力。 在這些測試級別中，出現了 0 位錯誤。
結論
本文檔介紹了電子元件在電磁環境中的表現以及如何避免其產生負面影響。選擇能夠在電磁能量沖擊中提供可靠保護并能最大限度地減少不良輻射發射的器件，是提高系統 EMC 性能并滿足標準要求的根本方法。這種方法與 EMC 緩解技術相結合，可確保設備在不同的電磁環境中正常工作。德州儀器 (TI) 的 ISO77xx 系列數字隔離器可提供業內先進的 EMC 性能，最大限度地減少器件的輻射發射，同時在 ESD 和 EFT 干擾下可靠工作。