Engineer It 系列：了解模拟I / O模块的瞬态抗扰度

[音乐播放] 大家好！ 我叫 Kevin Duke。 我是德州仪器 (TI) 的 模拟应用工程师。 今天，我将介绍器件损坏和瞬变 抗扰性的基础知识。 这是新的原始的 TI IC。 这是遭受 EOS（即电气过载）后的 IC。 EOS 是指超出指定器件的 绝对最大规格的任何电压 或电流。 通常，EOS 损坏的根本原因 是由器件的 ESD 保护单元引发的， 这种保护单元专用于处理低功耗事件。 屏幕上的图形展示了具有 ESD 保护功能的 通用 I/O 板。 钳位 2 和 3 将保护输入级 并可视为二极管。 如果发生伴随足够的电压和电流的瞬变， 那么这些钳位将转移电导。 当这些钳位导电时，器件 可能遭到损坏，表现出参数退化 或完全丧失功能。 在工业应用中，需要 保护器件免受这些瞬变的影响， 从而增强可靠性。 名为 IEC61000-4 的试验标准会对这些 EOS 事件进行仿真， 为那些证实能够抵抗 瞬变 EOS 干扰的产品颁发认证。 此标准先进行叫作 IEC61000-4-2 的 静电放电 (ESD)抗扰性试验。 这项试验对操作员直接在电子 组件上进行静电放电进行仿真。 为了对该事件进行模拟，ESD 发生器 将 ESD 脉冲施加到受试设备 (EUT)， 可采用此照片中所示的空气放电方式， 也可采用这两张照片中所示的 垂直或水平间接耦合板。 这项试验的特点是上升时间短、 脉冲持续时间短到低于 100 纳秒、 电压高（高达15 KV）以及电流小。 这项试验需要对每个 正负极进行至少 10 次放电。 许多设备制造商将 ESD 试验 视为所有试验中优先级最低的试验， 因为 ESD 的发生仅限于 I/O 模块的安装和 维护工作中。 在这些活动期间，操作员 应穿戴 ESD防护服， 并应在接触模块之前特意进行 自身放电。 IEC61000-4-4 是一项脉冲群抗扰性 或电快速瞬变试验。 许多制造商认为这项试验 最重要，因为该试验对工业应 用领域中的日常开关瞬变进行了仿真。 此试验作用于电源、信号和地线， 或其中一部分，具体取决于哪些适用于 EUT。 在此项试验中，脉冲群发生器产生一系列 持续时间为 15毫秒、脉冲率为 5 kHz 的 瞬时脉冲。 两个瞬时脉冲之间的间隔时间为 300 毫秒。 这些信号通过耦合沟道进入系统， 如此处所示。 此试验脉冲的重要特性在于 其短暂的上升时间、高重复率 和能量。 相对于峰值电压 15kV 的 ESD 脉冲， 虽然 EFT 脉冲的峰值电压 仅为 4kV，但 EFT 脉冲提供的能量超过其两倍以上。 此外，此项试验要求应用六个 持续时间为10 秒的 瞬时脉冲帧，两帧之间有 10 秒的暂停间隔。 整个 EFT脉冲序列 比 ESD 脉冲提供的能量大四个数量级。 虽然从电流和持续时间的角度看， 浪涌抗扰度试 验 IEC61000-4-5 是最严格的瞬变抗扰性试验， 但是其应用通常局限于较长的信号和电源线 （长度大于 30 米）和高电压 系统（输出或输入 大于 60 伏）。 这项试验对由日常雷击 或电力系统切换（包括 负载变化和短路）引起的 开关瞬变进行仿真。 这项试验的一个特点是高电流， 其原因在于发生器输出阻抗较低；另一特点是脉冲持续时间长， 比 ESD 和脉冲群试验的时间长约 1,000 倍， 这意味着很高的能量脉冲。 这项试验需要 5 个正浪涌脉冲和 5 个 负浪涌脉冲，两个相继脉冲之间的时间间隔 为 1 分钟或更短。 这张照片显示了浪涌抗扰度试验的设置。 使用大隔离器来保护辅助设备 （如万用表和电源）， 防止其在试验期间损坏。 只要系统在接受这些试验 之后不会遭到永久损坏， 便表示其通过了试验。 通过试验的 单元将获得 不同类别的结果。 A 类系统即使在承受瞬变信号的 过程中也能够在指定的误差范围内正常工作。 B 类系统在承受瞬变的过程中会表现出 性能下降，但能自动恢复。 最后，C 类系统在遭遇瞬变事件后 需要进行外部交互才能恢复。 总之，了解和利用 所有 IEC 瞬变信号的四个基本属性 有助于为系统提供可靠的抗扰性。 它们是可能重复出现并可能 产生强电流的高电压信号和高频率信号。 有关详细信息，请访问以下 URL。