如何使用納米功率EMI耐受型運(yùn)算放大器改善IoT設(shè)計(jì)

作者/TI供稿

　　引言

　　物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用的設(shè)計(jì)者有兩個(gè)主要關(guān)注點(diǎn)：管理電源以最大限度地延長(zhǎng)電池壽命，并確?？煽康牟僮鞣乐垢鞣N電磁干擾(EMI)。物聯(lián)網(wǎng)革命將導(dǎo)致部設(shè)數(shù)十億電池和線路供電的連接設(shè)備，其中包括許多無線設(shè)備。所有這些設(shè)備都在爭(zhēng)奪同一頻率頻譜。這將產(chǎn)生越來越嘈雜的環(huán)境，其中電磁波從多個(gè)源輻射。自從引入無線設(shè)備以來，電磁信號(hào)的干擾已成為共享的未許可頻譜的問題，但當(dāng)操作中的設(shè)備的數(shù)量增加時(shí)，問題的重要性也隨之增加。諸如煙霧探測(cè)器、有毒氣體傳感器和PIR傳感器等具有無線能力的終端設(shè)備由于它們彼此相互作用，因此，需要進(jìn)行額外的輻射EMI測(cè)試，如圖1所示。

　　圖1 帶有電磁波的無源紅外(PIR)傳感器和一氧化碳檢測(cè)器

　　1納米功率放大器

　　創(chuàng)建無線感測(cè)節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)為EMI測(cè)試帶來了一定程度的復(fù)雜性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要仔細(xì)甄選部件，以避免重新設(shè)計(jì)的昂貴成本，這可能在產(chǎn)品開發(fā)的最后階段延遲上市時(shí)間。除在噪聲條件下工作，電池供電的連接設(shè)備還需要可靠地操作多年而無需更換電池。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池壽命變化很大，從幾小時(shí)到幾年不等，具體取決于應(yīng)用和其操作環(huán)境。這些IoT設(shè)備的設(shè)計(jì)人員必須選擇消耗極低電流的組件，以延長(zhǎng)工作壽命并提供EMI抗擾性。

　　TI的LPV811系列納米功率放大器消耗低至320nA的靜態(tài)電流，以最大限度延長(zhǎng)電池壽命，并內(nèi)部保護(hù)免受EMI。然而，這些設(shè)備并不包括在許多2016年發(fā)布的運(yùn)算放大器上所看到的全輸入EMI濾波器。因?yàn)樘砑虞斎隕MI濾波器大大增加了輸入電容，可能導(dǎo)致具有大反饋電阻值和源阻抗的亞微安電路中的峰值。相反，我們?cè)贚PV801、LPV802、LPV811和LPV812的布局及內(nèi)部設(shè)計(jì)中采用了內(nèi)部(專有)預(yù)防措施，使其盡可能對(duì)抗EMI。

　　2內(nèi)置EMI緩和技術(shù)有效性的驗(yàn)證

　　為了驗(yàn)證我們內(nèi)置的EMI緩和技術(shù)的有效性，我們對(duì)比了LPV802和不具備內(nèi)部EMI保護(hù)的兩個(gè)流行的競(jìng)爭(zhēng)設(shè)備。在所有條件下，使用LPV802的電路表現(xiàn)出比使用競(jìng)爭(zhēng)設(shè)備的電路更好的EMI抗擾性。我們根據(jù)IEC 61000-4-3(電磁兼容性(EMC)——輻射測(cè)試條件)測(cè)試了所有三個(gè)設(shè)備的EMI耐受性。我們?cè)?0MHz至6GHz頻率下將被測(cè)設(shè)備(DUT)置于校準(zhǔn)的射頻(RF)范圍，同時(shí)根據(jù)IEC 61000-4-3 EMC輻射規(guī)范監(jiān)測(cè)DUT的故障。為了對(duì)比這三個(gè)設(shè)備，我們?cè)谙嗤碾娐分型瑫r(shí)將所有三個(gè)設(shè)備暴露于相同的EMC輻射。并監(jiān)測(cè)其輸出偏差。此外，為了測(cè)量常見EMI濾波技術(shù)的有效性，我們測(cè)試了兩組電路板，一組電路板增加了外部輸入EMI電容器;另一組電路板未裝設(shè)EMI電容器。

　　圖2所示為在標(biāo)準(zhǔn)62mil、雙層FR4電路板上構(gòu)建的測(cè)試板，其兩側(cè)帶有接地層，以測(cè)試EMI性能。四針連接器可快速更換電路板。插接傳感器引腳可更容易地移除傳感器。

　　圖2 帶傳感器的測(cè)試板

　　圖3所示為腔中的測(cè)試裝置。有四個(gè)測(cè)試板測(cè)試EMI性能。三個(gè)測(cè)試板具有相同電路，其上安裝有不同的運(yùn)算放大器。另外一個(gè)測(cè)試板以接地參考配置構(gòu)建，但未在測(cè)試中使用。我們將四個(gè)測(cè)試板中的每一個(gè)通過1m長(zhǎng)的四個(gè)導(dǎo)體屏蔽電纜連接到中心電池盒(2個(gè)AA電池)。電纜兩端都有EMI扼流圈。我們通過15米長(zhǎng)的UTP CAT-5電纜將電池盒連接到控制室，并使用適當(dāng)?shù)腅MI扼流圈，以將輸出電壓供給測(cè)井系統(tǒng)。帶有錐體的兩個(gè)白盒為用于在測(cè)試期間監(jiān)控電場(chǎng)的場(chǎng)傳感器。

　　圖3 IEC61000-4-3 EMC輻射測(cè)試的測(cè)試設(shè)置

　　圖4所示為IEC 61000-4-3規(guī)定的測(cè)試結(jié)果之一。在30V / m輻射水平，兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)設(shè)備在140MHz時(shí)開始減弱，而LPV802保持到100MHz。一般來說，使用LPV802的電路的EMI性能優(yōu)于使用競(jìng)爭(zhēng)設(shè)備，這針對(duì)不同輻射水平下進(jìn)行的所有規(guī)定測(cè)試，特別是在100-200MHz范圍內(nèi)進(jìn)行的測(cè)試。所有設(shè)備大多不受上(> 400MHz)頻率的影響。

　　圖4 使用電容器進(jìn)行30V / m測(cè)試的結(jié)果

　　3結(jié)論

　　建議在正常設(shè)計(jì)過程中添加外部EMI輸入電容，這有助于提升整體性能，EMI保護(hù)不能完全消除EMI的影響，但它確實(shí)有助于降低影響。

　　添加外濾可進(jìn)一步降低影響。即使使用受EMI保護(hù)的設(shè)備，仍建議進(jìn)行外部濾波。

　　使用諸如消耗納安培靜態(tài)電流及抗EMI的LPV801、LPV802、LPV811和LPV812的部件，可以幫助設(shè)計(jì)人員構(gòu)建具有更長(zhǎng)電池壽命并符合全球EMI規(guī)定的系統(tǒng)。這有助于降低維護(hù)成本，提高上市時(shí)間。此外，若在產(chǎn)品開發(fā)最后階段EMI出現(xiàn)故障，也無需耗費(fèi)巨資進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。