如何在工業(yè)系統(tǒng)中利用隔離技術(shù)提升 ESD、EFT 及浪涌抗擾度？

       工業(yè)設(shè)備需在惡劣電磁環(huán)境中保持可靠運(yùn)行。連接設(shè)備輸入/輸出的線纜易耦合各種干擾噪聲。以電機(jī)附近線纜為例，會耦合高壓高頻的電氣快速瞬變脈沖；雷擊引發(fā)的浪涌可通過電感耦合影響長距離線纜，或經(jīng)電源實(shí)現(xiàn)間接耦合。

       操作或維護(hù)期間，連接器與裸露部件在人員接觸時可能引發(fā)靜電放電。工業(yè)設(shè)備必須具備承受此類干擾并維持正常工作的能力。實(shí)現(xiàn)良好電磁兼容性時，隔離系統(tǒng)與非隔離系統(tǒng)的設(shè)計范式存在本質(zhì)差異。本文重點(diǎn)闡述如何通過隔離技術(shù)增強(qiáng)系統(tǒng)對ESD、EFT及浪涌的抗擾度，通過精細(xì)化設(shè)計可實(shí)現(xiàn)性能提升與系統(tǒng)成本優(yōu)化的雙重目標(biāo)。

       隔離系統(tǒng)與非隔離系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)良好電磁兼容性（EMC）方面存在差異。本文將探討如何利用隔離技術(shù)提升系統(tǒng)對靜電放電（ESD）、電快速瞬變脈沖群（EFT）及浪涌的抗擾度。通過精心設(shè)計，不僅能提升系統(tǒng)性能，還可降低整體成本。

電磁兼容（EMC）測試中的電壓與電流：非隔離系統(tǒng)

       圖 1 展示了非隔離系統(tǒng)的框圖，并標(biāo)注了由 ESD、EFT 或浪涌瞬變產(chǎn)生的電壓和電流。在非隔離系統(tǒng)中，所有電路（包括任何瞬態(tài)保護(hù)器件）均連接至保護(hù)接地（PE）。現(xiàn)代瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）因具有低電容特性，是高速數(shù)據(jù)傳輸場景的優(yōu)選保護(hù)元件——這一特性使其能夠設(shè)計到多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點(diǎn)中，且無需降低數(shù)據(jù)速率。

              圖1：非隔離系統(tǒng)中瞬態(tài)抗擾度測試期間的電壓與電流

        TVS二極管憑借皮秒級響應(yīng)時間和數(shù)千瓦的功率容量，為ESD、群脈沖EFT及浪涌瞬變提供*有效的防護(hù)。該瞬態(tài)保護(hù)器件能將瞬變事件產(chǎn)生的大電流導(dǎo)至保護(hù)地（PE）。

       設(shè)計瞬態(tài)保護(hù)電路時，必須確保電源與I/O引腳上的鉗位電壓低于連接電路的*大額定耐壓值。例如，對于1kV浪涌瞬變能鉗位于50V的TVS二極管，可保護(hù)耐壓峰值達(dá)50V的收發(fā)器及I/O電路。若TVS鉗位電壓遠(yuǎn)高于收發(fā)電路的**工作電壓，則需增加鎮(zhèn)流電阻等輔助元件來增強(qiáng)I/O電路保護(hù)。

       當(dāng)收發(fā)器和I/O引腳遭遇瞬變事件時，瞬態(tài)保護(hù)器件會鉗位于特定電壓VC。這種鉗位效應(yīng)將導(dǎo)致通信信道中的正常信號被瞬變脈沖能量淹沒，可能引發(fā)通信鏈路中的毛刺或錯誤脈沖。這些錯誤脈沖的寬度至少與瞬態(tài)噪聲脈沖相當(dāng)（ESD和EFT為100納秒，浪涌為100微秒），并遵循測試重復(fù)模式周期性出現(xiàn)。

        為滿足標(biāo)準(zhǔn)A要求（施加噪聲瞬變期間設(shè)備性能不劣化），必須通過RC濾波器、主控制器數(shù)字濾波或差錯檢測重傳機(jī)制濾除這些錯誤脈沖。然而，這些方法就會降低通信吞吐量，增加系統(tǒng)成本，并給主控制器帶來額外運(yùn)算負(fù)荷。

電磁兼容測試中的隔離系統(tǒng)電壓與電流特性分析

        圖2所示為隔離系統(tǒng)框圖，其中標(biāo)注了因ESD、EFT或浪涌測試產(chǎn)生的電壓與電流路徑。本實(shí)例中，收發(fā)器及其他I/O端口通過數(shù)字隔離器與主控制器實(shí)現(xiàn)電氣隔離。主控制器以保護(hù)地（PE）為參考電位，系統(tǒng)接口側(cè)（熱側(cè)）及瞬態(tài)保護(hù)器件則以浮地（ISO GND）為參考基準(zhǔn)。隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器為熱側(cè)提供工作電源。

              圖2：隔離系統(tǒng)中瞬態(tài)抗擾度測試期間的電壓與電流

      在ISO GND與PE之間存在寄生電容CISO，該電容由所有隔離元件（數(shù)字隔離器、光耦、變壓器）的隔離屏障電容與印制電路板引入的雜散電容共同構(gòu)成。

      基于標(biāo)準(zhǔn)定義的電壓電流波形、發(fā)生器輸出阻抗及鉗位電路參數(shù)，可建立不同瞬態(tài)事件的電氣模型。圖2所示框圖可用于模擬瞬態(tài)事件對系統(tǒng)的影響特性。

隔離屏障兩端電壓

      當(dāng)接口引腳遭遇瞬態(tài)事件時，瞬態(tài)保護(hù)器件會以較低壓降迅速導(dǎo)通，導(dǎo)致瞬態(tài)脈沖的全部開路電壓施加于隔離屏障兩端。例如，接口引腳受到8kV ESD沖擊時，隔離屏障（ISO GND與PE之間）將承受8kV電壓應(yīng)力。

       通過在隔離屏障兩端增設(shè)安規(guī)認(rèn)證電容（額外元件）提升CISO的有效容值，可降低隔離屏障承受的電壓應(yīng)力。持續(xù)時間較短的ESD和EFT脈沖比浪涌更易被濾波抑制。

                          圖3：隔離屏障兩端電壓事件的仿真

        圖3a仿真結(jié)果表明：當(dāng)CISO為100pF時，8kV ESD沖擊可被衰減至5kV以下；圖3b顯示當(dāng)CISO為1nF時，4kV EFT脈沖可被衰減至2kV以下。

        目前市場上僅有少數(shù)信號隔離技術(shù)（包括德州儀器增強(qiáng)型隔離器）能直接承受8kV ESD和4kV EFT的屏障間沖擊。其他隔離方案需借助額外安規(guī)認(rèn)證電容將屏障應(yīng)力降至可接受水平。雖然增設(shè)安規(guī)電容*明顯的問題是系統(tǒng)成本上升，但如后續(xù)章節(jié)所述，此舉還會帶來其他技術(shù)弊端。

        浪涌脈沖的寬度更大，因此采用合理的寄生電容（CISO）值難以對其進(jìn)行濾波。同時，大多數(shù)隔離屏障能夠承受工業(yè)系統(tǒng)所需的 1kV 至 2kV 浪涌等級，因此無需額外濾波。

瞬態(tài)保護(hù)器件導(dǎo)通電流

        針對圖2所示隔離系統(tǒng)，接口引腳瞬態(tài)測試的電流回路通過CISO形成閉環(huán)。通過精心設(shè)計較低的CISO值，可對瞬態(tài)事件呈現(xiàn)顯著阻抗，從而大幅削減流經(jīng)瞬態(tài)保護(hù)器件的峰值電流。對于浪涌等慢速瞬變，該阻抗效應(yīng)更為顯著。

        如圖4所示，當(dāng)CISO = 10pF時，EFT測試中流經(jīng)保護(hù)器件的峰值電流從非隔離系統(tǒng)的20A降至隔離系統(tǒng)的1.8A，衰減幅度達(dá)10倍。電流持續(xù)時間也從100ns縮短至不足10ns，縮減超10倍。圖5數(shù)據(jù)表明，浪涌事件中峰值電流降幅超40倍，電流持續(xù)時間縮減至1/100。

               圖4：1kV電快速瞬變脈沖群（EFT）測試期間保護(hù)器件中的電流仿真

        幅值與脈寬的雙重降低，顯著減輕了外部TVS保護(hù)器件的峰值電流與峰值功率要求，使其可實(shí)現(xiàn)更小體積與更低成本。浪涌事件的峰值功率從數(shù)千瓦降至數(shù)十毫瓦，這種優(yōu)化**實(shí)用價值。若CISO足夠小，且收發(fā)器內(nèi)置片上瞬態(tài)保護(hù)設(shè)計合理，可完（）全省去外部瞬態(tài)保護(hù)電路。

滿足電快速瞬變脈沖群（EFT）和浪涌的A 判據(jù)

        如前所述，在非隔離系統(tǒng)中，接口引腳上的信號會在整個瞬態(tài)事件期間被  干擾完（）全覆蓋：電快速快速瞬變脈沖群（EFT）事件中該過程約持續(xù) 100ns，浪涌事件中則約持續(xù) 100μs。此時必須對通信鏈路中產(chǎn)生的錯誤脈沖進(jìn)行濾波處理，這會導(dǎo)致額外成本增加、傳輸延遲增大及數(shù)據(jù)吞吐量下降。

       在隔離系統(tǒng)中，由于流過瞬態(tài)保護(hù)器件的電流持續(xù)時間大幅縮短，產(chǎn)生的錯誤脈沖寬度更窄。如圖 6 所示，對于共模阻抗為 25Ω的收發(fā)器或 I/O 接口，EFT事件引發(fā)的共模電壓偏移僅持續(xù) 6ns，浪涌事件引發(fā)的共模電壓偏移僅持續(xù) 2μs。這類窄錯誤脈沖更易于濾波，且對吞吐量的影響極小。同時，電壓偏移被限制在幾伏范圍內(nèi)，這使得收發(fā)器甚至無需任何濾波措施即可正常工作。

        因此，隔離技術(shù)可使系統(tǒng)在滿足電磁兼容（EMC）抗擾度 A 判據(jù)的同時，無需犧牲吞吐量或增加延遲。

                         圖5：1kV浪涌測試期間保護(hù)器件的通流仿真

                   圖6：共模阻抗為25Ω的I/O 接口上產(chǎn)生的電壓仿真

          表 1 總結(jié)了通過隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)的峰值電流降低及峰值持續(xù)時間縮短，這能夠減少甚至消除對瞬態(tài)保護(hù)的需求。例如，在浪涌事件中，峰值功率可從 1.2kW 降至 10mW。瞬態(tài)事件中  共模偏移的減小，也使系統(tǒng)更易滿足 A 判據(jù)要求。

表1：通過隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)的峰值電流降低及電流脈沖持續(xù)時間縮短

總結(jié)

       隔離系統(tǒng)與非隔離系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)良好電磁兼容（EMC）性能方面的考量存在差異。靜電放電（ESD）、電快速瞬變脈沖群（EFT）和浪涌測試中施加的開路電壓，可能以電壓應(yīng)力的形式作用于隔離屏障兩端。因此，系統(tǒng)中使用的隔離器必須能夠承受這些高壓快速瞬變的沖擊。

        在隔離系統(tǒng)中，接口引腳上瞬態(tài)事件產(chǎn)生的電流環(huán)路通過隔離屏障的總電容形成閉合回路。通過精心設(shè)計，將隔離屏障電容值控制在較低水平，可為瞬態(tài)事件提供顯著阻抗，從而大幅降低流過瞬態(tài)保護(hù)器件的峰值電流——這不僅可省去對大功率瞬態(tài)保護(hù)器件的需求，還能降低系統(tǒng)成本。此外，隔離技術(shù)還能將保護(hù)器件對 I/O 引腳的鉗位時間縮短一個數(shù)量級，這會減小電磁兼容測試期間通信鏈路中錯誤脈沖的寬度，使系統(tǒng)相比非隔離系統(tǒng)更易滿足 A 判據(jù)要求。