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)

 物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用的設(shè)計(jì)者主要關(guān)注兩點(diǎn)：管理電源，最大限度地延長電池壽命;確?？煽康牟僮?，防止各種電磁干擾(EMI)。物聯(lián)網(wǎng)革命將引領(lǐng)數(shù)十億電池和線路供電連接設(shè)備的部設(shè)，其中包括許多無線設(shè)備。所有這些設(shè)備都在爭奪同一頻率頻譜。這將產(chǎn)生越來越嘈雜的環(huán)境，其中電磁波從多個(gè)輻射源產(chǎn)生輻射。自從引入無線設(shè)備以來，電磁信號干擾已成為共享未許可頻譜的一個(gè)問題，操作中的設(shè)備數(shù)量增加時(shí)，問題的重要性也隨之增加。諸如煙霧探測器、有毒氣體傳感器和PIR傳感器等具有無線能力的終端設(shè)備由于它們之間的相互作用，需要進(jìn)行額外的輻射EMI測試，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器

創(chuàng)建無線感測節(jié)點(diǎn)的競爭為EMI測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)甄選部件來避免重新設(shè)計(jì)的昂貴成本，因?yàn)檫@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)備還需要在不更換電池的情況下，安全可靠地運(yùn)行數(shù)年。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)用和其運(yùn)行環(huán)境。這些IoT設(shè)備的設(shè)計(jì)人員必須選擇極低電流消耗的組件，以延長工作壽命并提供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，以最大限度延長電池壽命，并且內(nèi)部免受EMI干擾。然而，這些設(shè)備并不包括在許多最近發(fā)布的運(yùn)算放大器上所看到的全輸入EMI濾波器。我們這樣做是有原因的，因?yàn)樘砑虞斎隕MI濾波器大大增加了輸入電容，這可能導(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，我們在LPV801、LPV802、LPV811和LPV812的布局和內(nèi)部設(shè)計(jì)中采用了內(nèi)部(專有)預(yù)防措施，使其盡可能對抗EMI。

為了驗(yàn)證我們內(nèi)置的EMI緩和技術(shù)的有效性，我們對比了LPV802和兩款市場上流行的不具備內(nèi)部EMI保護(hù)的其他品牌同類設(shè)備。在所有環(huán)境下，使用LPV802的電路表現(xiàn)出比使用同類設(shè)備電路更好的EMI抗擾性。我們根據(jù)IEC 61000-4-3(電磁兼容性(EMC)——輻射測試條件)測試了所有三款設(shè)備的EMI耐受性。我們在80MHz至6GHz頻率下將被測設(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DUT的故障。為了對比這三個(gè)設(shè)備，我們在相同的電路中同時(shí)將三個(gè)設(shè)備暴露于相同的EMC輻射中，并監(jiān)測其輸出偏差。此外，為了測量常見EMI濾波技術(shù)的有效性，我們測試了兩組電路板。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)建的測試板，其兩側(cè)帶有接地層，以測試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：帶傳感器的測試板

圖3所示為測試裝置。有四個(gè)測試板測試EMI性能。三個(gè)測試板具有相同電路，其上安裝有不同的運(yùn)算放大器。另外一個(gè)測試板以接地參考配置構(gòu)建，但未在測試中使用。我們將四個(gè)測試板中的每一個(gè)通過1m長的四個(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，以將輸出電壓供給記錄系統(tǒng)。帶有錐體的兩個(gè)白盒為場傳感器，用于在測試期間監(jiān)控電場。

圖3：IEC61000-4-3 EMC輻射測試的測試設(shè)置

圖4所示為IEC 61000-4-3規(guī)定的測試結(jié)果之一。在30V / m輻射水平，兩個(gè)同類設(shè)備在140MHz時(shí)開始減弱，而LPV802保持到100MHz。一般來說，使用LPV802的電路其EMI性能優(yōu)于使用其他品牌同類設(shè)備的電路，在針對不同輻射水平下進(jìn)行的所有規(guī)定測試都是這樣，特別是在100-200MHz范圍內(nèi)進(jìn)行的測試。所有設(shè)備大多不受上頻率(> 400MHz)的影響。

頻率(MHz)

圖4：使用電容器進(jìn)行30V / m測試的結(jié)果

添加外部EMI輸入電容也有助于整體性能。我們建議在正常設(shè)計(jì)過程中將其添加。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，我們?nèi)越ㄗh進(jìn)行外部濾波。

使用諸如消耗納米安培靜態(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，加快上市時(shí)間。也無需擔(dān)心在產(chǎn)品開發(fā)最后階段EMI出現(xiàn)故障而耗費(fèi)巨資進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。