如何使用納米功率EMI耐受型運算放大器改善IoT設計

作者/TI供稿

　　引言

　　物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應用的設計者有兩個(gè)主要關(guān)注點(diǎn)：管理電源以最大限度地延長(cháng)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)革命將導致部設數十億電池和線(xiàn)路供電的連接設備，其中包括許多無(wú)線(xiàn)設備。所有這些設備都在爭奪同一頻率頻譜。這將產(chǎn)生越來(lái)越嘈雜的環(huán)境，其中電磁波從多個(gè)源輻射。自從引入無(wú)線(xiàn)設備以來(lái)，電磁信號的干擾已成為共享的未許可頻譜的問(wèn)題，但當操作中的設備的數量增加時(shí)，問(wèn)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(wú)線(xiàn)能力的終端設備由于它們彼此相互作用，因此，需要進(jìn)行額外的輻射EMI測試，如圖1所示。

　　圖1 帶有電磁波的無(wú)源紅外(PIR)傳感器和一氧化碳檢測器

　　1納米功率放大器

　　創(chuàng )建無(wú)線(xiàn)感測節點(diǎn)的競爭為EMI測試帶來(lái)了一定程度的復雜性。系統設計人員需要仔細甄選部件，以避免重新設計的昂貴成本，這可能在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的最后階段延遲上市時(shí)間。除在噪聲條件下工作，電池供電的連接設備還需要可靠地操作多年而無(wú)需更換電池。物聯(lián)網(wǎng)設備的電池壽命變化很大，從幾小時(shí)到幾年不等，具體取決于應用和其操作環(huán)境。這些IoT設備的設計人員必須選擇消耗極低電流的組件，以延長(cháng)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(cháng)電池壽命，并內部保護免受EMI。然而，這些設備并不包括在許多2016年發(fā)布的運算放大器上所看到的全輸入EMI濾波器。因為添加輸入EMI濾波器大大增加了輸入電容，可能導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的布局及內部設計中采用了內部(專(zhuān)有)預防措施，使其盡可能對抗EMI。

　　2內置EMI緩和技術(shù)有效性的驗證

　　為了驗證我們內置的EMI緩和技術(shù)的有效性，我們對比了LPV802和不具備內部EMI保護的兩個(gè)流行的競爭設備。在所有條件下，使用LPV802的電路表現出比使用競爭設備的電路更好的EMI抗擾性。我們根據IEC 61000-4-3(電磁兼容性(EMC)——輻射測試條件)測試了所有三個(gè)設備的EMI耐受性。我們在80MHz至6GHz頻率下將被測設備(DUT)置于校準的射頻(RF)范圍，同時(shí)根據IEC 61000-4-3 EMC輻射規范監測DUT的故障。為了對比這三個(gè)設備，我們在相同的電路中同時(shí)將所有三個(gè)設備暴露于相同的EMC輻射。并監測其輸出偏差。此外，為了測量常見(jiàn)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EMI電容器。

　　圖2所示為在標準62mil、雙層FR4電路板上構建的測試板，其兩側帶有接地層，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所示為腔中的測試裝置。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算放大器。另外一個(gè)測試板以接地參考配置構建，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(guò)1m長(cháng)的四個(gè)導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(guò)15米長(cháng)的UTP CAT-5電纜將電池盒連接到控制室，并使用適當的EMI扼流圈，以將輸出電壓供給測井系統。帶有錐體的兩個(gè)白盒為用于在測試期間監控電場(chǎng)的場(chǎng)傳感器。

　　圖3 IEC61000-4-3 EMC輻射測試的測試設置

　　圖4所示為IEC 61000-4-3規定的測試結果之一。在30V / m輻射水平，兩個(gè)競爭設備在140MHz時(shí)開(kāi)始減弱，而LPV802保持到100MHz。一般來(lái)說(shuō)，使用LPV802的電路的EMI性能優(yōu)于使用競爭設備，這針對不同輻射水平下進(jìn)行的所有規定測試，特別是在100-200MHz范圍內進(jìn)行的測試。所有設備大多不受上(> 400MHz)頻率的影響。

　　圖4 使用電容器進(jìn)行30V / m測試的結果

　　3結論

　　建議在正常設計過(guò)程中添加外部EMI輸入電容，這有助于提升整體性能，EMI保護不能完全消除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保護的設備，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，可以幫助設計人員構建具有更長(cháng)電池壽命并符合全球EMI規定的系統。這有助于降低維護成本，提高上市時(shí)間。此外，若在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)最后階段EMI出現故障，也無(wú)需耗費巨資進(jìn)行重新設計。