作者：ADI 李可

簡介

AD4111集成了低噪聲、快速建立、24位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和模擬前端，支持全差分或單端、雙極性±10 V電壓輸入和單端20 mA輸入。AD4111設(shè)計用于工業(yè)自動化應(yīng)用的可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(tǒng)(DCS)模塊。

本文詳細(xì)介紹了AD4111電磁兼容性(EMC)印刷電路板(PCB)的功能，該電路板可與AD4111一起使用，支持典型的±10 V電壓和0 mA至20 mA電流輸入。電路板設(shè)計展示了一種針對工業(yè)自動化應(yīng)用的驗證EMC的解決方案。IEC 61000-4-x系列標(biāo)準(zhǔn)在系統(tǒng)層面討論電氣和電子設(shè)備抗擾度的評估。

AD4111 EMC測試板已經(jīng)過一系列測試，以確保電路性能不受輻射射頻(RF)或傳導(dǎo)RF干擾的影響，并具有足夠的抗靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)和浪涌的能力。該板還針對CISPR 11進(jìn)行了測試，其輻射發(fā)射水平遠(yuǎn)低于A類限值。

圖1.AD4111 EMC測試板照片

系統(tǒng)設(shè)計

AD4111 ADC說明

AD4111是一款低功耗、低噪聲、24位Σ-Δ型ADC，集成了模擬前端(AFE)，支持全差分或單端雙極性±10 V電壓輸入及0 mA至20 mA電流輸入。對于完全建立的數(shù)據(jù)，AD4111的最大通道掃描速率為6.2 kSPS (161 μs)。

嵌入式2.5 V、低漂移(5 ppm/°C)帶隙內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源（帶輸出基準(zhǔn)電壓緩沖器）減少了外部元件數(shù)量。數(shù)字濾波器提供靈活的設(shè)置，包括以27.27 SPS輸出數(shù)據(jù)速率實現(xiàn)50 Hz和60 Hz同時抑制。用戶可根據(jù)應(yīng)用中每個通道的需求選擇不同的濾波器設(shè)置。自動通道序列器支持ADC轉(zhuǎn)接每個使能的通道。

AD4111的精密性能通過集成ADI公司專有的iPassives™技術(shù)而實現(xiàn)。該器件經(jīng)過工廠校準(zhǔn)，實現(xiàn)了非常高的額定精度。AD4111具有獨特的電壓輸入開路檢測功能（正在申請專利），可用于系統(tǒng)級診斷。該器件采用3 V或5 V單電源供電，很容易用于電氣隔離應(yīng)用。

有關(guān)詳細(xì)信息，請參閱AD4111數(shù)據(jù)手冊。

電路說明

AD4111專為涉及惡劣工業(yè)環(huán)境的PLC和DCS應(yīng)用而設(shè)計。AD4111還符合IEC 6100-4-x和CISPR 11標(biāo)準(zhǔn)。

圖2所示電路展示了一個采用AD4111的典型多通道、分組隔離、工業(yè)電壓和電流輸入模塊，適用于惡劣的EMI和EMC狀況。

在示例電路中，ADuCM3029超低功耗Arm^® Cortex-M3微控制器單元(MCU)處理本地板載控制和與主機的數(shù)據(jù)通信。ADuM5411四通道隔離器集成DC-DC轉(zhuǎn)換器，可實現(xiàn)整潔穩(wěn)健的隔離模擬輸入設(shè)計解決方案，采用3 V或5 V單電源供電。AD4111可以同時處理電流輸入（單端或雙極性差分電壓輸入）。

兩個低壓差穩(wěn)壓器(LDO)大大簡化了示例電路中的板載電源，為電路板功能提供必要的電壓。ADP7142將6 V至40 V輸入電壓降至5 V，為ADuM5411的初級端供電。ADP124將ADP7142輸出調(diào)節(jié)至3.3 V，以用于微處理器和ADuM5411的數(shù)字隔離器部分。

這些電源的穩(wěn)健性無意與典型工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中的電源模塊或背板電源相媲美，僅為供電電路實現(xiàn)了基本保護。該AD4111 EMC測試板可以選擇使用主機的5 V通用串行總線(USB)電源正常運行，同時通過非隔離通用異步接收器發(fā)送器(UART)連接到USB端口與主機通信。當(dāng)進(jìn)行電磁兼容測試時，AD4111 EMC測試板改由一個獨立的12 V直流電源供電，而數(shù)據(jù)通過板外隔離數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送到主機。

圖2. AD4111 EMC測試板電路框圖

電路評估與測試

AD4111 EMC測試板可以連接到主機來運行，或在獨立模式下運行。工作參數(shù)在板載閃存中編程。在輻射測試期間，測試板與主機斷開連接，而固件運行，硬件保持工作狀態(tài)。在抗擾度測試中，測試板通過隔離數(shù)據(jù)鏈路連接到主機。主機上的串行端口數(shù)據(jù)捕獲程序從AD4111接收ADC轉(zhuǎn)換樣本。

EMC測試板上的AD4111僅進(jìn)行過器件級的標(biāo)準(zhǔn)工廠校準(zhǔn)，沒有做進(jìn)一步的電路板級校準(zhǔn)。

當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率設(shè)置為1007 SPS時，AD4111配置為連續(xù)對以下電壓和電流輸入通道順序采樣：VIN0至VIN1、VIN6、VIN2至VIN3、VIN7、VIN4至VIN5、IIN3、IIN2、IIN1和IIN0。當(dāng)評估EMC測試的性能時，VIN2至VIN3代表差分電壓輸入通道，VIN7代表單端電壓輸入通道，IIN3代表電流輸入通道。表1詳細(xì)列出了EMC測試中的其他連接。

表1.EMC測試中的AD4111引腳連接

在每次可能的破壞性EMC測試之前和之后，測試板采用獨立的精密臺式數(shù)字萬用表(DMM)對2.5 V外部信號源進(jìn)行采樣。轉(zhuǎn)換為電壓或電流后，來自代表性通道的AD4111樣本與同一期間DMM的測量結(jié)果進(jìn)行比較，以量化誤差。兩個測量結(jié)果之間的偏差必須保持在預(yù)定范圍內(nèi)才能滿足性能判據(jù)。最大允許誤差為滿量程的0.1%，這符合工業(yè)自動化應(yīng)用的常見要求。

在非破壞性EMC測試期間，測試板利用臺式DMM對2.5 V外部信號源進(jìn)行采樣。電壓或電流測量值與DMM的測量值進(jìn)行比較，以判斷是否符合性能判據(jù)。

在輻射測試期間，電路板的模擬輸入通道短接到隔離地。電路板與主機斷開連接，而AD4111繼續(xù)以1007 SPS的速率對每個通道中采樣。此設(shè)置中的唯一輔助設(shè)備是12 V電池，用于為EMC測試板供電，假設(shè)其不會產(chǎn)生電磁輻射。EMC測試的通用設(shè)置如圖3所示。

圖3.通用EMC測試設(shè)置

一對絞合引線（后接一個低通濾波器）探測精密信號源的輸出。濾波后的輸出通過一對絞合引線連接到DMM。DMM通過USB線纜連接到PC。主機上的RealTerm軟件通過電隔離數(shù)據(jù)鏈路記錄AD4111樣本。對于每個EMC測試項目，EMC測試板都在電壓輸入模式和電流輸入模式下進(jìn)行測試。

圖3.通用EMC測試設(shè)置

標(biāo)準(zhǔn)和性能指標(biāo)

此測試板設(shè)計所針對的EMC和電磁干擾(EMI)測試項目、限值以及性能判據(jù)根據(jù)IEC 61131-2進(jìn)行定義。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)選擇了以下六項適用的測試：

• IEC 61000-4-2

• IEC 61000-4-3

• IEC 61000-4-4

• IEC 61000-4-5

• IEC 61000-4-6

• CISPR 11

印刷電路板

AD4111 EMC測試板是與判據(jù)AD4111評估板EVAL-AD4111SDZ不同的獨立設(shè)計，后者旨在提供最佳ADC性能，但未針對EMC和EMI測試進(jìn)行優(yōu)化。

AD4111 EMC測試板基于FR4四層PCB。PCB堆疊如圖4所示。頂面和底面均有0.5盎司銅箔。測試板的系統(tǒng)側(cè)（由LDO、微處理器、ADuM5411的初級端和UART到USB收發(fā)器組成）位于四層結(jié)構(gòu)上。內(nèi)層有1盎司銅。這些層設(shè)計用于在不直接承載AD4111的電路板部分提供最佳EMC和EMI性能。

圖4.PCB堆疊

EMC板的現(xiàn)場側(cè)包括AD4111及其全部外設(shè)，位于一個偽二層結(jié)構(gòu)上，其中用于接地和電源平面的內(nèi)層被完全蝕刻掉。這些層旨在演示AD4111在低成本雙層PCB上實現(xiàn)額定工作性能以及EMC和EMI性能的可行性。

器件放置和布局注意事項

由于AD4111的分辨率較高且噪聲電平很低，因此應(yīng)謹(jǐn)慎對待去耦、接地和布局。模擬和數(shù)字部分在EMC板上是分開的，并局限在電路板的某些區(qū)域內(nèi)。當(dāng)使用2層以上的印刷電路板時，AD4111放置在一個實心接地層上， AVSS和DGND引腳均焊接到該接地層。AD4111的數(shù)字接口側(cè)靠近隔離器，模擬側(cè)面對電壓和電流輸入端子。電源通過0.1 μF電容與10 nF電容的并聯(lián)組合去耦。兩者都是低等效串聯(lián)電阻(ESR)陶瓷電容，采用表面貼裝封裝，盡可能靠近AD4111電源引腳。

數(shù)字線路上的幾十到幾百歐姆的阻尼電阻會衰減互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)開關(guān)切換導(dǎo)致的電瞬態(tài)，幫助降低EMI。電阻還能減輕串行外設(shè)接口(SPI)中串聯(lián)的鐵氧體磁珠所引起的振鈴效應(yīng)。

在參考ADuM5411數(shù)據(jù)手冊中關(guān)于改善輻射發(fā)射性能的建議時需要特別注意。V_DD1引腳和GND₁引腳之間，V_DDP引腳和GND₁引腳之間，V_ISO引腳和GND_ISO引腳之間，以及VDD₂引腳和GND_ISO之間引腳，有至少兩個電容的并聯(lián)組合用于抑制噪聲和降低紋波。0.1μF和10 nF低ESR陶瓷電容在高頻下提供低電感。10μF電容用于抑制紋波以及適當(dāng)調(diào)節(jié)V_DDP和V_ISO。這兩個電容均盡可能靠近ADuM5411電源引腳放置，使PCB走線長度最短。

表面貼裝鐵氧體磁珠(BLM15HD182SN1D)與V_ISO和GND_ISO引腳串聯(lián)，以增加對高頻電流的阻抗。在100 MHz到1 GHz之間，鐵氧體磁珠的典型阻抗為2 kΩ，可降低125 MHz初級側(cè)開關(guān)頻率以及250 MHz次級側(cè)整流頻率和諧波的輻射。V_ISO通過短走線直接為VDD₂供電。GND_ISO（引腳23）內(nèi)部連接到其他GND_ISO引腳。引腳23僅連接到旁路電容，如圖5所示。

高壓表面貼片(SMT)電容直接連接在GND1（引腳12）和GND_ISO（引腳13）之間，以獲得最佳性能。為了進(jìn)一步降低輻射，可以運用PCB拼接電容，詳見應(yīng)用筆記AN-0971。

圖5.ADuM5411旁路和外設(shè)

其他器件注意事項

AD4111 EMC測試板采用0.1μF、50 V/X5R、10%、低ESR陶瓷電容，封裝尺寸C0402，作為測試板現(xiàn)場側(cè)的去耦電容。使用低ESR電容是權(quán)衡性能、降額、成本和節(jié)省空間等因素的結(jié)果。系統(tǒng)微處理器側(cè)的去耦電容為0.1μF、50 V/X7R、10%、低ESR陶瓷電容，封裝尺寸為C0603。

電壓源保護

EMC和EMI評估與演示的范圍集中在AD4111及其配套器件上。AD4111 EMC測試板上的電源電路為電路板功能提供必要的電壓。這些電源電路的穩(wěn)健性無意與工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中的電源模塊或背板電源相媲美，故僅為供電電路實現(xiàn)了基本保護。1 nF電容放置在電源輸入端子的每個引腳旁，連接到受保護地，瞬態(tài)能量可通過3.3 nF/3 kV電容放電至地。4.7 MΩ電阻將能量釋放到大地，以免其在受保護地上積聚。正向串聯(lián)二極管以防止電源輸入接線錯誤。SMBJ26CA瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管用于箝位瞬態(tài)電壓，使之不高于24 V（標(biāo)稱值）。共模電感阻止下游電路的輻射逸出。電感之后的第二個SMCJ26CA TVS二極管為瞬態(tài)提供進(jìn)一步的箝位。

ESD保護

EMC測試板上必須存在適當(dāng)?shù)腅SD保護電路。保護由限流電阻、瞬態(tài)電壓箝位和瞬態(tài)能量轉(zhuǎn)移電容組成。

針對AD4111電壓輸入通道中的EMC和EMI，最少須有三個元件：一個180Ω電阻、一個4.7 nF電容和一個TVS器件。AD4111 VINx引腳和端子板之間的走線上的180Ω電阻與4.7 nF/50 V C0G GRT155R71H472KE01D電容一起為ADC提供抗混疊濾波。在EMC測試期間，RC濾波器可以衰減RF干擾。由于AD4111 VINx引腳內(nèi)部連接到約1 MΩ電阻，所以180Ω串聯(lián)電阻在AD4111和TVS箝位的高電壓之間會提供一些額外的隔離。在EMC事件期間，TVS器件對于箝位電路板上的電瞬態(tài)至關(guān)重要。在AD4111和輸入端子板之間插入SMAJ33CA-TR。用短而粗的走線將TVS引腳連到VINx終端引腳。

針對AD4111電流輸入通道中的EMC和EMI，最少須有四個元件：一個PTC可復(fù)位保險絲、一個180Ω電阻、一個TVS器件和一個GRM1555C1H471JA01D電容。當(dāng)流過其中的電流超過150 mA時，保險絲斷路。AD4111 IINx引腳與端子板之間的走線上的180 Ω電阻有助于限制進(jìn)出器件的瞬態(tài)電流，因為IINx的輸入電阻約為60 ?。在EMC事件期間，TVS器件對于箝位電路板上的電瞬態(tài)至關(guān)重要。在輸入端子板之后和限流電阻之前插入SMA6J10A-TR。用短而粗的走線將TVS引腳連到VINx終端。位于限流電阻之后的470 pF/50 V C0G GRM1555C1H471JA01D電容將少量高頻瞬態(tài)轉(zhuǎn)移到隔離接地。