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作者：ADI 李可
簡介
AD4111集成了低噪聲、快速建立、24位Σ-Δ型模數轉換器(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設計用于工業自動化應用的可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(DCS)模塊。
本文詳細介紹了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。電路板設計展示了一種針對工業自動化應用的驗證EMC的解決方案。IEC 61000-4-x系列標準在系統層面討論電氣和電子設備抗擾度的評估。
AD4111 EMC測試板已經過一系列測試，以確保電路性能不受輻射射頻(RF)或傳導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進行了測試，其輻射發射水平遠低于A類限值。
圖1.AD4111 EMC測試板照片
系統設計
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。對于完全建立的數據，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)帶隙內部基準電壓源（帶輸出基準電壓緩沖器）減少了外部元件數量。數字濾波器提供靈活的設置，包括以27.27 SPS輸出數據速率實現50 Hz和60 Hz同時抑制。用戶可根據應用中每個通道的需求選擇不同的濾波器設置。自動通道序列器支持ADC轉接每個使能的通道。
AD4111的精密性能通過集成ADI公司專有的iPassives™技術而實現。該器件經過工廠校準，實現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用。
有關詳細信息，請參閱AD4111數據手冊。
電路說明
AD4111專為涉及惡劣工業環境的PLC和DCS應用而設計。AD4111還符合IEC 6100-4-x和CISPR 11標準。
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據通信。ADuM5411四通道隔離器集成DC-DC轉換器，可實現整潔穩健的隔離模擬輸入設計解決方案，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輸出調節至3.3 V，以用于微處理器和ADuM5411的數字隔離器部分。
這些電源的穩健性無意與典型工業自動化控制系統中的電源模塊或背板電源相媲美，僅為供電電路實現了基本保護。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送器(UART)連接到USB端口與主機通信。當進行電磁兼容測試時，AD4111 EMC測試板改由一個獨立的12 V直流電源供電，而數據通過板外隔離數據鏈路發送到主機。
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。在抗擾度測試中，測試板通過隔離數據鏈路連接到主機。主機上的串行端口數據捕獲程序從AD4111接收ADC轉換樣本。
EMC測試板上的AD4111僅進行過器件級的標準工廠校準，沒有做進一步的電路板級校準。
當輸出數據速率設置為1007 SPS時，AD4111配置為連續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詳細列出了EMC測試中的其他連接。
表1.EMC測試中的AD4111引腳連接
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AD4111引腳
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EMC測試中的連接
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AVDD
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5 V
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IOVDD
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5 V
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AVSS
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GND_ISO
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DGND
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GND_ISO
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REF+
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內部使能
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VIN0至VIN1
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GND_ISO
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VIN6
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GND_ISO
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VIN2至VIN3
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2.5 V
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VIN7
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2.5 V
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VIN4至VIN5
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GND_ISO
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IIN3
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2.5 V
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IIN2
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GND_ISO
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IIN1
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GND_ISO
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IIN0
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GND_ISO
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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字萬用表(DMM)對2.5 V外部信號源進行采樣。轉換為電壓或電流后，來自代表性通道的AD4111樣本與同一期間DMM的測量結果進行比較，以量化誤差。兩個測量結果之間的偏差必須保持在預定范圍內才能滿足性能判據。最大允許誤差為滿量程的0.1%，這符合工業自動化應用的常見要求。
在非破壞性EMC測試期間，測試板利用臺式DMM對2.5 V外部信號源進行采樣。電壓或電流測量值與DMM的測量值進行比較，以判斷是否符合性能判據。
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繼續以1007 SPS的速率對每個通道中采樣。此設置中的唯一輔助設備是12 V電池，用于為EMC測試板供電，假設其不會產生電磁輻射。EMC測試的通用設置如圖3所示。
圖3.通用EMC測試設置
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軟件通過電隔離數據鏈路記錄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行測試。
圖3.通用EMC測試設置
標準和性能指標
此測試板設計所針對的EMC和電磁干擾(EMI)測試項目、限值以及性能判據根據IEC 61131-2進行定義。根據該標準選擇了以下六項適用的測試：
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IEC 61000-4-2
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IEC 61000-4-3
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IEC 61000-4-4
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IEC 61000-4-5
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IEC 61000-4-6
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CISPR 11
印刷電路板
AD4111 EMC測試板是與判據AD4111評估板EVAL-AD4111SDZ不同的獨立設計，后者旨在提供最佳ADC性能，但未針對EMC和EMI測試進行優化。
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。測試板的系統側（由LDO、微處理器、ADuM5411的初級端和UART到USB收發器組成）位于四層結構上。內層有1盎司銅。這些層設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板的現場側包括AD4111及其全部外設，位于一個偽二層結構上，其中用于接地和電源平面的內層被完全蝕刻掉。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，因此應謹慎對待去耦、接地和布局。模擬和數字部分在EMC板上是分開的，并局限在電路板的某些區域內。當使用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的數字接口側靠近隔離器，模擬側面對電壓和電流輸入端子。電源通過0.1 μF電容與10 nF電容的并聯組合去耦。兩者都是低等效串聯電阻(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體(CMOS)開關切換導致的電瞬態，幫助降低EMI。電阻還能減輕串行外設接口(SPI)中串聯的鐵氧體磁珠所引起的振鈴效應。
在參考ADuM5411數據手冊中關于改善輻射發射性能的建議時需要特別注意。VDD1引腳和GND1引腳之間，VDDP引腳和GND1引腳之間，VISO引腳和GNDISO引腳之間，以及VDD2引腳和GNDISO之間引腳，有至少兩個電容的并聯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調節VDDP和VISO。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VISO和GNDISO引腳串聯，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初級側開關頻率以及250 MHz次級側整流頻率和諧波的輻射。VISO通過短走線直接為VDD2供電。GNDISO（引腳23）內部連接到其他GNDISO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GNDISO（引腳13）之間，以獲得最佳性能。為了進一步降低輻射，可以運用PCB拼接電容，詳見應用筆記AN-0971。
圖5.ADuM5411旁路和外設
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，作為測試板現場側的去耦電容。使用低ESR電容是權衡性能、降額、成本和節省空間等因素的結果。系統微處理器側的去耦電容為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。這些電源電路的穩健性無意與工業自動化控制系統中的電源模塊或背板電源相媲美，故僅為供電電路實現了基本保護。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。正向串聯二極管以防止電源輸入接線錯誤。SMBJ26CA瞬態電壓抑制(TVS)二極管用于箝位瞬態電壓，使之不高于24 V（標稱值）。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二極管為瞬態提供進一步的箝位。
ESD保護
EMC測試板上必須存在適當的ESD保護電路。保護由限流電阻、瞬態電壓箝位和瞬態能量轉移電容組成。
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引腳內部連接到約1 MΩ電阻，所以180Ω串聯電阻在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至關重要。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可復位保險絲、一個180Ω電阻、一個TVS器件和一個GRM1555C1H471JA01D電容。當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電阻有助于限制進出器件的瞬態電流，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至關重要。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轉移到隔離接地。
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