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浪涌抗擾度怎么測?我們用這個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器試了一下

發(fā)布時(shí)間:2023-05-08 來源:DigiKey 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】浪涌抗擾度測試表明,設(shè)備或設(shè)備在雷擊,或切換重載,或短路故障條件下,引起的工業(yè)電源浪涌等事件中的耐受能力。本文以ADI的AD74115H舉例,如何進(jìn)行浪涌抗擾度測試。


01 浪涌抗擾度測試原理及詳細(xì)分析


首先明確測試目標(biāo):浪涌抗擾度測試旨在評估受試設(shè)備 (EUT), 在高能電源與互連線干擾(浪涌脈沖)下的性能。


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圖 1 .  浪涌抗擾度測試原理 (圖片來源于Bel Fuse)


1.1 浪涌抗擾度測試兩大主要部分:


●   浪涌脈沖脈沖發(fā)生器


通常通過源阻抗(例如 10 Ω 的電阻、9 μF 的串聯(lián)電容)直接耦合至信號。


●   去耦網(wǎng)絡(luò)(CDN)


去耦網(wǎng)絡(luò)(CDN)通常包含,(在抗擾度測試系統(tǒng)內(nèi))有助于在浪涌測試期間的保護(hù)電源或輔助設(shè)備。其中去耦網(wǎng)絡(luò)(CDN)中的電感,結(jié)合電源轉(zhuǎn)化器輸入電容,從而起到去耦合的作用。


然而,CDN 中使用的電感越高,預(yù)期振蕩概率就越高。相反,轉(zhuǎn)換器輸入電容越高,振蕩的概率就越低。


當(dāng) EUT 通過CDN 連接,當(dāng)前設(shè)計(jì)的電源轉(zhuǎn)換器可能無法啟動(dòng)或出現(xiàn)振蕩。在某些情況下,振蕩可能會(huì)導(dǎo)致 EUT 損壞。


1.2 浪涌抗擾度測試關(guān)鍵參數(shù):


●   直流電源的輸入電壓


結(jié)論:較高的直流電源輸入電壓,有利于測試。


根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) EN 50121-3-2 ,浪涌測試應(yīng)在最大輸入工作電壓下執(zhí)行。例如,電池電壓為 110 V 時(shí),應(yīng)以137.5 V 進(jìn)行測試。


務(wù)必要確保將直流電源電壓調(diào)整到足夠高,以補(bǔ)償 CDN 和輸入線的損耗。


舉例:使用24 V DC/DC 轉(zhuǎn)換器,功率為300 W,CDN 串聯(lián)阻抗 0.5 Ω,CDN 電壓降將為大約 7 V。


同時(shí),輸入電壓越高,預(yù)期振蕩概率就越低。


●   負(fù)載輸出電流


結(jié)論:較低的負(fù)載輸出電流,有利于測試。


輸出功率越低,從電源吸取的輸入電流就越低。當(dāng)負(fù)載足夠低時(shí),振蕩就會(huì)消失。


●   去耦網(wǎng)絡(luò)CDN的額定電流


結(jié)論:較低的去耦電感,較低的串聯(lián)電阻,較高額定電流的 CDN,發(fā)生振蕩的可能性較低。


在IEC 61000-4-5 標(biāo)準(zhǔn)中,并未指定 CDN 電感參數(shù)。因此,市場上推出了各類 CDN 設(shè)備,這導(dǎo)致部分測試實(shí)驗(yàn)室使用具有相當(dāng)高電感的 CDN,其中的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可能會(huì)發(fā)生振蕩。相反,有的實(shí)驗(yàn)室可能使用較低電感的 CDN,且沒有觀察到不穩(wěn)定性現(xiàn)象。CDN 的通用電感約為 1 mH(每極)。


●   IEC 61000-4-5 浪涌測試等級


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02 發(fā)生振蕩的原因與可能的解決方案


●   無負(fù)載情況下,發(fā)生振蕩的原因


開關(guān)“SW”打開后(或電路中引入其他變化/階躍),此 LC 電路中出現(xiàn)頻率為“fr”的諧波振蕩。


fr = (1/2pi) * (1/sqrt(L*C))


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圖 2. 無負(fù)載情況下,發(fā)生振蕩的原因 (圖片來源于Bel Fuse)


由于能量無法及時(shí)耗散,因此能量在電容和電感之間,以恒定的幅度長久持續(xù)地振蕩。


●   可能的解決方案 - 引入耗散電阻


為了避免振蕩的發(fā)生,可以引入耗散電阻(比如電阻“Rdump”),則電感和電容之間的能量傳輸就會(huì)有損耗,且振蕩幅度會(huì)隨著時(shí)間的推移而減小。


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圖 3. 可能的解決方案 - 引入耗散電阻 (圖片來源于Bel Fuse)


●   連接了穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換器情況下,發(fā)生振蕩的原因


如果連接了穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換器而非耗散元件(如電阻負(fù)載),則幅度不會(huì)減小,而是及時(shí)放大。


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圖 4. 連接了穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換器情況下,發(fā)生振蕩的原因 (圖片來源于Bel Fuse)


●   可能的解決方案 - 引入耗散電阻


若要補(bǔ)償這種影響,至少需要在電路中添加耗散電阻“R”。若要耗散足夠快,“R”的值應(yīng)該越小越好。


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圖5. 可能的解決方案 - 引入耗散電阻 (圖片來源于Bel Fuse)


電阻“R”的并聯(lián)(左圖),會(huì)在直流條件下導(dǎo)致額外顯著耗散。因此,最好串聯(lián)電阻“Rs”和電容器“Cs”(右圖),以更有效地抑制振蕩。


03 減輕浪涌測試期間振蕩的可用解決方案比較


除了引入耗散電阻之外,我們還可以通過調(diào)整輸入電容或者限制轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)環(huán)路帶寬,來減輕浪涌測試期間振蕩。下面是三種方案的比較:


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04 ADI AD74115H浪涌測試實(shí)例


根據(jù)IEC 61000-4-5工業(yè)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn):


●   浪涌為兩種波形的組合波:


上升時(shí)間1.2μs與50μs脈寬開路電壓

上升時(shí)間8μs與20μs脈寬短路電流


●   DUT(被測器件)在每個(gè)額定值下經(jīng)受五次正浪涌和五次負(fù)浪涌。


每個(gè)浪涌之間的間隔為1分鐘。對AD74115H輸出電纜進(jìn)行浪涌測試,該電纜被視為DUT的非屏蔽非對稱操作互連線。浪涌通過去耦網(wǎng)絡(luò)CDN 117施加到I/O和傳感器。


●   CDN(去耦網(wǎng)絡(luò))不影響DUT的指定功能條件。DUT和CDN之間的互連線路長度應(yīng)小于等于2m。


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圖6. ADI AD74115H浪涌測試實(shí)例 (圖片來源于ADI)


4.1 硬件配置


為了確保I/O口和傳感器引腳以及用于內(nèi)部數(shù)字輸出FET的完整性。


浪涌測試期間測試對象,需要測試下面這些特定對象:


●   電壓輸出(以及通過重新配置ADC輸入節(jié)點(diǎn)的電壓輸入)

●   內(nèi)部數(shù)字輸出

●   傳感器引腳sense_EXT1和sense_EXT 2


浪涌相較于IO_N(AGND)一次一個(gè)地耦合到每個(gè)端子。所有測試對象均使用非屏蔽電纜。


對于電壓輸出測試對象,將6V配置為連接在IO_P和IO_N之間的100kΩ負(fù)載的輸出。測量(電壓輸入)被配置為IO_P至IO_N,范圍為0 V至12 V。


SENSE_EXT1和SENSE_EXT 2節(jié)點(diǎn)被選為診斷節(jié)點(diǎn),并被配置為0 V到12 V范圍內(nèi)ADC的輸入。兩個(gè)串聯(lián)的AA電池被用作每個(gè)SENSE_EXTx引腳的3.1 V輸入。


對于內(nèi)部數(shù)字輸出,在IO_P和IO_N之間連接1 kΩ負(fù)載電阻器。該測量值被配置為對流過內(nèi)部RSET的電流進(jìn)行內(nèi)部診斷。


4.2 軟件配置


使用的軟件是AD74115H評估板提供的評估軟件。在每次測試開始時(shí),進(jìn)行預(yù)測試配置。在放電之前,執(zhí)行前測量流程。放電后,執(zhí)行后測量流程。


●   預(yù)測試配置

   ○ 重置DUT

   ○ 清除警報(bào)狀態(tài)寄存器

   ○ 配置信道

   ○ 配置ADC測量節(jié)點(diǎn)

   ○ 配置ADC采樣率為20 SPS

●   前測量與后測量流程

   ○ 讀取并存儲警報(bào)狀態(tài)寄存器

   ○ 清除警報(bào)狀態(tài)寄存器

   ○ 讀取ADC數(shù)據(jù)

   ○ 將數(shù)據(jù)保存到文件


4.3 性能表現(xiàn)總結(jié)


下表總結(jié)了浪涌試驗(yàn)結(jié)果。對于數(shù)字輸出測試對象,不記錄偏差,因?yàn)榫热Q于負(fù)載。測試驗(yàn)證了數(shù)字輸出沒有意外關(guān)閉。警報(bào)狀態(tài)寄存器中的ADC轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤位在每次測試后設(shè)置。ADC誤差表示飽和誤差(ADC測量讀數(shù)為滿刻度),表明在測試引腳上觀察到>12 V的浪涌電壓。


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●   常見的防止浪涌電流的元器件


   ○ 電阻


對于小功率電源(最多幾瓦),增加一個(gè)串聯(lián)電阻,是一個(gè)簡單和實(shí)用的解決方案,以限制浪涌電流。但限制浪涌電流的的電阻會(huì)造成功率損耗,不適合大功率設(shè)備。


   ○ 熱敏電阻


熱敏電阻是一種阻值隨溫度變化而發(fā)生較大變化的電阻元件,他們通常作為電流限制器。


熱敏電阻分為兩類:


正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻

負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻


   ○ 浪涌電流限制器


這些浪涌電流限制器可用于各種配置和保護(hù)涂層,以適應(yīng)幾乎所有應(yīng)用。一般來說,串珠式熱敏電阻具有高穩(wěn)定性和可靠性,響應(yīng)時(shí)間快,在高溫下運(yùn)行。磁盤和芯片類型通常比串珠式的大,因此它們的響應(yīng)時(shí)間相對較慢。然而,它們通常具有更高的耗散常數(shù),因此在測量、控制和補(bǔ)償應(yīng)用中能夠更好地處理功率。他們通常成本較低,更容易更換的特點(diǎn)。


總結(jié)


浪涌抗擾度測試儀能模擬雷擊和開關(guān)操作產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓干擾波,評估各種設(shè)備的抗電磁干擾能力是否滿足要求。對于測量不同的受試設(shè)備,還需要留意受試設(shè)備自身的特點(diǎn),增加合適的測試對象與流程,才能確保受試設(shè)備各個(gè)部分的信號完整性。


小編的話


浪涌抗擾度測試是模擬雷電帶來的嚴(yán)重干擾進(jìn)行試驗(yàn),并以此為評定設(shè)備的電源線、I/O線以及通信線的抗干擾能力提供依據(jù)。您在進(jìn)行浪涌抗擾度測試時(shí)是否遇到過文章中提到的問題?您是如何解決相關(guān)問題的?相信本文提供的思路和參考可以為小伙伴們進(jìn)行浪涌抗擾度測試提供有效的方法。



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