如何使用纳米功率EMI耐受型运算放大器改善IoT设计

物联网(IoT)应用的设计者有两个主要关注点:管理电源以最大限度地延长电池寿命,并确保可靠的操作防止各种电磁干扰(EMI)。物联网革命将导致部设数十亿电池和线路供电的连接设备,其中包括许多无线设备。所有这些设备都在争夺同一频率频谱。这将产生越来越嘈杂的环境,其中电磁波从多个源辐射。自从引入无线设备以来,电磁信号的干扰已成为共享的未许可频谱的问题,但当操作中的设备的数量增加时,问题的重要性也随之增加。诸如烟雾探测器、有毒气体传感器和PIR传感器等具有无线能力的终端设备由于它们彼此相互作用,因此需要进行额外的辐射EMI测试,如图1所示。

 

1:带有电磁波的无源红外(PIR)传感器和一氧化碳检测器

 

创建无线感测节点的竞争为EMI测试带来了一定程度的复杂性。系统设计人员需要仔细甄选部件,以避免重新设计的昂贵成本,这可能在产品开发的最后阶段延迟上市时间。除在噪声条件下工作,电池供电的连接设备还需要可靠地操作多年而无需更换电池。物联网设备的电池寿命变化很大,从几小时到几年不等,具体取决于应用和其操作环境。这些IoT设备的设计人员必须选择消耗极低电流的组件,以延长工作寿命并提供EMI抗扰性。

TI的LPV811系列纳米功率放大器消耗低至320nA的静态电流,以最大限度延长电池寿命,并内部保护免受EMI。然而,这些设备并不包括在许多最近发布的运算放大器上所看到的全输入EMI滤波器。我们在TI有意为之,因为添加输入EMI滤波器大大增加了输入电容,这可能导致具有大反馈电阻值和源阻抗的亚微安电路中的峰值。相反,我们在LPV801LPV802LPV811LPV812的布局和内部设计中采用了内部(专有)预防措施,使其尽可能对抗EMI。

为了验证我们内置的EMI缓和技术的有效性,我们对比了LPV802和不具备内部EMI保护的两个流行的竞争设备。在所有条件下,使用LPV802的电路表现出比使用竞争设备的电路更好的EMI抗扰性。我们根据IEC 61000-4-3(电磁兼容性(EMC)——辐射测试条件)测试了所有三个设备的EMI耐受性。我们在80MHz至6GHz频率下将被测设备(DUT)置于校准的射频(RF)范围,同时根据IEC 61000-4-3 EMC辐射规范监测DUT的故障。为了对比这三个设备,我们在相同的电路中同时将所有三个设备暴露于相同的EMC辐射。并监测其输出偏差。此外,为了测量常见EMI滤波技术的有效性,我们测试了两组电路板,一组电路板增加了外部输入EMI电容器;另一组电路板未装设EMI电容器。

图2所示为在标准62mil、双层FR4电路板上构建的测试板,其两侧带有接地层,以测试EMI性能。四针连接器可快速更换电路板。插接传感器引脚可更容易地移除传感器。

 

2:带传感器的测试板

 

图3所示为腔中的测试装置。有四个测试板测试EMI性能。三个测试板具有相同电路,其上安装有不同的运算放大器。另外一个测试板以接地参考配置构建,但未在测试中使用。我们将四个测试板中的每一个通过1m长的四个导体屏蔽电缆连接到中心电池盒(2个AA电池)。电缆两端都有EMI扼流圈。我们通过15米长的UTP CAT-5电缆将电池盒连接到控制室,并使用适当的EMI扼流圈,以将输出电压供给测井系统。带有锥体的两个白盒为用于在测试期间监控电场的场传感器。

 

3IEC61000-4-3 EMC辐射测试的测试设置

 

图4所示为IEC 61000-4-3规定的测试结果之一。在30V / m辐射水平,两个竞争设备在140MHz时开始减弱,而LPV802保持到100MHz。一般来说,使用LPV802的电路的EMI性能优于使用竞争设备,这针对不同辐射水平下进行的所有规定测试,特别是在100-200MHz范围内进行的测试。所有设备大多不受上(> 400MHz)频率的影响。有关测试条件和结果的详细信息,请参阅应用注释“在气体传感器应用中对比LPV802与其他设备的EMI性能”。

 

 

4:使用电容器进行30V / m测试的结果

 

添加外部EMI输入电容也有助于整体性能。我建议在正常设计过程中将其添加。EMI保护不能完全消除EMI的影响,但它确实有助于降低影响。

添加外滤可进一步降低影响。即使使用受EMI保护的设备,我仍建议进行外部滤波。

使用诸如消耗纳安培静态电流及抗EMI的LPV801LPV802LPV811LPV812的部件,可以帮助设计人员构建具有更长电池寿命并符合全球EMI规定的系统。这有助于降低维护成本,提高上市时间。此外,若在产品开发最后阶段EMI出现故障,也无需耗费巨资进行重新设计。

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