如何在（zài）工業（yè）係統中利用隔（gé）離技（jì）術提升 ESD、EFT 及浪湧抗（kàng）擾（rǎo）度？

       工業設備需在惡劣電磁環（huán）境中保持（chí）可（kě）靠運行。連接設備（bèi）輸入/輸出（chū）的線纜易耦合各種幹擾噪聲。以電（diàn）機附近線（xiàn）纜為例，會耦合高壓高頻的電氣快速（sù）瞬變脈衝；雷擊引發的浪湧可通過電感耦合影響長距離線（xiàn）纜，或經電源實現間接耦合。

       操（cāo）作或維護期間，連接器與裸露部件在人員接觸時可能引發靜電放電。工業設備必（bì）須具備承受此類幹擾並維持正常工作的能力。實現良好電磁兼容性時，隔（gé）離係統與非隔離係統的設計範式存在本質差異。本文重點闡述如何（hé）通（tōng）過隔離技術增強係統對（duì）ESD、EFT及浪湧的抗擾度，通過（guò）精（jīng）細化設（shè）計可（kě）實現性（xìng）能提（tí）升與係統成本優化的雙重目標。

       隔（gé）離係統與非隔離係統（tǒng）在實現良（liáng）好電磁兼容性（EMC）方麵（miàn）存在差異。本文（wén）將探討如何利用隔離技術提升係統對靜電放電（ESD）、電快速瞬變脈衝群（EFT）及浪湧的抗擾度。通過（guò）精心設計，不僅能（néng）提升係統性能（néng），還可降低整體成本。

電磁兼容（EMC）測試中的電壓與電流：非（fēi）隔離係（xì）統

       圖 1 展示了（le）非隔離（lí）係統的框圖，並標注了（le）由 ESD、EFT 或浪湧（yǒng）瞬變產生的電壓和電流。在非隔離係統中，所有電路（包括任何瞬態保（bǎo）護器件）均連接至保護接（jiē）地（dì）（PE）。現代瞬態電壓抑製器（qì）（TVS）因具有低電容（róng）特性，是高速數據傳輸場景的優選保護元件——這一特性使其能夠設（shè）計到多節點網絡的（de）每個節點中，且無需降低（dī）數據速率。

              圖1：非隔離係統（tǒng）中瞬態抗擾度測試期（qī）間的電壓與電流（liú）

        TVS二極管憑借皮秒級響應時間和數千瓦的功率（lǜ）容量，為ESD、群脈衝EFT及浪湧瞬變提供*有效（xiào）的防護。該瞬態保護器件能將瞬變事件產生的大電流導至保護地（PE）。

       設計瞬態保護（hù）電路時，必須確保電源（yuán）與I/O引（yǐn）腳上的鉗位電壓低於連接電路的*大額定耐壓值。例如，對於1kV浪湧瞬變能鉗位於50V的TVS二（èr）極管，可保護耐壓峰值達50V的收發器及（jí）I/O電路。若TVS鉗位電壓遠高於收發電路的**工作電壓，則需增加鎮流電阻等輔助元（yuán）件來增強I/O電路保護。

       當收發器和I/O引腳遭遇瞬變事件時，瞬（shùn）態保護器件會鉗位於特定電壓VC。這種鉗位效應將導致通信信道中的正常信號被瞬變脈衝（chōng）能量（liàng）淹沒，可能引發（fā）通信鏈（liàn）路中的毛刺或錯誤脈（mò）衝。這些錯誤脈衝的寬度至少與瞬（shùn）態噪聲（shēng）脈衝（chōng）相當（ESD和EFT為100納秒，浪湧為100微秒），並遵循測試重複（fù）模式周期性（xìng）出現。

        為滿足標準A要（yào）求（施加噪聲瞬變期間設備性能不劣化），必須通過RC濾波器、主控製器（qì）數字濾（lǜ）波（bō）或差錯（cuò）檢測重（chóng）傳機製濾除這些錯誤脈衝。然而，這些方（fāng）法就會降低通信吞吐量，增加係統成本，並給主（zhǔ）控製器帶來額外運算負荷。

電磁兼容測試中的隔離係統電壓與電流特性分析

        圖2所示（shì）為隔離（lí）係統框圖，其中標注了（le）因ESD、EFT或浪湧測試產生的電壓與電流路徑。本實例中，收發器及其他I/O端口通過數字隔離器（qì）與主控製器實現電氣（qì）隔（gé）離。主控製器以保護地（PE）為參考（kǎo）電位，係（xì）統接口側（熱側）及瞬態保護（hù）器件則（zé）以浮地（ISO GND）為參考基（jī）準。隔離式DC/DC轉換器為熱側提供工作電源。

              圖2：隔離係統中瞬態抗（kàng）擾度測試期間的電壓與電流

      在ISO GND與PE之間存在寄生電容CISO，該電（diàn）容由所有隔離元件（數字隔離器、光耦、變壓器）的隔離屏障電容與印製電路板引入的雜散電容共同構成。

      基於標（biāo）準定義的電壓電流波形、發生（shēng）器輸出阻抗（kàng）及鉗位電（diàn）路（lù）參數，可（kě）建立不同瞬態事件的電氣模型。圖2所示框圖可用於模擬瞬態事件對係統的影響特性。

隔離屏障（zhàng）兩端電壓

      當接口引腳遭遇（yù）瞬態事（shì）件時，瞬態保護器（qì）件會以較低壓降（jiàng）迅速導通，導致瞬態脈衝（chōng）的全部開路電壓施加於隔離屏障（zhàng）兩端。例如（rú），接口引腳受到8kV ESD衝擊時，隔離屏障（ISO GND與PE之間）將承受8kV電壓應力。

       通過在隔離屏障兩端增設（shè）安規認證電容（額外元件（jiàn））提升CISO的（de）有效容值，可降低隔離（lí）屏障承受的電壓應（yīng）力。持續時間較短的（de）ESD和EFT脈衝比浪湧更（gèng）易被濾波抑製。

                          圖（tú）3：隔離屏障兩端電壓事件的仿真

        圖3a仿真結果表明：當CISO為100pF時，8kV ESD衝（chōng）擊可（kě）被衰減至5kV以下；圖3b顯示當CISO為1nF時，4kV EFT脈衝可被衰減（jiǎn）至（zhì）2kV以下。

        目前市場上（shàng）僅有少數信號隔離技術（包括德州儀器增強型隔離器）能直接承受8kV ESD和4kV EFT的屏障間衝擊。其他隔離（lí）方案需借助額外安規認證電容將屏障應力降至可接受水（shuǐ）平。雖然增設安規電容*明顯的問題是係統成（chéng）本上升，但（dàn）如後（hòu）續章節所述，此舉還會帶來其（qí）他技術弊端。

        浪湧脈衝的寬度更大，因（yīn）此采用合理的寄生電容（CISO）值難以對其進行濾波。同時，大多數隔離屏障能夠承受（shòu）工業係統（tǒng）所需的 1kV 至 2kV 浪湧等級，因此無需額外濾波。

瞬態保護（hù）器件導通電流

        針對（duì）圖2所示隔離（lí）係統，接口引（yǐn）腳瞬態測試的電流回路通過CISO形成閉環。通過（guò）精心（xīn）設計較（jiào）低的CISO值（zhí），可對瞬態事件呈現顯著阻抗，從而大幅削減流經瞬態（tài）保護器件的峰值電流。對（duì）於浪湧等慢速瞬變，該阻（zǔ）抗效（xiào）應更為顯著。

        如圖4所示，當CISO = 10pF時，EFT測試中流經（jīng）保護器件的峰值電流從非隔離係統的20A降至隔離係統的1.8A，衰減幅度達10倍。電流持續時（shí）間也從100ns縮短（duǎn）至不足10ns，縮減超（chāo）10倍。圖5數據表明，浪湧事件中峰值（zhí）電流降幅超40倍（bèi），電流持（chí）續時間縮減至1/100。

               圖4：1kV電快速瞬變脈衝群（EFT）測試期間（jiān）保（bǎo）護器件中的電流仿真

        幅值與脈寬的雙重降低，顯著減（jiǎn）輕了外（wài）部TVS保護器（qì）件的峰值（zhí）電（diàn）流與峰值（zhí）功率要求，使其可實（shí）現更（gèng）小體積與更低成本。浪湧事件的峰值功率從數千（qiān）瓦（wǎ）降（jiàng）至數十毫瓦，這種優化**實用價值。若CISO足夠小，且收發器內置片（piàn）上瞬態保護設計合理，可完（）全省去外部瞬（shùn）態保護電路（lù）。

滿足電（diàn）快速瞬變（biàn）脈衝群（EFT）和浪湧（yǒng）的A 判據

        如前所述，在非隔離係統中，接口引腳（jiǎo）上的信號會在（zài）整個瞬態事件期間被  幹（gàn）擾完（）全覆蓋：電快速快速瞬變脈衝群（EFT）事件中該過程約持續 100ns，浪湧（yǒng）事件中則約持續（xù） 100μs。此時必須對通信鏈路中產生的錯誤脈衝進行濾波處（chù）理，這會導致額外成本增（zēng）加、傳輸延遲增大及數據吞吐量下降。

       在隔離係統（tǒng）中，由於流過瞬態保護器件的電流持續時間大幅縮短，產生的錯（cuò）誤脈衝寬度更窄（zhǎi）。如圖 6 所示，對於共模阻抗為（wéi） 25Ω的收發器或 I/O 接口，EFT事件引發的共模電壓（yā）偏移僅持續 6ns，浪湧事件引發的共模電壓偏移（yí）僅持續 2μs。這類窄錯誤脈衝更易於濾波，且對吞吐量的影響極小。同時，電壓偏移被限製在（zài）幾伏範圍內，這（zhè）使得收發器甚至無需任何濾波措施即可正常工作。

        因此，隔離技術可使係統在滿足電磁兼容（EMC）抗擾度 A 判據的同時，無需犧牲吞（tūn）吐量或增（zēng）加延遲。

                         圖5：1kV浪湧測試期間保護器件的通（tōng）流仿真

                   圖6：共模阻抗為25Ω的I/O 接口上產生（shēng）的電壓仿真

          表 1 總結了通過隔離技術實現的峰值電流降低及峰值持續時（shí）間縮短，這能（néng）夠減少甚至消除（chú）對瞬（shùn）態保護的需（xū）求。例如，在（zài）浪湧（yǒng）事件中，峰值功率可從（cóng） 1.2kW 降至 10mW。瞬態事件中  共模偏移的減小，也使係統更易滿（mǎn）足 A 判據要求。

表1：通過（guò）隔離技（jì）術（shù）實（shí）現的峰值電流降低及電流（liú）脈衝（chōng）持續時間縮短

總結

       隔離係統與非隔離係統（tǒng）在實現良好電磁兼容（EMC）性能方麵的考量存在差異。靜（jìng）電放電（ESD）、電快速瞬變脈衝群（EFT）和浪（làng）湧測試中施加的（de）開路電壓，可（kě）能以電壓應力的形式作用於隔離屏障兩（liǎng）端。因此，係統中使用的隔離器必須能（néng）夠承受這（zhè）些高（gāo）壓（yā）快速瞬變（biàn）的（de）衝擊。

        在隔離係統中，接口引腳（jiǎo）上瞬態事件產（chǎn）生的電流環路通過隔離屏障的（de）總電容形（xíng）成閉（bì）合回路。通過精心設計（jì），將隔離屏障電容值控製在較低水平，可為瞬態事件提（tí）供顯著阻抗，從而大幅降低流過（guò）瞬態保護器件的峰值電流——這不僅可省去對大功率瞬（shùn）態保（bǎo）護器件的需求，還能降低係統成本。此外，隔（gé）離技術還能將保護器件對 I/O 引腳（jiǎo）的鉗位（wèi）時間縮短一個數量級，這會減小電磁兼容測試期間通信鏈路中錯誤脈衝的寬度，使係統相比非隔離係統更易滿足 A 判據要求。