浪涌抗扰度怎么测？我们用这个A／D转换器试了一下
作者： Alan Yang
浪涌抗扰度测试表明，设备或设备在雷击，或切换重载，或短路故障条件下，引起的工业电源浪涌等事件中的耐受能力。本文以ADI的AD74115H举例，如何进行浪涌抗扰度测试。
1. 浪涌抗扰度测试原理及详细分析
首先明确测试目标：浪涌抗扰度测试旨在评估受试设备 (EUT)， 在高能电源与互连线干扰（浪涌脉冲）下的性能。
图 1 . 浪涌抗扰度测试原理 （图片来源于Bel Fuse）
1.1 浪涌抗扰度测试两大主要部分：
· 浪涌脉冲脉冲发生器
通常通过源阻抗（例如 10 Ω 的电阻、9 µF 的串联电容）直接耦合至信号。
· 去耦网络（CDN）
去耦网络（CDN）通常包含，（在抗扰度测试系统内）有助于在浪涌测试期间的保护电源或辅助设备。其中去耦网络（CDN）中的电感，结合电源转化器输入电容，从而起到去耦合的作用。
然而，CDN 中使用的电感越高，预期振荡概率就越高。相反，转换器输入电容越高，振荡的概率就越低。
当 EUT 通过CDN 连接，当前设计的电源转换器可能无法启动或出现振荡。在某些情况下，振荡可能会导致 EUT 损坏。
1.2 浪涌抗扰度测试关键参数：
· 直流电源的输入电压
结论：较高的直流电源输入电压，有利于测试。
根据标准 EN 50121-3-2 ，浪涌测试应在最大输入工作电压下执行。例如，电池电压为 110 V 时，应以137.5 V 进行测试。
务必要确保将直流电源电压调整到足够高，以补偿 CDN 和输入线的损耗。
举例：使用24 V DC/DC 转换器，功率为300 W，CDN 串联阻抗 0.5 Ω，CDN 电压降将为大约 7 V。
同时，输入电压越高，预期振荡概率就越低。
· 负载输出电流
结论：较低的负载输出电流，有利于测试。
输出功率越低，从电源吸取的输入电流就越低。当负载足够低时，振荡就会消失。
· 去耦网络CDN的额定电流
结论：较低的去耦电感，较低的串联电阻，较高额定电流的 CDN，发生振荡的可能性较低。
在IEC 61000-4-5 标准中，并未指定 CDN 电感参数。因此，市场上推出了各类 CDN 设备，这导致部分测试实验室使用具有相当高电感的 CDN，其中的 DC/DC 转换器可能会发生振荡。相反，有的实验室可能使用较低电感的 CDN，且没有观察到不稳定性现象。CDN 的通用电感约为 1 mH（每极）。
· IEC 61000-4-5 浪涌测试等级
2. 发生振荡的原因与可能的解决方案
· 无负载情况下，发生振荡的原因
开关“SW”打开后（或电路中引入其他变化/阶跃），此 LC 电路中出现频率为“fr”的谐波振荡。
图 2. 无负载情况下，发生振荡的原因 （图片来源于Bel Fuse）
由于能量无法及时耗散，因此能量在电容和电感之间，以恒定的幅度长久持续地振荡。
· 可能的解决方案 - 引入耗散电阻
为了避免振荡的发生，可以引入耗散电阻（比如电阻“Rdump”），则电感和电容之间的能量传输就会有损耗，且振荡幅度会随着时间的推移而减小。
图 3. 可能的解决方案 - 引入耗散电阻 （图片来源于Bel Fuse）
· 连接了稳压电源转换器情况下，发生振荡的原因
如果连接了稳压电源转换器而非耗散元件（如电阻负载），则幅度不会减小，而是及时放大。
图 4. 连接了稳压电源转换器情况下，发生振荡的原因 （图片来源于Bel Fuse）
· 可能的解决方案 - 引入耗散电阻
若要补偿这种影响，至少需要在电路中添加耗散电阻“R”。若要耗散足够快，“R”的值应该越小越好。
图5. 可能的解决方案 - 引入耗散电阻 （图片来源于Bel Fuse）
电阻“R”的并联（左图），会在直流条件下导致额外显著耗散。因此，最好串联电阻“Rs”和电容器“Cs”（右图），以更有效地抑制振荡。
3. 减轻浪涌测试期间振荡的可用解决方案比较
除了引入耗散电阻之外，我们还可以通过调整输入电容或者限制转换器调节环路带宽，来减轻浪涌测试期间振荡。下面是三种方案的比较：
4. ADI AD74115H浪涌测试实例
根据IEC 61000-4-5工业环境标准：
· 浪涌为两种波形的组合波：
上升时间1.2μs与50μs脉宽开路电压
上升时间8μs与20μs脉宽短路电流
· DUT（被测器件）在每个额定值下经受五次正浪涌和五次负浪涌。
每个浪涌之间的间隔为1分钟。对AD74115H输出电缆进行浪涌测试，该电缆被视为DUT的非屏蔽非对称操作互连线。浪涌通过去耦网络CDN 117施加到I/O和传感器。
· CDN（去耦网络）不影响DUT的指定功能条件。DUT和CDN之间的互连线路长度应小于等于2m。
图6. ADI AD74115H浪涌测试实例 （图片来源于ADI）
4.1 硬件配置
为了确保I/O口和传感器引脚以及用于内部数字输出FET的完整性。
浪涌测试期间测试对象，需要测试下面这些特定对象：
· 电压输出（以及通过重新配置ADC输入节点的电压输入）
· 内部数字输出
· 传感器引脚sense_EXT1和sense_EXT 2
浪涌相较于IO_N（AGND）一次一个地耦合到每个端子。所有测试对象均使用非屏蔽电缆。
对于电压输出测试对象，将6V配置为连接在IO_P和IO_N之间的100kΩ负载的输出。测量（电压输入）被配置为IO_P至IO_N，范围为0 V至12 V。
SENSE_EXT1和SENSE_EXT 2节点被选为诊断节点，并被配置为0 V到12 V范围内ADC的输入。两个串联的AA电池被用作每个SENSE_EXTx引脚的3.1 V输入。
对于内部数字输出，在IO_P和IO_N之间连接1 kΩ负载电阻器。该测量值被配置为对流过内部RSET的电流进行内部诊断。
4.2 软件配置
使用的软件是AD74115H评估板提供的评估软件。在每次测试开始时，进行预测试配置。在放电之前，执行前测量流程。放电后，执行后测量流程。
· 预测试配置
重置DUT
清除警报状态寄存器
配置信道
配置ADC测量节点
配置ADC采样率为20 SPS
· 前测量与后测量流程
读取并存储警报状态寄存器
清除警报状态寄存器
读取ADC数据
将数据保存到文件
4.3 性能表现总结
下表总结了浪涌试验结果。对于数字输出测试对象，不记录偏差，因为精度取决于负载。测试验证了数字输出没有意外关闭。警报状态寄存器中的ADC转换错误位在每次测试后设置。ADC误差表示饱和误差（ADC测量读数为满刻度），表明在测试引脚上观察到>12 V的浪涌电压。
· 常见的防止浪涌电流的元器件
电阻
对于小功率电源(最多几瓦)，增加一个串联电阻，是一个简单和实用的解决方案，以限制浪涌电流。但限制浪涌电流的的电阻会造成功率损耗，不适合大功率设备。
热敏电阻
热敏电阻是一种阻值随温度变化而发生较大变化的电阻元件，他们通常作为电流限制器。
热敏电阻分为两类：
正温度系数（PTC）热敏电阻
负温度系数（NTC）热敏电阻
浪涌电流限制器
这些浪涌电流限制器可用于各种配置和保护涂层，以适应几乎所有应用。一般来说，串珠式热敏电阻具有高稳定性和可靠性，响应时间快，在高温下运行。磁盘和芯片类型通常比串珠式的大，因此它们的响应时间相对较慢。然而，它们通常具有更高的耗散常数，因此在测量、控制和补偿应用中能够更好地处理功率。他们通常成本较低，更容易更换的特点。
总结
浪涌抗扰度测试仪能模拟雷击和开关操作产生瞬态过电压干扰波，评估各种设备的抗电磁干扰能力是否满足要求。对于测量不同的受试设备，还需要留意受试设备自身的特点，增加合适的测试对象与流程，才能确保受试设备各个部分的信号完整性。
