Otomotiv kontrol sistemlerinde EMI'nin DC sapması nasıl azaltılır
Tıbbi ekipman, otomotiv enstrümantasyonu ve endüstriyel kontrol gibi bilimsel ve teknolojik alanlarda, ekipman tasarımı gerinim ölçerler, sensör arayüzleri ve akım izleme içerdiğinde, genellikle çok zayıf gerçek sinyalleri çıkarmak ve yükseltmek ve ortak olanları bastırmak için hassas analog ön uç amplifikatörleri kullanmak gerekir Mod voltajı ve gürültü gibi istenmeyen sinyaller. İlk olarak, tasarımcılar cihaz düzeyinde gürültü, sapma, kazanç ve sıcaklık kararlılığı gibi doğruluk parametrelerinin uygulama gereksinimlerini karşılamasını sağlamaya odaklanacaklar.
Ardından tasarımcı, yukarıdaki özelliklere dayalı olarak toplam hata bütçesi gereksinimlerini karşılayan bir ön uç analog cihaz seçer. Bununla birlikte, bu tür uygulamalarda genellikle gözden kaçan bir sorun vardır, yani, genellikle "elektromanyetik girişim (EMI)" olarak adlandırılan, harici sinyallerin neden olduğu yüksek frekanslı girişim. EMI, esas olarak nihai uygulamadan etkilenen birçok şekilde meydana gelebilir. Örneğin, bir enstrümantasyon amplifikatörü, bir DC motor ile ara yüz oluşturan bir kontrol panosunda kullanılabilir ve motorun akım döngüsü, güç uçlarını, fırçaları, komütatörleri ve bobinleri içerir, genellikle bir anten gibi yüksek frekanslı sinyaller yayar. Enstrümantasyon amplifikatörünün girişini engelleyen küçük bir voltaj.
Diğer bir örnek, otomotiv solenoid valf kontrolünde akım tespitidir. Solenoid valf, antenlere benzeyen uzun kablolar aracılığıyla araç aküsü tarafından çalıştırılır. Kablo yoluna seri bir şönt direnç bağlanır ve ardından direnç üzerindeki voltaj, bir akım algılama amplifikatörü tarafından ölçülür. Bu hatta yüksek frekanslı ortak mod sinyalleri olabilir ve amplifikatörün girişi bu tür harici sinyallere karşı hassastır. Harici yüksek frekanslı girişimden etkilendiğinde, analog cihazların doğruluğunun azalmasına neden olabilir ve hatta solenoid valf devresini kontrol edemeyebilir. Bu durumun amplifikatördeki performansı, amplifikatörün çıkış doğruluğunun veri sayfasındaki hata bütçesini ve toleransı aşması ve hatta bazı durumlarda sınıra ulaşarak kontrol döngüsünün kapanmasına neden olmasıdır.
EMI nasıl büyük bir DC sapmasına neden olur? Aşağıdaki durumlardan biri olabilir: Tasarıma göre, birçok enstrümantasyon amplifikatörü onlarca kilohertz'e kadar frekans aralığında mükemmel ortak mod reddetme performansı sergileyebilir. Bununla birlikte, korumasız bir amplifikatör onlarca veya yüzlerce "MHz" RF radyasyonuna maruz kaldığında sorunlar ortaya çıkabilir. Bu zamanda, amplifikatörün giriş aşaması asimetrik düzeltme görünebilir ve bu da DC ofset ile sonuçlanır Daha fazla amplifikasyondan sonra, amplifikatörün kazancı, hatta çıkışının üst sınırına veya bazı harici devrelere ulaşması çok açık olacaktır.
Yüksek frekanslı sinyallerin analog cihazları nasıl etkilediğine dair örnekler
Bu örnek, tipik bir üst düzey akım algılama uygulamasını ayrıntılı olarak tanıtacaktır. Şekil 1, bir otomotiv uygulama ortamında solenoid valfleri veya diğer endüktif yükleri izlemek için kullanılan ortak bir konfigürasyonu göstermektedir.
Şekil 1. Yüksek taraf akım izleme
Yüksek frekanslı parazitin etkilerini incelemek için benzer tasarımlara sahip iki akım duyarlı amplifikatör konfigürasyonu kullandık. İki cihazın işlevleri ve pin çıkışı tamamen aynıdır; ancak, biri yerleşik bir EMI filtre devresine sahipken diğeri yoktur.
Şekil 2. Akım sensörü çıkışı (yerleşik EMI filtresi yok, ileri güç = 12 dBm, 100 mV / div, 3 MHz'de DC çıkış tepe noktaları)
Şekil 2, giriş geniş bir frekans aralığında değiştiğinde akım sensörünün DC çıkışının ideal değerinden sapmasını göstermektedir. Şekilden, 1 MHz ila 20 MHz frekans aralığında sapmanın en önemli olduğu (> 0.1 V) ve DC hatasının, amplifikatörün 0 V ila 5 V aralığında olan 3 MHz'de maksimum değere (1 V) ulaştığı görülebilir. Çıkış voltaj aralığının büyük bir kısmını kaplar.
Şekil 3, başka bir pin uyumlu akım sensörü kullanıldığında aynı deney ve konfigürasyonun test sonuçlarını göstermektedir Akım sensörü, önceki örnekle aynı devre mimarisine ve benzer DC spesifikasyonlarına sahiptir, ancak yerleşik bir giriş EMI filtre devresine sahiptir. Voltaj aralığının 20 kat artırıldığını unutmayın.
Şekil 3. Akım sensörü çıkışı (yerleşik EMI filtresi, ileri güç = 12 dBm, 5 mV / bölme, DC çıkışı "100 MHz'de tepe değerine ulaşır)
Bu durumda, hata 40 MHz'de yalnızca yaklaşık 3 mV'dir ve tepe hatası (100 MHz'den büyük olduğunda) 30 mV'den azsa, performans 35 kat artar. Bu, yerleşik EMI filtre devresinin akım sensörünün koruma performansını önemli ölçüde iyileştirmeye ve onu girişteki yüksek frekanslı sinyalden korumaya yardımcı olduğunu açıkça gösterir. Pratik uygulamalarda, EMI'nin şiddeti net olmasa da, yerleşik EMI filtreleme işlevine sahip bir akım sensörü kullanılırsa, kontrol döngüsü gerçekte tolerans aralığı içinde kalacaktır.
Her iki cihaz da tamamen aynı koşullar altında test edilir. Tek fark, AD8208'in (bkz. "Ek") hem giriş pininde hem de güç kaynağı pininde dahili bir düşük geçişli RF giriş filtresi ile donatılmış olmasıdır. Çipe bu tür bileşenlerin eklenmesi önemsiz görünmektedir, ancak uygulama genellikle PWM tarafından kontrol edildiğinden, akım algılama amplifikatörü bu durumda 45 V'a kadar sürekli anahtarlama ortak mod gerilimine dayanabilmelidir. Bu nedenle, doğru yüksek kazanç ve genel mod reddetme performansını korumak için, giriş filtresinin kesinlikle eşleştirilmesi gerekir.
Tasarım ve test sırasında EMI uyumluluğunun neden ve nasıl sağlanacağı
Otomotiv uygulamaları özellikle EMI olaylarına karşı hassastır ve ikincisi, merkezi piller, paketlenmiş kablo demetleri, çeşitli endüktif yükler, antenler ve otomobille ilgili harici parazitlerden oluşan gürültülü bir elektrik ortamında kaçınılmazdır. Hava yastığı yapılandırması, hız sabitleyici, frenler ve süspansiyon ve diğer temel işlevlerin tümü elektronik ekipmanı kontrol ettiğinden, EMI uyumluluğunu sağlamak ve harici parazit nedeniyle yanlış alarmlara veya yanlış tetiklemelere asla izin vermek gerekmez. Daha önce, EMI uyumluluk testi otomotiv uygulamalarındaki son testti. Bir hata oluşursa, tasarımcı aceleyle bir çözüm bulmalıdır ve bu genellikle devre kartı düzenini değiştirmeyi, ek filtreler eklemeyi ve hatta cihazı değiştirmeyi içerir.
Bu belirsizlik, tasarım maliyetlerini büyük ölçüde artırır ve mühendisler için çok fazla soruna neden olur. Otomotiv endüstrisi uzun süredir EMI uyumluluğunu iyileştirmek için pratik önlemler alıyor. Ekipmanın EMI standartlarına uyması gerektiğinden, otomotiv OEM'leri artık yarı iletken üreticilerinin (ADI gibi) cihazlarını kullanmayı düşünmeden önce cihaz düzeyinde EMI testi yapmasını gerektiriyor. Artık bu süreç yaygınlaştığına göre, tüm IC üreticileri, cihazlarının EMI uyumluluğunu test etmek için standart spesifikasyonlar kullanıyor.
Çeşitli tipteki entegre devrelerin standart EMI testi gereksinimlerini bilmek istiyorsanız, lütfen ilgili belgeler için Uluslararası Elektroteknik Komisyonundan (IEC) satın alın. Belirli entegre devreleri test etmek için endüstri tarafından tanınan standartların nasıl kullanılacağını ayrıntılı olarak açıklayan IEC 62132 ve IEC 61967 gibi belgeler aracılığıyla EMI ve EMC hakkında bilgi edinebilirsiniz. Yukarıda belirtilen çeşitli testler bu yönergelere göre gerçekleştirilir.
Spesifik olarak, bu testlerin tümü, RF sinyallerini kapasitörler aracılığıyla belirli cihaz pimlerine bağlama yöntemi olan "doğrudan güç enjeksiyonu" kullanılarak yapılır. Test edilecek IC tipine göre, cihazın her girişi farklı RF sinyal güç seviyeleri ve frekans aralıkları için test edilir. Şekil 4, belirli bir pim üzerinde gerçekleştirilen doğrudan güç enjeksiyon testinin şematik diyagramını göstermektedir.
Şekil 4. Doğrudan güç enjeksiyonu
Bu standartlar, cihaz testinin başarısını doğru bir şekilde anlamaya yardımcı olmak için devre konfigürasyonu, yerleşim yöntemleri ve izleme teknikleri hakkında çok sayıda gerekli bilgiyi içerir. Daha eksiksiz bir IEC standart şematik diyagramı Şekil 5'te gösterilmektedir.
Şekil 5. EMI tolerans testinin şematik diyagramı
sonuç olarak
Entegre devrelerin EMI uyumluluğu, elektronik tasarımın başarısının anahtarıdır. Bu makale, yalnızca amplifikatörün yerleşik bir EMI filtresine sahip olup olmadığından başlamaktadır ve DC ölçümleri gerçekleştirirken RF ortamında iki çok benzer amplifikatörün DC performansındaki önemli farkı ortaya koymaktadır. Otomotiv uygulamalarında EMI, güvenlik ve güvenilirlik düşünüldüğünde çok önemli bir husustur. Günümüzde, kritik uygulamalar için cihazlar tasarlarken ve test ederken, IC üreticileri (Analog Cihazlar gibi) EMI tolerans hususlarına giderek daha fazla dikkat ediyorlar. IEC standartları, yararlı yönergeleri çok ayrıntılı olarak belirtir. Otomotiv uygulama pazarı için, AD8207, AD8208 ve AD8209 gibi mevcut algılama cihazlarının tümü EMI testini geçti. Lityum iyon pil güvenlik monitörü AD8280 ve dijital programlanabilir sensör sinyal amplifikatörü AD8556 gibi yeni cihazlar, EMI ile ilgili gereksinimleri karşılamak için özel olarak tasarlanmış ve test edilmiştir.
ek
AD8208'in daha fazla detayı: AD8203 (Şekil A), büyük ortak mod voltajları altında küçük diferansiyel voltajları yükseltmek ve düşük geçişli filtrelemek için çok uygun, tek beslemeli bir fark amplifikatörüdür. +5 V tek güç kaynağı kullanırken, giriş ortak mod voltaj aralığı -2 V ila +45 V arasındadır. Bu amplifikatör, gelişmiş giriş aşırı voltajı ve ESD koruması ile yerleşik EMI filtreleme sağlar.
Şekil A.AD8208 diferansiyel amplifikatör
AD8208, mükemmel AC ve DC performansına sahiptir ve ilgili sertifikaları geçmiştir ve sistem kontrolünü iyileştirmek için kararlı ve güvenilir hassas cihazlar gerektiren otomotiv uygulamaları için uygundur. Ofset ve kazanç kayması tipik olarak sırasıyla 5 V / ° C ve 10 ppm / ° C'den azdır. Cihaz, DC'den 10 kHz'ye 80 dB minimum ortak mod reddetme oranı (CMR) ile SOIC ve MSOP paketlerinde mevcuttur.
Ek olarak, düşük geçişli filtreleme ve 20'den farklı kazançlar oluşturmak için kullanılabilen, harici olarak temin edilebilen bir 100k direnç sağlanır.
