MAX22190和MAX22192為符合IEC 61131-2標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)數(shù)字輸入器件。它們的瞬態(tài)抗擾度性能在MAX22190評(píng)估板和MAX22192EVKIT上通過外部元件得到驗(yàn)證。測(cè)試方法和測(cè)試設(shè)置基于IEC 61000-4-x標(biāo)準(zhǔn)。描述了詳細(xì)的測(cè)試設(shè)備、測(cè)試設(shè)置和測(cè)試結(jié)果。

介紹

工業(yè)產(chǎn)品必須經(jīng)過廣泛的EMC測(cè)試，并通過IEC標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。作為IC制造商，Maxim Integrated對(duì)我們的元件進(jìn)行板級(jí)測(cè)試，以證明其性能水平，并提供指導(dǎo)，以便工程師優(yōu)化其性能。本應(yīng)用筆記著眼于瞬態(tài)抗擾度標(biāo)準(zhǔn)的三種具體測(cè)試，通常稱為IEC 61000-4-x，涵蓋ESD （-2）、電快速瞬變（EFT）/突發(fā)（-4）和浪涌（-5）的測(cè)試。討論板級(jí)設(shè)計(jì)建議，并使用Maxim的MAX22190EVKIT和MAX22192EVKIT給出測(cè)試結(jié)果。

MAX22190/MAX22192為符合IEC 61131-2標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)數(shù)字輸入器件。它們將8個(gè)吸電流工業(yè)輸入轉(zhuǎn)換為串行SPI兼容輸出。MAX22192與MAX22190的不同之處在于，它集成了數(shù)字隔離功能（相當(dāng)于MAX14483），數(shù)字隔離功能是MAX22190評(píng)估板上的獨(dú)立IC。

MAX22190和MAX22192設(shè)計(jì)用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。這些器件可承受 ±1kV 線對(duì)地浪涌（最小串聯(lián)電阻器）以及 ±8kV 接觸 ESD 和 ±15kV 氣隙 ESD（最小串聯(lián)電阻器）。

MAX22190的瞬態(tài)抗擾度性能在MAX22190評(píng)估板通過外部元件驗(yàn)證。MAX22192的瞬態(tài)抗擾度性能在MAX22192EVKIT上通過外部元件驗(yàn)證。測(cè)試方法和測(cè)試設(shè)置基于IEC 61000-4標(biāo)準(zhǔn)。以下各節(jié)介紹了詳細(xì)的測(cè)試設(shè)備、測(cè)試設(shè)置和測(cè)試結(jié)果。此報(bào)告不應(yīng)用作合規(guī)認(rèn)證。

IEC 61000-4 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

工業(yè)產(chǎn)品經(jīng)過IEC 61000-4規(guī)定的瞬態(tài)抗擾度標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。驗(yàn)證了ESD （-2）、EFT/突發(fā)（-4）和浪涌（-5）的三個(gè)主要測(cè)試。

抗擾度測(cè)試的性能標(biāo)準(zhǔn)

免疫測(cè)試的結(jié)果通常分為四類，如表1所示。最終應(yīng)用要求及其容忍瞬態(tài)噪聲的能力決定了系統(tǒng)是否將特定性能標(biāo)準(zhǔn)視為故障。

表 1.抗擾度測(cè)試的性能標(biāo)準(zhǔn)

Maxim的工業(yè)IC通常采用集成功能和外部（板級(jí)）元件（如串聯(lián)脈沖容限電阻、瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）和安全認(rèn)證的Y型電容）的組合，經(jīng)受住瞬態(tài)抗擾度事件。通常用于工業(yè)接口應(yīng)用的外部保護(hù)器件的簡化原理圖如圖1所示。

圖1.可選外部保護(hù)元件的簡化原理圖。

IEC 61000-4-2 靜電放電測(cè)試

靜電放電 （ESD） 抗擾度測(cè)試直接模擬電子元件上數(shù)十納秒持續(xù)時(shí)間的放電。使用兩種放電方法：接觸放電和氣隙放電。ESD 測(cè)試發(fā)生器與“尖點(diǎn)”一起使用，直接連接到被測(cè)設(shè)備（引腳）進(jìn)行接觸式 ESD 測(cè)試（圖 2）。在發(fā)生器上添加一個(gè)“圓形尖端”，并靠近EUT（引腳），以觸發(fā)氣隙ESD測(cè)試的火花。

表 2.IEC 61000-4-2 靜電測(cè)試級(jí)別

圖2.ESD接觸放電波形。

IEC 61000-4-4 電子轉(zhuǎn)帳

電氣快速瞬變/突發(fā)抗擾度測(cè)試表明設(shè)備或設(shè)備在重復(fù)的電氣快速瞬變和突發(fā)期間保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性的能力，這些瞬變和突發(fā)通常發(fā)生在開關(guān)和繼電器中的電弧觸點(diǎn)。表 3 中列出了 EFT 測(cè)試級(jí)別。

輸出電壓范圍高達(dá) ±4kV 且輸出阻抗為 50O 的 EFT/浪涌發(fā)生器用于生成 IEC 規(guī)范定義的電壓波形。通常測(cè)試兩種波形（如圖3所示）：5kHz重復(fù)頻率，突發(fā)持續(xù)時(shí)間為15ms，突發(fā)周期為300ms，100kHz重復(fù)頻率為0.75ms突發(fā)持續(xù)時(shí)間和300ms突發(fā)周期。

電容耦合鉗位（CCC）能夠?qū)FT發(fā)生器的快速瞬變（突發(fā)）耦合到MAX22190/MAX22192的輸入引腳，無需任何電流連接。被測(cè)設(shè)備（EUT）在輸入低電平（0V）、高電平（24V）或浮動(dòng)的情況下進(jìn)行測(cè)試，如圖4所示。每次EFT測(cè)試后，評(píng)估板（EV kit）GUI讀取EUT的狀態(tài)（通過SPI接口），以查看EFT瞬態(tài)是否造成任何損壞、更改寄存器內(nèi)容或?qū)е缕骷?fù)位。

表 3.IEC 61000-4-4 EFT 測(cè)試級(jí)別

圖3.EFT/突發(fā)波形。

圖4.EFT 測(cè)試設(shè)置。

IEC 61000-4-5 浪涌

浪涌抗擾度測(cè)試表明設(shè)備或設(shè)備承受由雷擊或開關(guān)重負(fù)載或短路故障條件引起的工業(yè)電涌等事件引起的浪涌的能力。浪涌測(cè)試水平列于表4中。

該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不同的浪涌脈沖曲線，特別是六類測(cè)試級(jí)別，具體取決于終端設(shè)備的安裝條件。該等級(jí)決定了具有相應(yīng)電壓電平的保護(hù)。此外，這還定義了耦合模式（線對(duì)線或線對(duì)地）和所需的源阻抗（Zs）。適用于工業(yè)數(shù)字輸入的測(cè)試等級(jí)為3類，適用于非對(duì)稱操作電路/線路，建議測(cè)試電平為線對(duì)線±2kV，線對(duì)地測(cè)試電平為±1kV。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱 IEC 61000-4-5 標(biāo)準(zhǔn)。

1.2μs/50μs浪涌脈沖如圖5所示。用于電源線和 I/O 端口的浪涌測(cè)試具有不同的源阻抗，因此需要不同的 CDN。MAX22190和MAX22192根據(jù)I/O端口要求進(jìn)行測(cè)試，其輸入浪涌性能通過40O + 0.5μF CDN、高達(dá)±1kV線對(duì)地和±2kV線對(duì)線進(jìn)行測(cè)試。

表 4.IEC 61000-4-5 浪涌測(cè)試級(jí)別

圖5.1.2μs/50μs浪涌電壓波形。

該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定源阻抗為42O，由于外部發(fā)生器的內(nèi)部阻抗為2O，因此使用外部40O電阻與發(fā)生器串聯(lián)，如圖6中的簡化原理圖所示。

圖6.浪涌測(cè)試設(shè)置。

MAX22190評(píng)估板和MAX22192評(píng)估板說明

MAX22190評(píng)估板（和MAX22192EVKIT）提供評(píng)估MAX22190（和MAX22192）特性和性能所需的硬件和軟件。

MAX22190評(píng)估板在評(píng)估板上有兩個(gè)MAX22190器件，一個(gè)（U1）配置為1/3類數(shù)字輸入，另一個(gè)（U2）配置為2類輸入。“邏輯”域和“現(xiàn)場(chǎng)”域之間的電流隔離使用MAX14483和MAX12931數(shù)字隔離器。

MAX22192評(píng)估板在評(píng)估板上具有MAX22192和MAX22190：MAX22192（U1）配置為1/3類數(shù)字輸入，MAX22190 （U2）配置為2類輸入。邏輯域和現(xiàn)場(chǎng)域之間的電流隔離使用MAX22192中集成的隔離式SPI接口。

MAX22190評(píng)估板GUI用于配置MAX22190寄存器，并在測(cè)試過程中回讀數(shù)字輸入和故障狀態(tài)。MAX22190評(píng)估板與USB2PMB2轉(zhuǎn)接板配合使用，通過USB端口在PC和MAX22190器件之間進(jìn)行通信。同樣，MAX22192評(píng)估板GUI與MAX22192EVKIT一起使用。

為了驗(yàn)證MAX22190/MAX22192的瞬態(tài)抗擾度性能，評(píng)估板上包含必要的外部保護(hù)元件（圖7a和7b）。表5列出了兩款評(píng)估板的區(qū)別，圖8所示。以下各節(jié)將討論這些項(xiàng)目及其對(duì)性能的影響。

高分辨率圖像 ?
圖7a. MAX22190評(píng)估板框圖

高分辨率圖像 ?
圖7b. MAX22192評(píng)估板框圖

表 5.MAX22190評(píng)估板與MAX22192評(píng)估板的比較

圖8.MAX22190評(píng)估板和MAX22192評(píng)估板

輸入電阻

在現(xiàn)場(chǎng)輸入和MAX22190/MAX22192輸入引腳之間至少需要1kO串聯(lián)電阻，以限制進(jìn)入器件的浪涌電流。這也設(shè)置了從高到低和從低到高的輸入電壓閾值。對(duì)于 1 類和 3 類輸入，建議使用 1.5kO 電阻。對(duì)于 2 類輸入，建議使用 1kO 電阻，兩個(gè)輸入通道并聯(lián)。

輸入電阻必須為耐脈沖類型，以承受浪涌脈沖。兩個(gè)電阻元件通過MAX22190和MAX22192進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。

MAX22190評(píng)估板上
的CMB0207 MELF電阻 該電阻用于MAX22190評(píng)估板。它可以承受±1kV線對(duì)地浪涌和±8kV接觸ESD。然而，當(dāng)對(duì)輸入施加±15kV氣隙ESD時(shí)，在兩個(gè)電阻焊盤上觀察到電弧。這是因?yàn)?a href="http://www.3532n.com/v/tag/82/" target="_blank">PCB上兩個(gè)電阻焊盤之間的間隙太小，無法防止電弧。在±15kV氣隙ESD測(cè)試期間，我們從焊盤上取下電阻，使用連接到MAX22190輸入端的焊盤垂直于PCB安裝CMB0207，并將ESD直接施加到電阻上。通過此修改，該板通過了±15kV氣隙ESD。
在設(shè)計(jì)耐脈沖電阻器時(shí)，應(yīng)注意在PCB上的電阻焊盤之間保持足夠大的間隙，以防止電弧放電。

MAX22192評(píng)估板上的CRCW2512-HP厚膜電阻 MAX22192評(píng)估板在輸入端采用CRCW2512-HP厚膜電阻。它們具有比 CMB0207 型更大的封裝，允許該板通過 ±1kV 線對(duì)地浪涌、±8kV 接觸 ESD 和 ±15kV 氣隙 ESD。

安全等級(jí) Y 型電容器

評(píng)估板上提供接地連接，以驗(yàn)證線對(duì)地瞬態(tài)抗擾度性能。需要在現(xiàn)場(chǎng)接地 （GNDF） 和接地 （PE） 之間安裝安全等級(jí)的 Y 電容器，以達(dá)到最佳的 ESD 和 EFT 性能。Y電容值可根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。默認(rèn)情況下，MAX22190EVKIT和MAX22192評(píng)估板上安裝3300pF電容。

MAX22190評(píng)估板在現(xiàn)場(chǎng)接地和邏輯接地（GNDL）之間具有板載電流隔離。MAX14483和MAX12931數(shù)字隔離器具有基本絕緣額定值。如果在場(chǎng)接地和邏輯接地之間施加ESD或EFT，則需要在場(chǎng)接地和邏輯地之間使用安全等級(jí)的Y型電容。Y電容值可根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。默認(rèn)情況下，這些評(píng)估板上安裝一個(gè)1000pF電容。

MAX22192EVKIT在現(xiàn)場(chǎng)接地和邏輯地之間集成了電氣隔離（具有基本絕緣額定值）。如果在場(chǎng)接地和邏輯接地之間施加ESD或EFT，則需要在場(chǎng)接地和邏輯地之間使用安全等級(jí)的Y型電容。- 電容值可根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。默認(rèn)情況下，這些評(píng)估板上安裝一個(gè)1000pF電容。

VDD24 上的 TVS 二極管

MAX22190/MAX22192 VDD24引腳沒有集成浪涌保護(hù)功能，因此需要TVS二極管來保護(hù)VDD24引腳免受ESD、EFT和浪涌的影響。由于VDD24引腳的絕對(duì)最大值為+70V，因此可以根據(jù)不同的浪涌串聯(lián)電阻選擇較小的TVS二極管。對(duì)于 42O 浪涌阻抗，建議使用 SMAJ33A，對(duì)于 2O 浪涌阻抗，建議使用 SM30T39AY。

也可以在 VDD24 引腳上實(shí)現(xiàn)一個(gè)小串聯(lián)電阻器，以進(jìn)一步限制進(jìn)入 VDD24 引腳的浪涌電流。評(píng)估板內(nèi)置150O耐脈沖串聯(lián)電阻。該值可以根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。選擇電阻值時(shí)應(yīng)注意電阻兩端的壓降不會(huì)觸發(fā)VDD24進(jìn)入U(xiǎn)VLO。該電阻器必須是耐脈沖型，才能承受浪涌脈沖。

輸入接線端子

MAX22190評(píng)估板有3.5mm間距接線端子用作現(xiàn)場(chǎng)輸入。在±15kV氣隙ESD期間，在現(xiàn)場(chǎng)輸入引腳和相鄰現(xiàn)場(chǎng)接地引腳之間觀察到電弧 馬克西姆集成 第 12 頁，共 17 頁 測(cè)試。這是由于該接線端子上的兩個(gè)相鄰引腳（輸入和現(xiàn)場(chǎng)接地）之間的間隙（1.7mm）不足。在MAX22192EVKIT中，使用更大間距的接線端子解決了這個(gè)問題，間隙增加到2.5mm。

測(cè)試方法和結(jié)果

用于測(cè)試MAX22190EVKIT和MAX22192EVKIT的設(shè)備見表6，測(cè)試臺(tái)架設(shè)置的圖片如圖9所示。

表 6.用于瞬態(tài)抗擾度測(cè)試的設(shè)備

測(cè)試設(shè)置和結(jié)果

MAX22190評(píng)估板通過VDD24測(cè)試點(diǎn)由外部24V電源供電。C38 裝有 3300pF Y 電容器。C39 裝有 1000pF Y 型電容器。

USB2PMB2（或USB2GPIO）連接到連接器X1，邏輯側(cè)由USB2PMB2（或USB2GPIO）產(chǎn)生的3.3V供電，USB2PMB2由PC上USB端口上的5V電源供電。MAX22190評(píng)估板GUI（或MAX22192評(píng)估板GUI）用于配置器件并讀寫所有寄存器。

U1 和 U2 均配置為 SPI 模式 0，即獨(dú)立的從機(jī)模式。所有跳線均處于默認(rèn)位置，如MAX22910EVKIT和MAX22912EVKIT數(shù)據(jù)資料所示。上電復(fù)位（POR）位在每次測(cè)試前被清除。每次測(cè)試后都會(huì)驗(yàn)證寄存器內(nèi)容和基本設(shè)備功能。

圖10至圖12所示為被測(cè)MAX22190EVKIT的圖像。使用MAX22192EVKIT進(jìn)行相同的測(cè)試。請(qǐng)參閱表 7 中的 ESD 測(cè)試結(jié)果。

圖 10.MAX22190評(píng)估板待測(cè)

IEC 61000-4-2

測(cè)試等級(jí)：±8kV接觸放電，±15kV氣隙放電。

輸入條件：輸入浮動(dòng)，輸入低電平（0V），輸入高電平（24V）。

1Hz的ESD脈沖在正極性和負(fù)極性下均施加10次。

MAX22190EVKIT串聯(lián)電阻垂直安裝以防止電弧 MAX22190EVKIT串聯(lián)電阻垂直安裝，防止PCB上兩個(gè)電阻焊盤上發(fā)生電弧。

表 7.MAX22190評(píng)估板和MAX22192評(píng)估板ESD測(cè)試結(jié)果

總之，MAX22190和MAX22192均符合ESD測(cè)試的性能標(biāo)準(zhǔn)B。

IEC 61000-4-4

測(cè)試電平：高達(dá)±4kV。

輸入條件：輸入浮動(dòng)，輸入低電平（0V），輸入高電平（24V）。

兩個(gè) EFT 頻率：5kHz 和 15ms 突發(fā)時(shí)間，100kHz 和 0.75ms 突發(fā)時(shí)間。

EFT/突發(fā)應(yīng)用一分鐘，同時(shí)連續(xù)監(jiān)控輸入數(shù)據(jù)寄存器，包括正極性和負(fù)極性。

現(xiàn)場(chǎng)輸入和現(xiàn)場(chǎng)接地均耦合在電容鉗內(nèi)，然后連接到輸入接線端子。

總之，MAX22190和MAX22192均符合表8所列EFT測(cè)試的性能標(biāo)準(zhǔn)A。

表 8.MAX22190評(píng)估板和MAX22192評(píng)估板EFT測(cè)試結(jié)果

IEC 61000-4-5

測(cè)試電平：線路對(duì)地高達(dá)±1kV，線路對(duì)線最高±2kV（兩個(gè)輸入僅浮動(dòng)）。

輸入條件：輸入浮動(dòng)，輸入低電平（0V），輸入高電平（24V）。 馬克西姆集成 第 17 頁，共 17 頁

浪涌脈沖以10秒的間隔施加10次，包括正極性和負(fù)極性。

CDN：40O + 0.5μF

總之，MAX22190和MAX22192均符合輸入引腳浪涌性能標(biāo)準(zhǔn)B和VDD24電源浪涌性能標(biāo)準(zhǔn)C，如表9所示。

表 9.MAX22190評(píng)估板和MAX22192評(píng)估板浪涌測(cè)試結(jié)果

總結(jié)

MAX22190和MAX22192在Maxim實(shí)驗(yàn)室使用MAX22190評(píng)估板和MAX22192EVKIT根據(jù)IEC 61000-4測(cè)試進(jìn)行ESD （-2）、EFT/突發(fā)（-4）和浪涌（-5）測(cè)試。通過遵循推薦的外部元件和評(píng)估板PCB布局指南，器件通過ESD 4級(jí)（±8kV接觸和±15kV氣隙）達(dá)到性能標(biāo)準(zhǔn)B，EFT 4級(jí)（±4kV I/O接地）達(dá)到性能標(biāo)準(zhǔn)A，浪涌2級(jí)（±1kV線對(duì)地，42O耦合）達(dá)到性能標(biāo)準(zhǔn)B。這為工程師提供了設(shè)計(jì)其設(shè)備以通過合規(guī)認(rèn)證的指南。

審核編輯：郭婷