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減少汽車控制系統(tǒng)中EMI直流偏差方法

發(fā)布時(shí)間:2019-07-03 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】在醫(yī)療設(shè)備、汽車儀器儀表和工業(yè)控制等科技應(yīng)用領(lǐng)域中,存在一個(gè)經(jīng)常被忽視的問題,即外部信號(hào)導(dǎo)致的高頻干擾,也就是通常所說的“電磁干擾(EMI)”。EMI可以通過多種方式發(fā)生,主要受最終應(yīng)用影響。
 
在醫(yī)療設(shè)備、汽車儀器儀表和工業(yè)控制等科技領(lǐng)域中,當(dāng)設(shè)備設(shè)計(jì)涉及應(yīng)變計(jì)、傳感器接口和電流監(jiān)控時(shí),通常需要采用精密模擬前端放大器,以便提取并放大非常微弱的真實(shí)信號(hào),并抑制共模電壓和噪聲等無用信號(hào)。首先,設(shè)計(jì)人員將集中精力確保器件級(jí)噪聲、失調(diào)、增益和溫度穩(wěn)定性等精度參數(shù)符合應(yīng)用要求。
 
然后,設(shè)計(jì)人員根據(jù)上述特性,選擇符合總誤差預(yù)算要求的前端模擬器件。不過,此類應(yīng)用中存在一個(gè)經(jīng)常被忽視的問題,即外部信號(hào)導(dǎo)致的高頻干擾,也就是通常所說的“電磁干擾(EMI)”。EMI可以通過多種方式發(fā)生,主要受最終應(yīng)用影響。例如,與直流電機(jī)接口的控制板中可能會(huì)用到儀表放大器,而電機(jī)的電流環(huán)路包含電源引線、電刷、換向器和線圈,通常就像天線一樣可以發(fā)射高頻信號(hào),因而可能會(huì)干擾儀表放大器輸入端的微小電壓。
 
另一個(gè)例子是汽車電磁閥控制中的電流檢測。電磁閥由車輛電池通過長導(dǎo)線來供電,這些導(dǎo)線就像天線一樣。該導(dǎo)線路徑中連接著一個(gè)串聯(lián)分流電阻,然后通過電流檢測放大器來測量該電阻上的電壓。該線路中可能存在高頻共模信號(hào),而該放大器的輸入端容易受到這類外部信號(hào)的影響。一旦受到外部高頻干擾影響,就可能導(dǎo)致模擬器件的精度下降,甚至可能無法控制電磁閥電路。這種狀態(tài)在放大器中的表現(xiàn)就是放大器輸出精度超過誤差預(yù)算和數(shù)據(jù)手冊(cè)中的容差,甚至在某些情況下可能會(huì)達(dá)到限值,從而導(dǎo)致控制環(huán)路關(guān)斷。
 
EMI是如何造成較大的直流偏差呢?可能是以下一種情形:根據(jù)設(shè)計(jì),很多儀表放大器可以在最高數(shù)十千赫的頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出極佳的共模抑制性能。但是,非屏蔽的放大器接觸到數(shù)十或數(shù)百“兆赫”的RF輻射時(shí),就可能會(huì)出現(xiàn)問題。此時(shí)放大器的輸入級(jí)可能會(huì)出現(xiàn)非對(duì)稱整流,從而產(chǎn)生直流失調(diào),進(jìn)一步放大后,會(huì)非常明顯,再加上放大器的增益,甚至達(dá)到其輸出或部分外部電路的上限。
 
關(guān)于高頻信號(hào)如何影響模擬器件的示例
 
本例將詳細(xì)介紹一種典型的高端電流檢測應(yīng)用。圖1所示為汽車應(yīng)用環(huán)境中用于監(jiān)控電磁閥或其它感性負(fù)載的常見配置。 
 
圖1:高端電流監(jiān)控
 
我們采用兩個(gè)具有類似設(shè)計(jì)的電流檢測放大器配置,研究了高頻干擾的影響。這兩個(gè)器件的功能和引腳排列完全相同;不過,其中一個(gè)內(nèi)置EMI濾波器電路,而另一個(gè)則沒有。 
 
圖2:電流傳感器輸出 (無內(nèi)置EMI濾波器,前向功率 = 12 dBm, 100 mV/分頻,3 MHz時(shí)直流輸出達(dá)到峰值)
 
圖2所示為輸入在較寬頻率范圍內(nèi)變化時(shí)電流傳感器的直流輸出與其理想值的偏差情況。從圖中可以看出,在1 MHz至20 MHz的頻率范圍內(nèi),偏差最為顯著(》0.1 V),且3 MHz時(shí)直流誤差達(dá)到最大值(1 V),這在放大器0 V至5 V的輸出電壓范圍中占據(jù)很大比例。
 
圖3所示為采用另一種引腳兼容電流傳感器時(shí)相同實(shí)驗(yàn)和配置的測試結(jié)果,其中電流傳感器具有與之前示例相同的電路架構(gòu)和類似的直流規(guī)格,但是內(nèi)置輸入EMI濾波電路。注意,電壓范圍擴(kuò)大了20倍。 
 
圖3:電流傳感器輸出 (內(nèi)置EMI濾波器,前向功率 = 12 dBm, 5 mV/分頻,》100 MHz時(shí)直流輸出達(dá)到峰值)
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