防止过热与EMI损坏的工业级设计考量
时间：09-03
来源：互联网
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电磁设计的考虑事项
管理封闭在气密箱体中的设备的热量并非是唯一的问题。现在我们来看一看设备的电磁 (EM) 环境以及电磁干扰 (EMI)。许多工程师都把 EMI 敏感性看成是由照明或其它电压过载条件导致的破坏，这种观点本来没什么问题。但是，这并非是极端电磁场的唯一引起故障的机制。详见下文。
减轻静电破坏是设计人员必须解决的实际问题。如果线缆（包括电源）进入底板，就会在设备中出现高电压，无论是否是正常工况均如此。电源通常设计有防止出现电压峰值的内在保护。输入级可能还配备用于钳制输入的高速电压监控器，以防出现与过压相关的损坏。但是，当设备是通过电线网络连接，这些连接就会提供一种借助电线的电容储存电荷的方法。在传感器模块（带有源电子器件）和控制器之间配备电线长度达上千英尺的情况并不罕见。
自然界存在能够毁坏设备的现象，如直接雷击。但是，还存在另一种称为交叉冲击 (cross striking) 的更微妙效应。当带有大量电荷的雷暴云砧缓慢飘过长距离布线网络并且在线缆中感应出相反电荷时就会出现这种现象（图 1）。一般情况下，感应电荷被云层中的电荷固定在其位置中。但是，如果另一片带有相反电荷的云朵在附近飘过，就有可能引起两朵云之间网络上空的静电放电（闪电）。
当正上空云朵中的电荷消散后，电线中的感应电荷也必须消散。由于电荷从电线中快速消失，因此在线缆两端会出现极其高的电压。如果不受控制，此类电压有可能破坏位于电线两端的所有设备（图 2）。为了降低这种破坏，需在终端设备的线缆终端配备电弧管或火花隙以及静电放电(ESD)保护二极管，从而提供将电荷引入大地的路径。否则，该路径会经过线缆驱动器或收发器，其很难幸免于难。
如前所诉，其它类型的 EMI 不会直接损坏 IC。相反，其会导致 IC 转移其工作点；或者导致偏移指定限制。许多制造厂现在纷纷在其制造工艺中采用微波加热器或其它射频源。这些大型 RF 场能在 IC 中的各种寄生二极管和有源组件中产生感应电流。如果在设计IC 时缺乏处理这些场的措施，那么内部偏置点就有可能转移，从而改变电路的工作点。
可以在众多对讲电话中观察到一种常见的非工业 EMI 问题。放大器通常容易受到手机等 RF 源的影响。在使用对讲电话通话时，若手机也在附近，则经常会在通话时听到嗡嗡声。蜂窝发射器产生的 RF 能量以寄生方式解调进入放大器链，从而可以通过扬声器发出可听到的声音。
但是，在工业控制应用中，这种现象要严重得多。其经常构成高精度测量中的偏移。其可能造成几度的温度感测误差或者远程传感器的其它测量误差。很多工艺都必须要求极其苛刻的容差。任何偏差都有可能造成生产工艺的灾难性失败，或者起码会造成质量不达标。
为了解决这个问题，设计人员需要采用抗RF (RF-hardened) 组件（切勿与抗辐射 (radiation-hardened)IC混淆）。LMP2021（单通道）与 LMP2022（双通道）运算放大器等 IC 经过精心设计，可用于实现存在高电平 RF 场的高精度性能。采用此类 IC 可以降低RF 干扰导致的高精度应用误差。
结论
对电子系统来说，工业环境是极其严酷苛刻的。设计人员必须兼顾考虑到高温以及其它损坏与干扰源。这些重任目前大部分由 IC 自身承担，因为它们具有处理极端条件的能力。但是，归根结底，能否最终实现连续多年无故障运行的系统，关键在于设计人员的决策。
管理封闭在气密箱体中的设备的热量并非是唯一的问题。现在我们来看一看设备的电磁 (EM) 环境以及电磁干扰 (EMI)。许多工程师都把 EMI 敏感性看成是由照明或其它电压过载条件导致的破坏，这种观点本来没什么问题。但是，这并非是极端电磁场的唯一引起故障的机制。详见下文。
减轻静电破坏是设计人员必须解决的实际问题。如果线缆（包括电源）进入底板，就会在设备中出现高电压，无论是否是正常工况均如此。电源通常设计有防止出现电压峰值的内在保护。输入级可能还配备用于钳制输入的高速电压监控器，以防出现与过压相关的损坏。但是，当设备是通过电线网络连接，这些连接就会提供一种借助电线的电容储存电荷的方法。在传感器模块（带有源电子器件）和控制器之间配备电线长度达上千英尺的情况并不罕见。
自然界存在能够毁坏设备的现象，如直接雷击。但是，还存在另一种称为交叉冲击 (cross striking) 的更微妙效应。当带有大量电荷的雷暴云砧缓慢飘过长距离布线网络并且在线缆中感应出相反电荷时就会出现这种现象（图 1）。一般情况下，感应电荷被云层中的电荷固定在其位置中。但是，如果另一片带有相反电荷的云朵在附近飘过，就有可能引起两朵云之间网络上空的静电放电（闪电）。
当正上空云朵中的电荷消散后，电线中的感应电荷也必须消散。由于电荷从电线中快速消失，因此在线缆两端会出现极其高的电压。如果不受控制，此类电压有可能破坏位于电线两端的所有设备（图 2）。为了降低这种破坏，需在终端设备的线缆终端配备电弧管或火花隙以及静电放电(ESD)保护二极管，从而提供将电荷引入大地的路径。否则，该路径会经过线缆驱动器或收发器，其很难幸免于难。
如前所诉，其它类型的 EMI 不会直接损坏 IC。相反，其会导致 IC 转移其工作点；或者导致偏移指定限制。许多制造厂现在纷纷在其制造工艺中采用微波加热器或其它射频源。这些大型 RF 场能在 IC 中的各种寄生二极管和有源组件中产生感应电流。如果在设计IC 时缺乏处理这些场的措施，那么内部偏置点就有可能转移，从而改变电路的工作点。
可以在众多对讲电话中观察到一种常见的非工业 EMI 问题。放大器通常容易受到手机等 RF 源的影响。在使用对讲电话通话时，若手机也在附近，则经常会在通话时听到嗡嗡声。蜂窝发射器产生的 RF 能量以寄生方式解调进入放大器链，从而可以通过扬声器发出可听到的声音。
但是，在工业控制应用中，这种现象要严重得多。其经常构成高精度测量中的偏移。其可能造成几度的温度感测误差或者远程传感器的其它测量误差。很多工艺都必须要求极其苛刻的容差。任何偏差都有可能造成生产工艺的灾难性失败，或者起码会造成质量不达标。
为了解决这个问题，设计人员需要采用抗RF (RF-hardened) 组件（切勿与抗辐射 (radiation-hardened)IC混淆）。LMP2021（单通道）与 LMP2022（双通道）运算放大器等 IC 经过精心设计，可用于实现存在高电平 RF 场的高精度性能。采用此类 IC 可以降低RF 干扰导致的高精度应用误差。
结论
对电子系统来说，工业环境是极其严酷苛刻的。设计人员必须兼顾考虑到高温以及其它损坏与干扰源。这些重任目前大部分由 IC 自身承担，因为它们具有处理极端条件的能力。但是，归根结底，能否最终实现连续多年无故障运行的系统，关键在于设计人员的决策。