如何使用纳米功率EMI耐受型运算放大器改善IoT设计

物联网（IoT）应用的设计者主要关注两点：管理电源，最大限度地延长电池寿命；确保可靠的操作，防止各种电磁干扰（EMI）。物联网革命将引领数十亿电池和线路供电连接设备的部设，其中包括许多无线设备。所有这些设备都在争夺同一频率频谱。这将产生越来越嘈杂的环境，其中电磁波从多个辐射源产生辐射。

自从引入无线设备以来，电磁信号干扰已成为共享未许可频谱的一个问题，操作中的设备数量增加时，问题的重要性也随之增加。诸如烟雾探测器、有毒气体传感器和PIR传感器等具有无线能力的终端设备由于它们之间的相互作用，需要进行额外的辐射EMI测试，如图1所示。

创建无线感测节点的竞争为EMI测试带来了一定程度的复杂性。系统设计人员需要仔细甄选部件来避免重新设计的昂贵成本，因为这可能在产品开发的最后阶段延迟上市时间。除在噪声条件下工作，电池供电的连接设备还需要在不更换电池的情况下，安全可靠地运行数年。物联网设备的电池寿命变化很大，从几小时到几年不等，具体取决于应用和其运行环境。这些IoT设备的设计人员必须选择极低电流消耗的组件，以延长工作寿命并提供EMI抗扰性。

TI的LPV811系列纳米功率放大器消耗低至320nA的静态电流，以最大限度延长电池寿命，并且内部免受EMI干扰。然而，这些设备并不包括在许多最近发布的运算放大器上所看到的全输入EMI滤波器。我们这样做是有原因的，因为添加输入EMI滤波器大大增加了输入电容，这可能导致具有大反馈电阻值和源阻抗的亚微安电路中的峰值。相反，我们在LPV801、LPV802、LPV811和LPV812的布局和内部设计中采用了内部（专有）预防措施，使其尽可能对抗EMI。

为了验证我们内置的EMI缓和技术的有效性，我们对比了LPV802和两款市场上流行的不具备内部EMI保护的其他品牌同类设备。在所有环境下，使用LPV802的电路表现出比使用同类设备电路更好的EMI抗扰性。我们根据IEC 61000-4-3（电磁兼容性（EMC）——辐射测试条件）测试了所有三款设备的EMI耐受性。我们在80MHz至6GHz频率下将被测设备（DUT）置于校准的射频（RF）范围，同时根据IEC 61000-4-3 EMC辐射规范监测DUT的故障。为了对比这三个设备，我们在相同的电路中同时将三个设备暴露于相同的EMC辐射中，并监测其输出偏差。此外，为了测量常见EMI滤波技术的有效性，我们测试了两组电路板。一组电路板增加了外部输入EMI电容器，另一组电路板未装设EMI电容器。

图2所示为在标准62mil、双层FR4电路板上构建的测试板，其两侧带有接地层，以测试EMI性能。四针连接器可快速更换电路板。插接传感器引脚可更容易地移除传感器。

图2：带传感器的测试板

图3所示为测试装置。有四个测试板测试EMI性能。三个测试板具有相同电路，其上安装有不同的运算放大器。另外一个测试板以接地参考配置构建，但未在测试中使用。我们将四个测试板中的每一个通过1m长的四个导体屏蔽电缆连接到中心电池盒（2个AA电池），电缆两端都有EMI扼流圈。我们通过15米长的UTP CAT-5电缆将电池盒连接到控制室，并使用适当的EMI扼流圈，以将输出电压供给记录系统。带有锥体的两个白盒为场传感器，用于在测试期间监控电场。

图3：IEC61000-4-3 EMC辐射测试的测试设置

图4所示为IEC 61000-4-3规定的测试结果之一。在30V / m辐射水平，两个同类设备在140MHz时开始减弱，而LPV802保持到100MHz。一般来说，使用LPV802的电路其EMI性能优于使用其他品牌同类设备的电路，在针对不同辐射水平下进行的所有规定测试都是这样，特别是在100-200MHz范围内进行的测试。所有设备大多不受上频率（> 400MHz）的影响。有关测试条件和结果的详细信息，请参阅应用注释“在气体传感器应用中对比LPV802与其他设备的EMI性能”。

图4：使用电容器进行30V / m测试的结果

添加外部EMI输入电容也有助于整体性能。我们建议在正常设计过程中将其添加。EMI保护不能完全消除EMI的影响，但它确实有助于降低影响。

添加外滤可进一步降低影响。即使使用受EMI保护的设备，我们仍建议进行外部滤波。

使用诸如消耗纳米安培静态电流及抗EMI的LPV801、LPV802、LPV811和LPV812的部件，可以帮助设计人员构建具有更长电池寿命并符合全球EMI规定的系统。这有助于降低维护成本，加快上市时间。也无需担心在产品开发最后阶段EMI出现故障而耗费巨资进行重新设计。

作者：Amritraj Khattoi，TI-德州仪器