AD7780 在電子秤應用中的輻射抗擾度性能

簡介

AD7780是一款包含PGA的低噪聲、低功耗、24位∑-△型轉(zhuǎn)換器。AD7780用于低端到中端的電子秤系統(tǒng)。作為發(fā)布過程的一部分，測試了電子秤系統(tǒng)的輻射抗擾度。本應用筆記介紹如何實現(xiàn)AD7780的最佳抗輻射性能，在設計印刷電路板(PCB)的過程中考慮了電路板布局和元件放置的影響。根據(jù)IEC 61000-4-3標準對整套系統(tǒng)(ADC、PCB和稱重傳感器)進行了輻射抗擾度測試。

輻射抗擾度

輻射抗擾度測試按照IEC 61000-4-3標準中的說明進行。磁場強度為10 V/m，RF頻率從80 MHz掃至1 GHz。根據(jù)規(guī)范，器件的分類如下：

● A類：在制造商、請求者或購買者指定的限制范圍內(nèi)性能正常。

● B類：暫時喪失功能或性能暫時降低，這種現(xiàn)象在干擾停止后消失，然后受測設備就會恢復正常性能，無需操作人員介入。

● C類：暫時喪失功能或性能暫時降低，需要操作人員介入才能解決此問題。

● D類：因為硬件或軟件損壞或者數(shù)據(jù)丟失而導致功能喪失或性能降低，并且無法恢復。

ADC在頻率掃描期間持續(xù)轉(zhuǎn)換。本應用筆記中通篇提到的誤差是指有RF頻率和沒有RF頻率時的ADC轉(zhuǎn)換之間的最大偏差。

要讓一套電子秤系統(tǒng)算得上A類，那么存在RF干擾時允許的誤差e為

輻射抗擾度測試分析

設置

圖1是輻射抗擾度測試所用電路的框圖。AD7780配置如下：

輸出數(shù)據(jù)速率 = 10 Hz

增益 = 128

AD7780采用3.3 V電源供電。此電源還用于激勵稱重傳感器。稱重傳感器采用6線，靈敏度為2 mV/V。

誤差

正如“輻射抗擾度”部分所述，允許的誤差e為

±滿量程輸出/2n

其中n為計數(shù)次數(shù)。誤差相當于±0.5次。

本應用筆記中的目標是設計一種次數(shù)為3000且歸為A類的電子秤系統(tǒng)，并且在實現(xiàn)此目標時稱重傳感器的激勵電壓為3.3 V。在靈敏度為2 mV/V且激勵電壓為3.3 V的情況下，稱重傳感器的最大信號為6.6 mV。為了使用稱重傳感器最具線性的部分，常常僅使用此范圍的三分之二。這樣就將稱重傳感器的滿量程輸出電壓降到了4.4 mV。

對于3000次的精度，1次為

1次 = 4.4 mV/3000 = 1.46 μV

±0.5次 = ±1.46 μV/2 = ±0.73 μV

存在RF頻率的情況下，誤差必須小于±0.73 μV。應用中的稱重傳感器可接受的最大重量為2 kg，因此誤差需要小于±2 kg/(2 × 3000) = ±0.33 g，這樣可以確保數(shù)字顯示屏不受RF干擾的影響。

圖1. AD7780的測試設置

印刷電路板

標準AD7780評估板專用于提供最佳的模數(shù)轉(zhuǎn)換性能。不過，它沒有針對EMC進行優(yōu)化。例如，標準AD7780評估板包含一些可容許不同電源選項的鏈路(垂直引腳)，可用于噪聲測試連接;這些接頭充當著天線的作用。此外，模擬和數(shù)字輸入端并未針對位置和元件大小(采用0603元件)進行濾波優(yōu)化。然而，將此評估板用作起點，展開的調(diào)查重點突出了EMC造成的不利影響。有關詳情，請參見“結(jié)果”部分。對接地、元件位置和增加額外濾波進行了全面考察。所有階段都維持ADC性能。

總而言之，取得以下重要發(fā)現(xiàn)

●評估板上不應該包含接頭選項(垂直引腳)。這些接頭充當著天線的作用。因此，用焊接線替代這些接頭選項。

●印刷電路板應該為4層，模擬輸入端和參考輸入端埋入內(nèi)層中。應該使用一個接地層。用地線填充電路板的頂面和底面。此外，也用地線填充內(nèi)層。應該包含多個通孔，以便最大限度地降低整個電路板的電位差。對于所需通孔的密度，沒有硬性規(guī)定。在AD7780評估板上，ADC以及模擬和參考輸入端的濾波周圍有一圈通孔。一般而言，評估板上的任何孤島也都應該有通孔，通孔數(shù)量大于1即可。頂面和底面上的任何走線都應該盡可能短，因為走線也充當著天線的作用。

●建議在模擬和參考輸入端采用濾波。圖1顯示了通常對模擬和參考輸入端建議的R和C值。這種濾波可在AD7780的采樣頻率(64 kHz)和多種其他采樣頻率下提供衰減。AD7780本身不在這些頻率條件下提供任何衰減。電容需要盡可能接近AD7780的模擬輸入端和參考輸入端，這樣可以最大限度地減小元件與ADC之間的走線長度。使用物理尺寸較小的元件讓用戶能夠?qū)⒃胖玫酶拷_。布局應該確保從引腳到元件的走線長度很好地匹配。

●除了這些濾波器之外，如圖1所示在R和L位置增加額外的濾波可以進一步增強抗擾度。此濾波器位于接至稱重傳感器的連接器上。為實現(xiàn)最佳結(jié)果，評估了各種形式的L(L2、L3、L4和L5)和C(C38、C39和C40)值組合。“物料清單”部分列出了最終選擇的元件。

●電源通過與0.1 μF電容并聯(lián)的10 μF電容去耦。同樣，這些元件應該盡可能靠近AD7780的電源引腳。模擬電源用作稱重傳感器的激勵電壓，稱重傳感器則用作ADC的基準。因此，電源走線也埋入內(nèi)層中。

圖2. 標準AD7780評估板的頂面

圖3. AD7780 EMC板的頂面

結(jié)果

在調(diào)研之后，我們開發(fā)了針對抗輻射干擾的優(yōu)化印刷電路板(見圖3)。本應用筆記的“評估板原理圖與PCB布局圖”部分提供了評估板的原理圖和布局圖。使用此評估板和物料清單所列的元件時，測得的最大誤差超過了e。圖4顯示了RF頻率從80 MHz掃至1 GHz的情況下從AD7780讀取的轉(zhuǎn)換。測試期間，對稱重傳感器施加的重量保持恒定。

測得的誤差為1.79 μV，高于e。這相當于0.81 g。但是，在有RF干擾的情況下，ADC會繼續(xù)發(fā)揮作用，一旦干擾清除就會自動恢復到額定范圍內(nèi)。因此，就輻射抗擾度而言，該電子秤系統(tǒng)為B類。

圖4. AD7780 EMC板的誤差與頻率

為了對比，圖5顯示了測試輻射抗擾度時從標準AD7780評估板讀取的轉(zhuǎn)換。在有RF干擾的情況下，此評估板的誤差為2101 μV，相當于955 g。

圖5. AD7780評估板的輻射抗擾度

這種對比突出了布局、元件選擇和元件放置的重要性，妥善考慮這些因素將能實現(xiàn)最佳的輻射抗擾度性能。

為了進一步增強器件的輻射抗擾度，可以在AD7780和輔助元件外裝上一層銅制屏蔽罩。這樣可將系統(tǒng)提升至A類。

結(jié)論

優(yōu)化電子秤系統(tǒng)輻射抗擾度性能的關鍵因素是電路板布局以及元件的放置和選擇。遵循本應用筆記中介紹的布局做法時，根據(jù)IEC 61000-4-3，電子秤系統(tǒng)將為B類。在有RF干擾的情況下，電子秤系統(tǒng)會繼續(xù)工作，但系統(tǒng)精度會超出額定范圍。清除RF干擾后，電子秤系統(tǒng)的精度會自動恢復到額定范圍內(nèi)。利用銅制屏蔽罩可將輻射抗擾度提升至A類。