AN-1187: AD7780在电子秤应用中的辐射抗扰度性能

简介

AD7780是一款包含PGA的低噪声、低功耗、24位Σ-Δ型转换器。AD7780用于低端到中端的电子秤系统。作为发布过程的一部分，测试了电子秤系统的辐射抗扰度。本应用笔记介绍如何实现AD7780的最佳抗辐射性能，在设计印刷电路板(PCB)的过程中考虑了电路板布局和元件放置的影响。根据IEC 61000-4-3标准对整套系统(ADC、PCB和称重传感器)进行了辐射抗扰度测试。

辐射抗扰度

辐射抗扰度测试按照IEC 61000-4-3标准中的说明进行。磁场强度为10 V/m，RF频率从80 MHz扫至1 GHz。根据规范，器件的分类如下：

A类：在制造商、请求者或购买者指定的限制范围内性能正常。
B类：暂时丧失功能或性能暂时降低，这种现象在干扰停止后消失，然后受测设备就会恢复正常性能，无需操作人员介入。
C类：暂时丧失功能或性能暂时降低，需要操作人员介入才能解决此问题。
D类：因为硬件或软件损坏或者数据丢失而导致功能丧失或性能降低，并且无法恢复。

ADC在频率扫描期间持续转换。本应用笔记中通篇提到的误差是指有RF频率和没有RF频率时的ADC转换之间的最大偏差。

要让一套电子秤系统算得上A类，那么存在RF干扰时允许的误差e为

Equation 1.

其中n为电子秤系统的计数次数。

辐射抗扰度测试分析

设置

图1是辐射抗扰度测试所用电路的框图。AD7780配置如下：

输出数据速率 = 10 Hz

增益 = 128

AD7780采用3.3 V电源供电。此电源还用于激励称重传感器。称重传感器采用6线，灵敏度为2 mV/V。有关采用AD7780的电子秤设计的更多详情，请参见Circuits from the Lab®参考电路(CN-0107)。

误差

正如“辐射抗扰度”部分所述，允许的误差e为

Error Equation

其中n为计数次数。误差相当于±0.5次。

本应用笔记中的目标是设计一种次数为3000且归为A类的电子秤系统，并且在实现此目标时称重传感器的激励电压为3.3 V。在灵敏度为2 mV/V且激励电压为3.3 V的情况下，称重传感器的最大信号为6.6 mV。为了使用称重传感器最具线性的部分，常常仅使用此范围的三分之二。这样就将称重传感器的满量程输出电压降到了4.4 mV。/p>

对于3000次的精度，1次为

1次 = 4.4 mV/3000 = 1.46 µV

±0.5次 = +1.46 µV /2 = +0.73 µV

存在RF频率的情况下，误差必须小于±0.73 µV。应用中的称重传感器可接受的最大重量为2 kg，因此误差需要小于±2 kg/(2 × 3000) = ±0.33 g，这样可以确保数字显示屏不受RF干扰的影响。

Figure 1. AD7780 Setup for Testing. — 图1. AD7780的测试设置

印刷电路板

标准AD7780评估板专用于提供最佳的模数转换性能。不过，它没有针对EMC进行优化。例如，标准AD7780评估板包含一些可容许不同电源选项的链路(垂直引脚)，可用于噪声测试连接；这些接头充当着天线的作用。此外，模拟和数字输入端并未针对位置和元件大小(采用0603元件)进行滤波优化。然而，将此评估板用作起点，展开的调查重点突出了EMC造成的不利影响。有关详情，请参见“结果”部分。对接地、元件位置和增加额外滤波进行了全面考察。所有阶段都维持ADC性能。

总而言之，取得以下重要发现

评估板上不应该包含接头选项(垂直引脚)。这些接头充当着天线的作用。因此，用焊接线替代这些接头选项。
印刷电路板应该为4层，模拟输入端和参考输入端埋入内层中。应该使用一个接地层。用地线填充电路板的顶面和底面。此外，也用地线填充内层。应该包含多个通孔，以便最大限度地降低整个电路板的电位差。对于所需通孔的密度，没有硬性规定。在AD7780评估板上，ADC以及模拟和参考输入端的滤波周围有一圈通孔。一般而言，评估板上的任何孤岛也都应该有通孔，通孔数量大于1即可。顶面和底面上的任何走线都应该尽可能短，因为走线也充当着天线的作用。
建议在模拟和参考输入端采用滤波。图1显示了通常对模拟和参考输入端建议的R和C值。这种滤波可在AD7780的采样频率(64 kHz)和多种其他采样频率下提供衰减。AD7780本身不在这些频率条件下提供任何衰减。电容需要尽可能接近AD7780的模拟输入端和参考输入端，这样可以最大限度地减小元件与ADC之间的走线长度。使用物理尺寸较小的元件让用户能够将元件放置得更靠近引脚。布局应该确保从引脚到元件的走线长度很好地匹配。
除了这些滤波器之外，如图1所示在R和L位置增加额外的滤波可以进一步增强抗扰度。此滤波器位于接至称重传感器的连接器上。为实现最佳结果，评估了各种形式的L(L2、L3、L4和L5)和C(C38、C39和C40)值组合。“物料清单”部分列出了最终选择的元件。
电源通过与0.1 µF电容并联的10 µF电容去耦。同样，这些元件应该尽可能靠近AD7780的电源引脚。模拟电源用作称重传感器的激励电压，称重传感器则用作ADC的基准。因此，电源走线也埋入内层中。

Figure 2. Top Side of Standard AD7780 Evaluation Board. — 图2. 标准AD7780评估板的顶面

结果

在调研之后，我们开发了针对抗辐射干扰的优化印刷电路板(见图3)。本应用笔记的“评估板原理图与PCB布局图”部分提供了评估板的原理图和布局图。使用此评估板和物料清单所列的元件时，测得的最大误差超过了e。图4显示了RF频率从80 MHz扫至1 GHz的情况下从AD7780读取的转换。测试期间，对称重传感器施加的重量保持恒定。

Figure 3. Top Side of AD7780 EMC Board. — 图3. AD7780 EMC板的顶面

Figure 4. Error vs. Frequency of AD7780 EMC Board. — 图4. AD7780 EMC板的误差与频率

测得的误差为 1.79 µV, 高于e。这相当于0.81 g。但是，在有RF干扰的情况下，ADC会继续发挥作用，一旦干扰清除就会自动恢复到额定范围内。因此，就辐射抗扰度而言，该电子秤系统为B类。

为了对比，图5显示了测试辐射抗扰度时从标准AD7780评估板读取的转换。在有RF干扰的情况下，此评估板的误差为2101 µV，相当于955 g。

Figure 5. Radiated Immunity of AD7780 Evaluation Board. — 图5. AD7780评估板的辐射抗扰度

这种对比突出了布局、元件选择和元件放置的重要性，妥善考虑这些因素将能实现最佳的辐射抗扰度性能。

为了进一步增强器件的辐射抗扰度，可以在AD7780和辅助元件外装上一层铜制屏蔽罩。这样可将系统提升至A类。

结论

优化电子秤系统辐射抗扰度性能的关键因素是电路板布局以及元件的放置和选择。遵循本应用笔记中介绍的布局做法时，根据IEC 61000-4-3，电子秤系统将为B类。在有RF干扰的情况下，电子秤系统会继续工作，但系统精度会超出额定范围。清除RF干扰后，电子秤系统的精度会自动恢复到额定范围内。利用铜制屏蔽罩可将辐射抗扰度提升至A类。