MAX22190/MAX22192工业数字输入串行器瞬态抗扰度测试指南

MAX22190和MAX22192为符合IEC 61131-2标准的工业数字输入器件。它们的瞬态抗扰度性能在MAX22190评估板和MAX22192EVKIT上通过外部元件得到验证。测试方法和测试设置基于IEC 61000-4-x标准。描述了详细的测试设备、测试设置和测试结果。

介绍

工业产品必须经过广泛的EMC测试，并通过IEC标准的认证。作为IC制造商，Maxim Integrated对我们的元件进行板级测试，以证明其性能水平，并提供指导，以便工程师优化其性能。本应用笔记着眼于瞬态抗扰度标准的三种具体测试，通常称为IEC 61000-4-x，涵盖ESD （-2）、电快速瞬变（EFT）/突发（-4）和浪涌（-5）的测试。讨论板级设计建议，并使用Maxim的MAX22190EVKIT和MAX22192EVKIT给出测试结果。

MAX22190/MAX22192为符合IEC 61131-2标准的工业数字输入器件。它们将8个吸电流工业输入转换为串行SPI兼容输出。MAX22192与MAX22190的不同之处在于，它集成了数字隔离功能（相当于MAX14483），数字隔离功能是MAX22190评估板上的独立IC。

MAX22190和MAX22192设计用于恶劣的工业环境。这些器件可承受 ±1kV 线对地浪涌（最小串联电阻器）以及 ±8kV 接触 ESD 和 ±15kV 气隙 ESD（最小串联电阻器）。

MAX22190的瞬态抗扰度性能在MAX22190评估板通过外部元件验证。MAX22192的瞬态抗扰度性能在MAX22192EVKIT上通过外部元件验证。测试方法和测试设置基于IEC 61000-4标准。以下各节介绍了详细的测试设备、测试设置和测试结果。此报告不应用作合规认证。

IEC 61000-4 测试标准

工业产品经过IEC 61000-4规定的瞬态抗扰度标准测试。验证了ESD （-2）、EFT/突发（-4）和浪涌（-5）的三个主要测试。

抗扰度测试的性能标准

免疫测试的结果通常分为四类，如表1所示。最终应用要求及其容忍瞬态噪声的能力决定了系统是否将特定性能标准视为故障。

表 1.抗扰度测试的性能标准
 

 

标准	描述
性能标准 A	正常运行，无性能下降
性能标准 B	可自行恢复的暂时性能下降（数据丢失/数据错误）
性能标准 C	需要干预的暂时性能下降（设备重置或电源重启）
性能标准 D	无法恢复的功能丧失（设备损坏）

 

Maxim的工业IC通常采用集成功能和外部（板级）元件（如串联脉冲容限电阻、瞬态电压抑制器（TVS）和安全认证的Y型电容）的组合，经受住瞬态抗扰度事件。通常用于工业接口应用的外部保护器件的简化原理图如图1所示。

图1.可选外部保护元件的简化原理图。

IEC 61000-4-2 静电放电测试

静电放电 （ESD） 抗扰度测试直接模拟电子元件上数十纳秒持续时间的放电。使用两种放电方法：接触放电和气隙放电。ESD 测试发生器与“尖点”一起使用，直接连接到被测设备（引脚）进行接触式 ESD 测试（图 2）。在发生器上添加一个“圆形尖端”，并靠近EUT（引脚），以触发气隙ESD测试的火花。

表 2.IEC 61000-4-2 静电测试级别
 

 

水平	接触放电 （kV）	气隙放电 （kV）
1	±2	±2
2	±4	±4
3	±6	±8
4	±8	±15

 

图2.ESD接触放电波形。

IEC 61000-4-4 电子转帐

电气快速瞬变/突发抗扰度测试表明设备或设备在重复的电气快速瞬变和突发期间保持数据完整性的能力，这些瞬变和突发通常发生在开关和继电器中的电弧触点。表 3 中列出了 EFT 测试级别。

输出电压范围高达 ±4kV 且输出阻抗为 50O 的 EFT/浪涌发生器用于生成 IEC 规范定义的电压波形。通常测试两种波形（如图3所示）：5kHz重复频率，突发持续时间为15ms，突发周期为300ms，100kHz重复频率为0.75ms突发持续时间和300ms突发周期。

电容耦合钳位（CCC）能够将EFT发生器的快速瞬变（突发）耦合到MAX22190/MAX22192的输入引脚，无需任何电流连接。被测设备（EUT）在输入低电平（0V）、高电平（24V）或浮动的情况下进行测试，如图4所示。每次EFT测试后，评估板（EV kit）GUI读取EUT的状态（通过SPI接口），以查看EFT瞬态是否造成任何损坏、更改寄存器内容或导致器件复位。

表 3.IEC 61000-4-4 EFT 测试级别
 

 

水平	功率，艾尔特电压峰值 （kV）	信号和控制电压峰值 （kV）
1	±0.5	±0.25
2	±1	±0.5
3	±2	±1
4	±4	±2

 

图3.EFT/突发波形。

图4.EFT 测试设置。

IEC 61000-4-5 浪涌

浪涌抗扰度测试表明设备或设备承受由雷击或开关重负载或短路故障条件引起的工业电涌等事件引起的浪涌的能力。浪涌测试水平列于表4中。

该标准规定了不同的浪涌脉冲曲线，特别是六类测试级别，具体取决于终端设备的安装条件。该等级决定了具有相应电压电平的保护。此外，这还定义了耦合模式（线对线或线对地）和所需的源阻抗（Zs）。适用于工业数字输入的测试等级为3类，适用于非对称操作电路/线路，建议测试电平为线对线±2kV，线对地测试电平为±1kV。有关更多详细信息，请参阅 IEC 61000-4-5 标准。

1.2μs/50μs浪涌脉冲如图5所示。用于电源线和 I/O 端口的浪涌测试具有不同的源阻抗，因此需要不同的 CDN。MAX22190和MAX22192根据I/O端口要求进行测试，其输入浪涌性能通过40O + 0.5μF CDN、高达±1kV线对地和±2kV线对线进行测试。

表 4.IEC 61000-4-5 浪涌测试级别
 

 

水平	测试电压（千伏）
1	±0.5
2	±1
3	±2
4	±4

 

图5.1.2μs/50μs浪涌电压波形。

该标准规定源阻抗为42O，由于外部发生器的内部阻抗为2O，因此使用外部40O电阻与发生器串联，如图6中的简化原理图所示。

图6.浪涌测试设置。

MAX22190评估板和MAX22192评估板说明

MAX22190评估板（和MAX22192EVKIT）提供评估MAX22190（和MAX22192）特性和性能所需的硬件和软件。

MAX22190评估板在评估板上有两个MAX22190器件，一个（U1）配置为1/3类数字输入，另一个（U2）配置为2类输入。“逻辑”域和“现场”域之间的电流隔离使用MAX14483和MAX12931数字隔离器。

MAX22192评估板在评估板上具有MAX22192和MAX22190：MAX22192（U1）配置为1/3类数字输入，MAX22190 （U2）配置为2类输入。逻辑域和现场域之间的电流隔离使用MAX22192中集成的隔离式SPI接口。

MAX22190评估板GUI用于配置MAX22190寄存器，并在测试过程中回读数字输入和故障状态。MAX22190评估板与USB2PMB2转接板配合使用，通过USB端口在PC和MAX22190器件之间进行通信。同样，MAX22192评估板GUI与MAX22192EVKIT一起使用。

为了验证MAX22190/MAX22192的瞬态抗扰度性能，评估板上包含必要的外部保护元件（图7a和7b）。表5列出了两款评估板的区别，图8所示。以下各节将讨论这些项目及其对性能的影响。

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图7a. MAX22190评估板框图

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图7b. MAX22192评估板框图

表 5.MAX22190评估板与MAX22192评估板的比较
 

 

评估套件	JCP	隔离	输入电阻	Y 型电容器	电视	接线端子
MAX22190 评估板	U1 = MAX22190 （1、3型） U2 = MAX22190 （2型）	MAX14483， MAX12931	CMB0207 梅尔夫	3300pF GNDF-PE， 1000pF GNDF-GNDL	SMAJ33A	菲尼克斯电气，1.7mm间隙
MAX22192 评估板	U1 = MAX22192 （类型 1、3） U2 = MAX22190 （2型）	集成在MAX22192中， MAX12931	CRCW2512-HP	3300pF GNDF-PE， 1000pF GNDF-GNDL	SMAJ33A	瓦戈， 2.5毫米间隙

 

图8.MAX22190评估板和MAX22192评估板

输入电阻

在现场输入和MAX22190/MAX22192输入引脚之间至少需要1kO串联电阻，以限制进入器件的浪涌电流。这也设置了从高到低和从低到高的输入电压阈值。对于 1 类和 3 类输入，建议使用 1.5kO 电阻。对于 2 类输入，建议使用 1kO 电阻，两个输入通道并联。

输入电阻必须为耐脉冲类型，以承受浪涌脉冲。两个电阻元件通过MAX22190和MAX22192进行测试和验证。

MAX22190评估板上
的CMB0207 MELF电阻 该电阻用于MAX22190评估板。它可以承受±1kV线对地浪涌和±8kV接触ESD。然而，当对输入施加±15kV气隙ESD时，在两个电阻焊盘上观察到电弧。这是因为PCB上两个电阻焊盘之间的间隙太小，无法防止电弧。在±15kV气隙ESD测试期间，我们从焊盘上取下电阻，使用连接到MAX22190输入端的焊盘垂直于PCB安装CMB0207，并将ESD直接施加到电阻上。通过此修改，该板通过了±15kV气隙ESD。
在设计耐脉冲电阻器时，应注意在PCB上的电阻焊盘之间保持足够大的间隙，以防止电弧放电。

MAX22192评估板上的CRCW2512-HP厚膜电阻 MAX22192评估板在输入端采用CRCW2512-HP厚膜电阻。它们具有比 CMB0207 型更大的封装，允许该板通过 ±1kV 线对地浪涌、±8kV 接触 ESD 和 ±15kV 气隙 ESD。

安全等级 Y 型电容器

评估板上提供接地连接，以验证线对地瞬态抗扰度性能。需要在现场接地 （GNDF） 和接地 （PE） 之间安装安全等级的 Y 电容器，以达到最佳的 ESD 和 EFT 性能。Y电容值可根据应用进行调整。默认情况下，MAX22190EVKIT和MAX22192评估板上安装3300pF电容。

MAX22190评估板在现场接地和逻辑接地（GNDL）之间具有板载电流隔离。MAX14483和MAX12931数字隔离器具有基本绝缘额定值。如果在场接地和逻辑接地之间施加ESD或EFT，则需要在场接地和逻辑地之间使用安全等级的Y型电容。Y电容值可根据应用进行调整。默认情况下，这些评估板上安装一个1000pF电容。

MAX22192EVKIT在现场接地和逻辑地之间集成了电气隔离（具有基本绝缘额定值）。如果在场接地和逻辑接地之间施加ESD或EFT，则需要在场接地和逻辑地之间使用安全等级的Y型电容。- 电容值可根据应用进行调整。默认情况下，这些评估板上安装一个1000pF电容。

VDD24 上的 TVS 二极管

MAX22190/MAX22192 VDD24引脚没有集成浪涌保护功能，因此需要TVS二极管来保护VDD24引脚免受ESD、EFT和浪涌的影响。由于VDD24引脚的绝对最大值为+70V，因此可以根据不同的浪涌串联电阻选择较小的TVS二极管。对于 42O 浪涌阻抗，建议使用 SMAJ33A，对于 2O 浪涌阻抗，建议使用 SM30T39AY。

也可以在 VDD24 引脚上实现一个小串联电阻器，以进一步限制进入 VDD24 引脚的浪涌电流。评估板内置150O耐脉冲串联电阻。该值可以根据应用进行调整。选择电阻值时应注意电阻两端的压降不会触发VDD24进入UVLO。该电阻器必须是耐脉冲型，才能承受浪涌脉冲。

输入接线端子

MAX22190评估板有3.5mm间距接线端子用作现场输入。在±15kV气隙ESD期间，在现场输入引脚和相邻现场接地引脚之间观察到电弧 马克西姆集成 第 12 页，共 17 页 测试。这是由于该接线端子上的两个相邻引脚（输入和现场接地）之间的间隙（1.7mm）不足。在MAX22192EVKIT中，使用更大间距的接线端子解决了这个问题，间隙增加到2.5mm。

测试方法和结果

用于测试MAX22190EVKIT和MAX22192EVKIT的设备见表6，测试台架设置的图片如图9所示。

表 6.用于瞬态抗扰度测试的设备
 

 

设备	描述	测试 （S）
MAX22190评估板或MAX22192评估板	被测设备操作	都
静电放电测试生成器	Teseq NSG438 带气隙排放头 403-826®	接触式静电放电和气隙静电放电
EFT/浪涌发生器	海菲利科技ECOMPACT4和Teseq NSG 3040A®	电子转帐和浪涌
信号和数据线耦合网络	Teseq CDN 117	激
具有 0.5μF 电容器的耦合器	INA 174A	激
电容耦合钳	Teseq CDN 3425	DF5

 

测试设置和结果

MAX22190评估板通过VDD24测试点由外部24V电源供电。C38 装有 3300pF Y 电容器。C39 装有 1000pF Y 型电容器。

USB2PMB2（或USB2GPIO）连接到连接器X1，逻辑侧由USB2PMB2（或USB2GPIO）产生的3.3V供电，USB2PMB2由PC上USB端口上的5V电源供电。MAX22190评估板GUI（或MAX22192评估板GUI）用于配置器件并读写所有寄存器。

U1 和 U2 均配置为 SPI 模式 0，即独立的从机模式。所有跳线均处于默认位置，如MAX22910EVKIT和MAX22912EVKIT数据资料所示。上电复位（POR）位在每次测试前被清除。每次测试后都会验证寄存器内容和基本设备功能。

图10至图12所示为被测MAX22190EVKIT的图像。使用MAX22192EVKIT进行相同的测试。请参阅表 7 中的 ESD 测试结果。

图 10.MAX22190评估板待测

IEC 61000-4-2

测试等级：±8kV接触放电，±15kV气隙放电。

输入条件：输入浮动，输入低电平（0V），输入高电平（24V）。

1Hz的ESD脉冲在正极性和负极性下均施加10次。

MAX22190EVKIT串联电阻垂直安装以防止电弧 MAX22190EVKIT串联电阻垂直安装，防止PCB上两个电阻焊盘上发生电弧。

表 7.MAX22190评估板和MAX22192评估板ESD测试结果
 

 

静电放电测试	测试条件	配置	水平	观察
接触放电	线对场接地	R在= 1kO 或 1.5kO	±8kV	消除干扰后正常运行;无需设备重置或注册内容更改
	线到逻辑接地	R在= 1kO 或 1.5kO，1000pF Y 电容，介于 GNDF 和 GNDL 之间	±8kV	消除干扰后正常运行;无需设备重置或注册内容更改
	线对地	R在= 1kO 或 1.5kO， GNDF 和大地之间的 3300pF Y 电容	±8kV	消除干扰后正常运行;无需设备重置或注册内容更改
	VDD24 到现场接地	带TVS和150O串联电阻器	±8kV	消除干扰后正常运行;无需设备重置或注册内容更改
	VDD24 至逻辑接地	带TVS和150O串联电阻器，在GNDF和GNDL之间使用1000pF Y电容	±8kV	消除干扰后正常运行;无需设备重置或注册内容更改
气隙放电	线对场接地	R在= 1kO 或 1.5kO	±15kV	消除干扰后正常运行;无需设备重置或注册内容更改
	线到逻辑接地	R在= 1kO 或 1.5kO，1000pF Y 电容，介于 GNDF 和 GNDL 之间	±15kV	消除干扰后正常运行;无需设备重置或注册内容更改
	线对地	R在= 1kO 或 1.5kO， GNDF 和大地之间的 3300pF Y 电容	±15kV	消除干扰后正常运行;无需设备重置或注册内容更改
	VDD24 到现场接地	带TVS和150O串联电阻器	±15kV	消除干扰后正常运行;无需设备重置或注册内容更改
	VDD24 至逻辑接地	带TVS和150O串联电阻器，在GNDF和GNDL之间使用1000pF Y电容	±15kV	消除干扰后正常运行;无需设备重置或注册内容更改

 

总之，MAX22190和MAX22192均符合ESD测试的性能标准B。

IEC 61000-4-4

测试电平：高达±4kV。

输入条件：输入浮动，输入低电平（0V），输入高电平（24V）。

两个 EFT 频率：5kHz 和 15ms 突发时间，100kHz 和 0.75ms 突发时间。

EFT/突发应用一分钟，同时连续监控输入数据寄存器，包括正极性和负极性。

现场输入和现场接地均耦合在电容钳内，然后连接到输入接线端子。

总之，MAX22190和MAX22192均符合表8所列EFT测试的性能标准A。

表 8.MAX22190评估板和MAX22192评估板EFT测试结果
 

 

测试条件	配置	水平	观察
输入线	R在= 1kO 或 1.5kO，GNDF 和大地之间的 3300pF Y 电容	±4kV	正常运行，无干扰
VDD24 线	带TVS和150O串联电阻器，在GNDF和大地之间使用3300pF Y电容	±4kV	正常运行，无干扰

 

IEC 61000-4-5

测试电平：线路对地高达±1kV，线路对线最高±2kV（两个输入仅浮动）。

输入条件：输入浮动，输入低电平（0V），输入高电平（24V）。 马克西姆集成 第 17 页，共 17 页

浪涌脉冲以10秒的间隔施加10次，包括正极性和负极性。

CDN：40O + 0.5μF

总之，MAX22190和MAX22192均符合输入引脚浪涌性能标准B和VDD24电源浪涌性能标准C，如表9所示。

表 9.MAX22190评估板和MAX22192评估板浪涌测试结果
 

 

测试条件	配置	水平	观察
线对线	R在= 1kO 或 1.5kO	±2kV	消除干扰后正常运行;无需设备重置或注册内容更改
线对场接地	R在= 1kO 或 1.5kO	±1kV	消除干扰后正常运行;无需设备重置或注册内容更改
线到逻辑接地	R在= 1kO 或 1.5kO，1000pF Y 电容，介于 GNDF 和 GNDL 之间	±1kV	消除干扰后正常运行;无需设备重置或注册内容更改
线对地	R在= 1kO 或 1.5kO，GNDF 和大地之间的 3300pF Y 电容	±1kV	消除干扰后正常运行;无需设备重置或注册内容更改
VDD24 到现场接地	带TVS二极管和150O串联电阻器	±1kV	浪涌后设备复位;POR由浪涌触发
VDD24 至逻辑接地	带TVS二极管和150O串联电阻器，在GNDF和GNDL之间使用1000pF Y电容	±1kV	消除干扰后正常运行;无需设备重置或注册内容更改

 

总结

MAX22190和MAX22192在Maxim实验室使用MAX22190评估板和MAX22192EVKIT根据IEC 61000-4测试进行ESD （-2）、EFT/突发（-4）和浪涌（-5）测试。通过遵循推荐的外部元件和评估板PCB布局指南，器件通过ESD 4级（±8kV接触和±15kV气隙）达到性能标准B，EFT 4级（±4kV I/O接地）达到性能标准A，浪涌2级（±1kV线对地，42O耦合）达到性能标准B。这为工程师提供了设计其设备以通过合规认证的指南。

审核编辑：郭婷