解决电源的系统性故障—第二部分：提高电磁抗扰度
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关键要点
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摘要
在安全相关系统中，电磁抗扰度是电源的一项关键要求。一旦电磁干扰影响到安全功能，就可能引发危险失效。为了确保系统在恶劣电磁环境下可靠运行，IEC 61508、IEC 61000-1-2和IEC 61326-3-1等功能安全标准和相关电磁兼容性(EMC)标准，均要求更高的抗扰等级、更严格的测试裕度，以及稳健的设计方案。铁氧体磁珠、RC缓冲电路、瞬变电压抑制器(TVS)和金属氧化物压敏电阻(MOV)等传统分立元件能提供基础保护，但在应对高能浪涌、严格电压容差和日益复杂的系统时，往往难以胜任。针对上述挑战，ADI公司推出了先进的集成解决方案，包括浪涌抑制器、理想二极管控制器、电子保险丝和高边驱动器，可显著提高电磁抗扰度，并简化功能安全合规设计。
引言
电源是电气路径的第一个模块，是高噪声电网与敏感电子器件之间的主要接口，因此对电磁兼容性(EMC)有严苛要求。作为第一级电路，电源既是最大的噪声源，也是抵御外部干扰的第一道屏障。表1列出了与电源相关的EMC标准示例，涵盖电磁干扰(EMI)标准以及聚焦抗干扰能力的电磁敏感度(EMS)标准。
| 标准参考编号 | 说明 |
| EN 55032和EN 55011 | 电源产生的传导与辐射EMI |
| IEC/EN 61000-3-2 | 对可能从输入线路拾取的谐波电流的限制 |
| IEC/EN 61000-3-3 | 对电源可能引起线路输入电压波动的限制 |
| IEC/EN 61000-4-2 | 静电放电抗扰度 |
| IEC/EN 61000-4-3 | 辐射射频抗扰度 |
| IEC/EN 61000-4-4 | 输入线路快速瞬变电压抗扰度 |
| IEC/EN 61000-4-5 | 输入线路雷击浪涌抗扰度 |
| IEC/EN 61000-4-6 | 传导射频抗扰度 |
| IEC/EN 61000-4-8 | 工频磁场抗扰度 |
EMC包含EMI和EMS两部分。电磁敏感度(EMS)又称为电磁抗扰度，对功能安全至关重要。如果安全相关系统(SRS)抗电磁干扰能力薄弱，那么在需要执行安全功能时可能失效，进而引发危险失效。为此，基础功能安全标准IEC 615083针对电磁抗扰度给出了 指导和要求。
IEC 61508对电磁抗扰度有何规定？
基础功能安全标准IEC 61508将电磁干扰列为SRS必须耐受的环境应力之一。无论安全完整性等级(SIL)如何，系统都必须采取措施提升EMI抗扰能力。根据SIL的不同，有效性等级要求从低到高不等。低有效性等级可能意味着在电源或关键端口实施噪声滤波，以及采用屏蔽措施；而高有效性可能意味着使用滤波器来抵御最恶劣的EMI3,4。
功能安全如何影响电磁抗扰度要求？
IEC 61508对应的EMC要求如表2所示。电磁抗扰度限值和安全裕度引用了IEC 61000-1-2和IEC 61326-3-1标准3,4。
| IEC 61508 | 说明 |
| 第2部分第7.2.3.3条 第f项 | 设计要求应规定所需电磁抗扰度等级详情 |
| 第2部分第7.3.2.2条 第f项 | 验证计划应考虑适用的电磁抗扰度性能判据 |
| 第2部分附录A表 A.16和A.18 | 无论SIL如何，都必须采取电磁干扰防护措施，且防护有效性应达到相应等级 |
| 第2部分第E.1条 第m和n项 | 安全功能测试要求，包括带或不带附加安全裕度的集成电路 |
值得注意的是，IEC 61000-1-25提供了结合EMC实现SRS功能安全的方法，并给出了若干示例，说明如何在基本标准要求的基础上提高测试严酷度。该措施用于在较高SIL要求下，提升其抗电磁干扰能力的置信水平。与此同时，IEC 61326-3-1,6作为针对工业应用中测量、控制和实验室用电气设备的EMC标准，也规定了SRS的抗扰度要求。该标准涵盖了外壳端口、交直流输入输出端口以及输入/输出控制端口，并表明更高的SIL等级会使某些测试参数的严酷度相对于基本标准按相应系数提高。此外，这两项标准都规定了采用性能判据DS6来界定安全相关功能和非安全相 关功能的工作要求，区别于EMC标准中常见的A、B、C性能判据体系4-7。
满足功能安全合规后，SRS需要遵循更严苛的EMC要求，以提高抗电磁干扰能力，并确保安全功能按需或按设计正常工作。此外，SRS在高强度应力下未必立即失效，但可靠性可能受损，导致寿命缩短，进而不再满足安全分析阶段的可靠性假设。因此，采用各种技术保护下游元件免受电磁干扰影响，已成为行业通用设计规范。
使用多种方案提高电磁抗扰度
提高抗电磁干扰能力的方式有多种。表3列出了一些外部分立解决方案示例及其作用。
| 解决方案 | 优点 | 缺点 |
| 铁氧体磁珠 | 在自谐振频率以下使用时，可衰减高频干扰和快速电压尖峰。 | 能量吸收能力有限；若在自谐振频率附近或以上工作，或未与电容搭配使用，可能产生不良谐振。 |
| RC 缓冲电路 | 低成本阻尼元件，通过减缓边沿速率和耗散能量来减少振铃。 | 会造成信号损耗和功耗增加，因而不适用于高速或大电流路径。 |
| 电压抑制器 | 可快速、精准地箝位低压快速瞬变，非常适合保护敏感电子器件。 | 受外形尺寸限制，浪涌能量耐受能力有限；结电容较大，可能影响高速系统。 |
| 压敏电阻 | 可高效吸收高能浪涌，并在宽电压范围内提供广泛的箝位能力。 | 击穿电压附近漏电流较大，且会增加较大电容，因此在高速设计中需要去耦或增加额外电路。 |
瞬变电压抑制器(TVS)二极管是应用最广泛的分立浪涌保护器件之一。TVS二极管通常与受保护负载并联，用于箝位过压尖峰并耗散瞬态能量（图1a）。该器件正常工作时保持非导通状态，但当瞬时高能瞬变导致其两端电压超过击穿电压(VBR)时，器件发生雪崩，迅速将浪涌电流分流到地，将电压限制在规定箝位电平(VC)，从而保护下游电路（图1b）8。
浪涌消退、线路电压回落至击穿阈值以下后，TVS二极管会迅速回到高阻抗状态，电路恢复正常工作。这种可逆特性使TVS二极管能有效保护敏感电子器件，抵御静电放电(ESD)、雷电感应瞬变和开关浪涌9。不过，此方案存在缺陷：箝位动作可能会使交流信号产生较大的直流分量，该分量可轻易通过后续各级交流滤波电路。
若负载的最大电压额定值使得难以选择合适的TVS二极管（尤其在系统级残余浪涌电压仍较高时），可添加浪涌抑制器作为次级串联钳位电路，将输出调节至更安全的电压水平（图2）。该方案能够防止TVS二极管和下游元件在高能浪涌事件期间承受过大应力，从而提升系统稳健性。采用两级保护方案将浪涌能量吸收功能与精准限压功能分开，可实现更稳健、更可靠的解决方案，非常适合满足IEC浪涌抗扰度要求。
利用集成解决方案优化电磁抗扰度性能
随着EMC和功能安全要求日益严苛，仅依靠分立保护元件已难以在强电磁应力下保证系统行为的可预测性。高能浪涌、严苛电压裕量和系统复杂性的增加，都暴露了被动解决方案的局限，具体体现在残余电压较高、能量耗散不可控、元件数量持续增多等方面。针对上述挑战，需要采用超越被动箝位的保护技术。ADI公司提供了一系列集成电源保护解决方案，可在异常状况下主动管理电压、电流和功率，显著提高系统的电磁抗扰度，同时简化系统设计，如图3所示。
理想二极管控制器
标准肖特基二极管ORing方案会带来较大的正向压降且发热严重，但更关键的是电源切换过程中会产生大瞬态电流，从而引发传导EMI干扰。 LTC4359等理想二极管控制器采用低损耗MOSFET控制替代传统二极管，通过调节MOSFET两端的低正向压降，确保电流无振荡地平稳传输。当电源失效或输入短路时，高速下拉电路会有效抑制反向电流瞬变，防止噪声回传至电源总线。
浪涌抑制器
传统TVS保护方案会将能量分流到地，往往残余电压很高，导致下游必须使用非常大的滤波器。LT4356和LTC4364等浪涌抑制器则主动调节下游电压，原理完全不同。在过压事件期间，这些器件控制串联MOSFET以限制输出电压和电流，从而显著降低敏感负载上的残余浪涌应力。在电压尖峰期间，这些器件驱动串联MOSFET将输出电压限制在一个安全的预定义电平。这样便可抑制常会通过被动箝位电路泄漏的残余浪涌，无需尺寸过大的下游滤波器即可轻松满足浪涌抗扰度要求。
集成电子保险丝
LTC4368和MAX17617/MAX17617A等电子保险丝(eFuse)将可编程限流、受控冲击、热保护、过压和欠压保护以及故障报告功能集成于单一器件中。这类电子保险丝通过主动控制启动行为，并限制过载或短路时的故障电流，降低电压跌落幅度，抑制电流瞬变，防止故障引起的干扰传播至电源总线。
高边驱动器
LTC700x系列高边栅极驱动器面向高电压和大电流电源领域，可稳健地控制外部N沟道MOSFET。该系列器件具备快速故障响应、宽工作电压范围、精密栅极控制等特性，可实现干净利落的导通与关断行为，同时限制冲击电流和故障引起的瞬变。搭配电流检测电路或上游保护器件后，LTC7000x可构成灵活且可扩展的配电管理解决方案。
结论
随着电磁干扰水平持续上升、功能安全要求日趋严格，电源必须采用超越基础分立元件的保护方案。集成电源路径控制、主动浪涌调节和可编程故障管理，可让系统在EMC测试条件下表现出更可预测的行为和更高的稳健性。ADI公司提供了浪涌抑制器、理想二极管控制器、电子保险丝和高边驱动器等产品组合，为安全相关系统带来成熟的电磁抗扰度性能增强解决方案。
参考文献
1"Guide to EMC Standards for Power Supplies." TDK-Lambdas Americas, March 2025.
2"IEC/EN61000 Standards for Power Supplies." Advanced Energy, 2019.
3"IEC 61508-2. Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-Related Systems—Part 2: Requirements for Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-Related Systems." International Electrotechnical Commission, April 2010.
4"Functional Safety and EMI." exida, 2018.
5"IEC 61000-1-2. Electromagnetic Compatibility (EMC)—Part 1-2: General—Methodology for the Achievement of Functional Safety of Electrical and Electronic Systems Including Equipment with Regard to Electromagnetic Phenomena." International Electrotechnical Commission, April 2016.
6"IEC 61326-3-1. Electrical Equipment for Measurement, Control and Laboratory Use—EMC Requirements—Part 3-1: Immunity Requirements for Safety-Related Systems and for Equipment Intended to Perform Safety-Related Functions (Functional Safety)—General Industrial Applications." International Electrotechnical Commission, May 2017.
7"IEEE Standard for Techniques and Measures to Manage Functional Safety and Other Risks with Regard to Electromagnetic Disturbances." IEEE, April 2021.
8"EMI防护实践要点”，ADI公司，2002年8月。
9Vikky K. "How to Select a TVS Diode to Suppress Transients in Electrical Circuits?" Embedded Hardware Design, December 2024.
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