如何在工业系统中利用隔离技术提升 ESD、EFT 及浪涌抗扰度？

        工业设备需在恶劣电磁环境中保持可靠运行。连接设备输入/输出的线缆易耦合各种干扰噪声。以电机附近线缆为例，会耦合高压高频的电气快速瞬变脉冲；雷击引发的浪涌可通过电感耦合影响长距离线缆，或经电源实现间接耦合。

        操作或维护期间，连接器与裸露部件在人员接触时可能引发静电放电。工业设备必须具备承受此类干扰并维持正常工作的能力。实现良好电磁兼容性时，隔离系统与非隔离系统的设计范式存在本质差异。本文重点阐述如何通过隔离技术增强系统对ESD、EFT及浪涌的抗扰度，通过精细化设计可实现性能提升与系统成本优化的双重目标。

        隔离系统与非隔离系统在实现良好电磁兼容性（EMC）方面存在差异。本文将探讨如何利用隔离技术提升系统对静电放电（ESD）、电快速瞬变脉冲群（EFT）及浪涌的抗扰度。通过精心设计，不仅能提升系统性能，还可降低整体成本。

电磁兼容（EMC）测试中的电压与电流：非隔离系统

        图 1 展示了非隔离系统的框图，并标注了由 ESD、EFT 或浪涌瞬变产生的电压和电流。在非隔离系统中，所有电路（包括任何瞬态保护器件）均连接至保护接地（PE）。现代瞬态电压抑制器（TVS）因具有低电容特性，是高速数据传输场景的优选保护元件——这一特性使其能够设计到多节点网络的每个节点中，且无需降低数据速率。

               图1：非隔离系统中瞬态抗扰度测试期间的电压与电流

         TVS二极管凭借皮秒级响应时间和数千瓦的功率容量，为ESD、群脉冲EFT及浪涌瞬变提供*有效的防护。该瞬态保护器件能将瞬变事件产生的大电流导至保护地（PE）。

        设计瞬态保护电路时，必须确保电源与I/O引脚上的钳位电压低于连接电路的*大额定耐压值。例如，对于1kV浪涌瞬变能钳位于50V的TVS二极管，可保护耐压峰值达50V的收发器及I/O电路。若TVS钳位电压远高于收发电路的**工作电压，则需增加镇流电阻等辅助元件来增强I/O电路保护。

        当收发器和I/O引脚遭遇瞬变事件时，瞬态保护器件会钳位于特定电压VC。这种钳位效应将导致通信信道中的正常信号被瞬变脉冲能量淹没，可能引发通信链路中的毛刺或错误脉冲。这些错误脉冲的宽度至少与瞬态噪声脉冲相当（ESD和EFT为100纳秒，浪涌为100微秒），并遵循测试重复模式周期性出现。

         为满足标准A要求（施加噪声瞬变期间设备性能不劣化），必须通过RC滤波器、主控制器数字滤波或差错检测重传机制滤除这些错误脉冲。然而，这些方法就会降低通信吞吐量，增加系统成本，并给主控制器带来额外运算负荷。

电磁兼容测试中的隔离系统电压与电流特性分析

         图2所示为隔离系统框图，其中标注了因ESD、EFT或浪涌测试产生的电压与电流路径。本实例中，收发器及其他I/O端口通过数字隔离器与主控制器实现电气隔离。主控制器以保护地（PE）为参考电位，系统接口侧（热侧）及瞬态保护器件则以浮地（ISO GND）为参考基准。隔离式DC/DC转换器为热侧提供工作电源。

               图2：隔离系统中瞬态抗扰度测试期间的电压与电流

       在ISO GND与PE之间存在寄生电容CISO，该电容由所有隔离元件（数字隔离器、光耦、变压器）的隔离屏障电容与印制电路板引入的杂散电容共同构成。

       基于标准定义的电压电流波形、发生器输出阻抗及钳位电路参数，可建立不同瞬态事件的电气模型。图2所示框图可用于模拟瞬态事件对系统的影响特性。

隔离屏障两端电压

       当接口引脚遭遇瞬态事件时，瞬态保护器件会以较低压降迅速导通，导致瞬态脉冲的全部开路电压施加于隔离屏障两端。例如，接口引脚受到8kV ESD冲击时，隔离屏障（ISO GND与PE之间）将承受8kV电压应力。

        通过在隔离屏障两端增设安规认证电容（额外元件）提升CISO的有效容值，可降低隔离屏障承受的电压应力。持续时间较短的ESD和EFT脉冲比浪涌更易被滤波抑制。

                           图3：隔离屏障两端电压事件的仿真

         图3a仿真结果表明：当CISO为100pF时，8kV ESD冲击可被衰减至5kV以下；图3b显示当CISO为1nF时，4kV EFT脉冲可被衰减至2kV以下。

         目前市场上仅有少数信号隔离技术（包括德州仪器增强型隔离器）能直接承受8kV ESD和4kV EFT的屏障间冲击。其他隔离方案需借助额外安规认证电容将屏障应力降至可接受水平。虽然增设安规电容*明显的问题是系统成本上升，但如后续章节所述，此举还会带来其他技术弊端。

         浪涌脉冲的宽度更大，因此采用合理的寄生电容（CISO）值难以对其进行滤波。同时，大多数隔离屏障能够承受工业系统所需的 1kV 至 2kV 浪涌等级，因此无需额外滤波。

瞬态保护器件导通电流

         针对图2所示隔离系统，接口引脚瞬态测试的电流回路通过CISO形成闭环。通过精心设计较低的CISO值，可对瞬态事件呈现显著阻抗，从而大幅削减流经瞬态保护器件的峰值电流。对于浪涌等慢速瞬变，该阻抗效应更为显著。

         如图4所示，当CISO = 10pF时，EFT测试中流经保护器件的峰值电流从非隔离系统的20A降至隔离系统的1.8A，衰减幅度达10倍。电流持续时间也从100ns缩短至不足10ns，缩减超10倍。图5数据表明，浪涌事件中峰值电流降幅超40倍，电流持续时间缩减至1/100。

                图4：1kV电快速瞬变脉冲群（EFT）测试期间保护器件中的电流仿真

         幅值与脉宽的双重降低，显著减轻了外部TVS保护器件的峰值电流与峰值功率要求，使其可实现更小体积与更低成本。浪涌事件的峰值功率从数千瓦降至数十毫瓦，这种优化**实用价值。若CISO足够小，且收发器内置片上瞬态保护设计合理，可完全省去外部瞬态保护电路。

满足电快速瞬变脉冲群（EFT）和浪涌的A 判据

         如前所述，在非隔离系统中，接口引脚上的信号会在整个瞬态事件期间被  干扰完全覆盖：电快速快速瞬变脉冲群（EFT）事件中该过程约持续 100ns，浪涌事件中则约持续 100μs。此时必须对通信链路中产生的错误脉冲进行滤波处理，这会导致额外成本增加、传输延迟增大及数据吞吐量下降。

        在隔离系统中，由于流过瞬态保护器件的电流持续时间大幅缩短，产生的错误脉冲宽度更窄。如图 6 所示，对于共模阻抗为 25Ω的收发器或 I/O 接口，EFT事件引发的共模电压偏移仅持续 6ns，浪涌事件引发的共模电压偏移仅持续 2μs。这类窄错误脉冲更易于滤波，且对吞吐量的影响极小。同时，电压偏移被限制在几伏范围内，这使得收发器甚至无需任何滤波措施即可正常工作。

         因此，隔离技术可使系统在满足电磁兼容（EMC）抗扰度 A 判据的同时，无需牺牲吞吐量或增加延迟。

                          图5：1kV浪涌测试期间保护器件的通流仿真

                    图6：共模阻抗为25Ω的I/O 接口上产生的电压仿真

           表 1 总结了通过隔离技术实现的峰值电流降低及峰值持续时间缩短，这能够减少甚至消除对瞬态保护的需求。例如，在浪涌事件中，峰值功率可从 1.2kW 降至 10mW。瞬态事件中  共模偏移的减小，也使系统更易满足 A 判据要求。

表1：通过隔离技术实现的峰值电流降低及电流脉冲持续时间缩短

总结

        隔离系统与非隔离系统在实现良好电磁兼容（EMC）性能方面的考量存在差异。静电放电（ESD）、电快速瞬变脉冲群（EFT）和浪涌测试中施加的开路电压，可能以电压应力的形式作用于隔离屏障两端。因此，系统中使用的隔离器必须能够承受这些高压快速瞬变的冲击。

         在隔离系统中，接口引脚上瞬态事件产生的电流环路通过隔离屏障的总电容形成闭合回路。通过精心设计，将隔离屏障电容值控制在较低水平，可为瞬态事件提供显著阻抗，从而大幅降低流过瞬态保护器件的峰值电流——这不仅可省去对大功率瞬态保护器件的需求，还能降低系统成本。此外，隔离技术还能将保护器件对 I/O 引脚的钳位时间缩短一个数量级，这会减小电磁兼容测试期间通信链路中错误脉冲的宽度，使系统相比非隔离系统更易满足 A 判据要求。