摘要：EMC/EMI设计是当代电路设计中非常关键的要素，电路设计如不能满足EMC/EMI要求时，极容易在实际使用中出现测量误差、死机、重启、干扰其他电子电气产品工作等问题。4-20mA两线制电流电路是传感器常用的一种模拟数据传输方式，因此，4-20mA电流电路EMC/EMI设计在现实应用中具有广泛的意义。本文就两线4-20mA电流电路EMC/EMI设计进行了探讨。
关键词：两线4-20mA；EMC；EMI
本设计电路主要由电压电流转换器、二极管桥与保护电路组成。从电路设计、电路原理、器件选择等几个方面对两线4-20mA电流电路EMC/EMI设计进行了深入探讨。
1 电压电流转换器的设计
电压-电流转换器的简化形式如图1所示。这种设计通常被称为环形电源，或2线，4-20mA发射机。发射机只有两个外部输入端子:一个电源连接和一个输出(或返回)连接。发射机通过精确控制其返回电流的大小，与它的主机(典型的PLC模拟输入模块)进行通信。为了符合4- 20mA通信标准，整个发射机消耗的电流必须小于4mA。
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图1 电压到电流转换电路
2 二极管桥与保护电路
工业环境对敏感的电子元件可能是非常危险的。图2显示一种保护电路的设计。为了防止不正确的终端连接，采用了二极管桥接。这种设计可防止错误的布线故障。
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图2 二极管桥与保护电路
IEC61000-4测试主要通过两种方式进行防护，衰减与抑制。
衰减使用无源元件，主要是电阻和电容器，以衰减高频瞬变和限制串联电流。铁氧体磁珠是常用的一种元器件，其在低频状态下阻值极低，可保证高精度的直流输出，而在高频下则会体现出很高的电阻，以衰减高频干扰信号。在每个端子块和二极管桥之间串联有铁氧体以及并联电容器。
抑制是利用瞬态信号的高电压特性，使用二极管将瞬态浪涌抑制到一定的电压范围内。瞬态电压抑制器(TVS)二极管有助于防止IEC瞬态浪涌，因为TVS管响应的速度非常快，而且通常具有很高的功率额定值，这对在多次瞬态浪涌冲击下仍然能够正常工作是至关重要的。
3 元器件的选择
3.1 电压电流转换器
XTR116是用于工业自动化和过程控制应用的环形供电发射机的完整前端。它包括一个5V回路调节器，4.096V参考和电压到电流转换器电路。调整器和参考电压可以用来提供功率和参考电压的传统低电压精度DAC和其他传感器调节电路用于控制输入到XTR116。
3.2 TVS管的选择
一个双向TVS二极管用于抑制高压瞬态浪涌。该二极管的选择应根据工作电压、击穿电压、漏电流和额定功率来确定。工作电压规范定义了最大的反向电压，这是反向击穿曲线“转变”处的电压，此时二极管开始击穿并显示出一些小的泄漏电流。当电压超过工作电压时，更多的电流将开始流过二极管。击穿电压定义二极管完全允许电流流过的反向电压。重要的是要记住，如果过量电流流过二极管，击穿电压将上升。二极管击穿电压应该足够低，以保护所有的组件。在这个设计中，TVS二极管的工作电压应该在允许供电电压的上限或以上，因为任何更高的电压都会导致二极管泄漏。在这种情况下，选用工作电压36V，击穿电压40v，额定功率400w的二极管。在选择TVS二极管时要考虑的另一个参数是泄漏电流。在工作电压下，会有一些电流流过二极管，从而影响系统精度。本设计所选用的二极管在工作电压下的最大泄漏电流为1uA。
3.3 二极管电桥
在本设计中使用了二极管桥式整流电路，输入的两个端口无论如何接线都可确保整个电路设计可按预期功能运行。该二极管的选择应基于低反向漏电流和低正向电压。考虑低的反向漏电流是因为在桥式结构中的两个二极管将总是反向偏置，并允许一些漏电流，这将直接影响精度。低正向电压是有益的，因为这将提高整个电路的带负载能力。DSRHD10整流桥就特别适用于这种场合，这是因为它在一个封装中提供了所需的4个二极管。该整流桥具有峰值反向偏置1000V时的反向泄漏电流为0.1uA，峰值正向电流为1A时的正向电压为1.15 V。在本设计规定工作电压条件下，反向漏电电流可低至0.01uA。同样正向电压可低至0.6 V
3.4无源元件
串联铁氧体和并联电容器用于衰减通过TVS二极管后可能残留的瞬态信号。铁氧体的选择是基于他们的电流额定值，直流阻抗和高频阻抗。在本设计选择铁氧体特性直流阻抗在42 m?,而在100 MHz时的高频阻抗可达到600?,电流额定值3A。所选电容器的额定电压为100V。
本设计中使用的几个电阻必须选用高精度元件，这包括增益设置电阻R4和R5和偏移设置电阻R1和R3。电阻R2和电容C1被包括为稳定的XTR116参考输出，他们的精度不是关键。
4 PCB布局
为了达到最佳的性能，PCB设计时应遵循标准的PCB布局指导，包括在所有的集成电路旁适当位置进行解耦，电路电源和参考地与足够的大量铜层连接等。为了允许最佳的电流路径和低阻抗，在信号输出路径上电感量应尽可能低。在可能的情况下使用覆铜地代替布线地，这样可在PCB上提供一个最短的回流路径，减少电路辐射。
5 结束语
本设计电路主要由电压电流转换器、二极管桥与保护电路组成。通过二极管桥与保护电路实现了两线4-20mA电流电路EMC/EMI的防护。通过选择合适的TVS管、二极管电桥、串联铁氧体和电容等元件实现通过IEC61000-4中所需的EMC/EMI测试项目，包括ESD静电、辐射骚扰、群脉冲、射频抗扰度等。
参考文献：
[1]上海芸生微电子有限公司.数字化湿度传感器输出4-20mA工业标准电流的简单方法.传感器世界，2019, 25(2)