如何避免采用復(fù)雜的EMI抑制技術(shù)以實(shí)現(xiàn)緊湊、高性價(jià)比的隔離設(shè)計(jì)

出于各種原因，電子系統(tǒng)需要實(shí)施隔離。它的作用是保護(hù)人員和設(shè)備不受高電壓的影響，或者僅僅是消除PCB上不需要的接地回路。在各種各樣的應(yīng)用中，包括工廠和工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、通信和消費(fèi)類產(chǎn)品，它都是一個(gè)基本設(shè)計(jì)元素。

雖然隔離至關(guān)重要，但它的設(shè)計(jì)也極其復(fù)雜?？刂乒β屎蛿?shù)據(jù)信號(hào)通過隔離柵時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(EMI)。這些輻射發(fā)射(RE)會(huì)對(duì)其他電子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

對(duì)于帶隔離的電路設(shè)計(jì)，一個(gè)重要的步驟是跨隔離柵傳輸功率，并緩解產(chǎn)生的RE。雖然傳統(tǒng)方法可能行之有效，但它們往往需要權(quán)衡取舍。其中可能包括使用分立式電路和變壓器來傳輸功率。這種方法笨重耗時(shí)，會(huì)占用寶貴的PCB空間，無一不會(huì)增加成本。更經(jīng)濟(jì)高效的解決方案是將變壓器和所需的電路集成到更小外形中，如芯片封裝。

雖然這樣可以節(jié)省電路板空間，降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和成本，但也使得變壓器體積變小，具備的繞組更少，需要更高的開關(guān)頻率（高達(dá)200MHz）才能高效地將所需的功率傳輸?shù)酱渭?jí)端。在更高頻率下，寄生共模(CM)電流可能通過變壓器的繞組以容性方式從初級(jí)端耦合至次級(jí)端。因隔離柵的性質(zhì)所限，沒有物理路徑可以讓這些CM電流返回初級(jí)端。隔離柵形成一個(gè)偶極，將能量以CM電流的形式輻射，并讓其返回到初級(jí)端。這就引發(fā)了另一個(gè)重要考慮因素：合規(guī)性。

電磁兼容性（EMC）要求

產(chǎn)品上市前，必須符合EMC規(guī)定。將變壓器和所需的電路集成到更小的封裝中會(huì)產(chǎn)生EMI，因此需要采用復(fù)雜且成本高昂的RE抑制技術(shù)，以滿足電磁兼容性(EMC)法規(guī)的要求。

EMC是指電子系統(tǒng)在其目標(biāo)環(huán)境中正常工作而不干擾其他系統(tǒng)的能力。全球不同地區(qū)都有EMC法規(guī)，用于確保所有產(chǎn)品在有其他產(chǎn)品存在的情況下都能正常工作。輻射發(fā)射量必須低于目標(biāo)使用環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)合所對(duì)應(yīng)的規(guī)定水平。因此，EMC測(cè)試和認(rèn)證已成為產(chǎn)品上市過程的一個(gè)重要組成部分。在歐盟銷售的產(chǎn)品需要具有CE標(biāo)志，而在美國(guó)銷售的產(chǎn)品則需要獲得FCC分類認(rèn)證。為取得這些認(rèn)證，需要對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行一套EMC測(cè)試。在工業(yè)、醫(yī)療、通信和消費(fèi)環(huán)境中，輻射發(fā)射通常必須符合CISPR 11/EN55011、CISPR22/EN 55022或FCC Part15標(biāo)準(zhǔn)。

圖1. 發(fā)射量增高的示例。

CISRP 11/EN 55011

此標(biāo)準(zhǔn)適用于為工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)目的而設(shè)計(jì)的產(chǎn)生射頻能量的設(shè)備。在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，設(shè)備可能分為兩組。第2組包含有意生成并在局部使用射頻能量的所有ISM RF設(shè)備。第1組包含此標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)不屬于第2組的所有設(shè)備。

CISRP 22/EN 55022

此標(biāo)準(zhǔn)適用于滿足下述條件的信息技術(shù)設(shè)備(ITE)：主要功能是將輸入、存儲(chǔ)、顯示、檢索、傳輸、處理、交換或控制數(shù)據(jù)和電信信息結(jié)合起來，可能配備一個(gè)或多個(gè)終端端口，通常用于傳輸信息。

在各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下，設(shè)備被進(jìn)一步分類，每個(gè)類別需遵循一組單獨(dú)的排放限制。

A類：用在工業(yè)應(yīng)用和非住宅區(qū)的設(shè)備

B類：用在住宅環(huán)境中的設(shè)備

由于B類限制覆蓋的是住宅（或輕工業(yè)）環(huán)境，而這種環(huán)境中的產(chǎn)品更有可能彼此非常接近（廣播和電視接收器的10米范圍內(nèi)），因此更加嚴(yán)格（比A類低10dB之多），以免引起干擾問題。

圖2顯示了與CISPR11/EN55011和CISPR22/EN55022相關(guān)的A類和B類限制線。在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，符合CISPR22/EN55022B類標(biāo)準(zhǔn)意味著也符合CISPR11/EN55011B類標(biāo)準(zhǔn)。

圖2. 輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)—限制線。

在設(shè)計(jì)周期一開始就考慮EMC

據(jù)報(bào)道，50%的產(chǎn)品首次EMC測(cè)試都以失敗告終。1這可能是因?yàn)槿狈ο嚓P(guān)知識(shí)，且未能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的早期應(yīng)用EMC設(shè)計(jì)技術(shù)。如果在功能設(shè)計(jì)完成之前一直忽略EMC問題，通常會(huì)帶來耗費(fèi)時(shí)間且代價(jià)高昂的挑戰(zhàn)。此外，隨著產(chǎn)品開發(fā)過程的不斷深入，能夠用來解決EMC問題的技術(shù)也越來越少，因?yàn)楫a(chǎn)品方面的更改必將導(dǎo)致計(jì)劃超時(shí)和成本增加。

想要較大限度地縮短設(shè)計(jì)時(shí)間和降低項(xiàng)目成本，在項(xiàng)目開始時(shí)就進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。組件的選擇和放置也很重要。將已經(jīng)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的器件納入選擇和設(shè)計(jì)可以提高合規(guī)性。

EMC抑制技術(shù)：亟需更好的方法

與使用分立式變壓器的傳統(tǒng)方法相比，將變壓器和電路集成到芯片級(jí)封裝中可減少組件數(shù)量，進(jìn)而大大節(jié)省PCB空間，但可能會(huì)引入更高的輻射發(fā)射。輻射發(fā)射抑制技術(shù)會(huì)使PCB的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，或需要額外組件，因此可能會(huì)抵消集成變壓器所節(jié)省的成本和空間。

例如，在PCB級(jí)別抑制輻射發(fā)射的一種常見方法是為CM電流形成一個(gè)從次級(jí)端至初級(jí)端的低阻抗路徑，從而降低RE水平。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，可以在初級(jí)端和次級(jí)端之間使用旁路電容。該旁路電容可以是分立式電容，也可以是嵌入式夾層電容。

分立式電容是較為簡(jiǎn)單的解決方案，可能是有引線或表面安裝組件。它還具有適用于2層PCB的優(yōu)點(diǎn)，但分立式電容價(jià)格昂貴且體積龐大，會(huì)占用寶貴的PCB空間，特別是在可能堆疊了多個(gè)組件的隔離柵旁。

另一個(gè)不是很理想的解決方案是使用嵌入式旁路電容，當(dāng)PCB中的兩個(gè)面重合時(shí)就會(huì)形成該電容（圖3）。此類電容具有一些非常有用的特性，原因在于平行板電容的電感極低，因此在更大的頻率范圍內(nèi)都有效。它可以提高發(fā)射性能，但因?yàn)樾枰远x層厚來獲得正確的電容，且PCB需要四層或更多層，所以設(shè)計(jì)復(fù)雜性和成本都會(huì)增高。此外，還必須通過隔離的方式，確保內(nèi)部重疊層的間距滿足相關(guān)隔離標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的最低距離標(biāo)準(zhǔn)。

圖3. 中心電源和接地層之間形成的內(nèi)部PCB旁路電容。

旁路電容還允許交流泄漏及瞬變跨隔離柵從一個(gè)接地層耦合至另一個(gè)接地層。雖然旁路電容一般很小，但高壓高速瞬變可通過此電容跨隔離柵注入大量電流。如果應(yīng)用需承受惡劣的電磁瞬變，如靜電放電、電快速瞬變和浪涌，也必須考慮到這一點(diǎn)。

無論是分立式還是嵌入式，使用旁路電容都不是理想的抑制技術(shù)。它雖然可以幫助減少輻射發(fā)射，卻要以增加組件、采用復(fù)雜的PCB布局和提高瞬態(tài)敏感性為代價(jià)。理想的抑制技術(shù)不需要采用旁路電容，因此可以降低成本和PCB設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

免去使用復(fù)雜抑制技術(shù)的必要

理想情況下，集成的隔離電源組件應(yīng)該包含降低芯片輻射發(fā)射的措施，無需在外部額外增加復(fù)雜的措施，即可確保通過系統(tǒng)級(jí)輻射發(fā)射測(cè)試。這樣一來，只需將組件放置到2層板上，即可通過嚴(yán)格的輻射發(fā)射測(cè)試，而無需多次制作電路板。

低輻射發(fā)射隔離器

ADI公司的isoPower?系列產(chǎn)品采用創(chuàng)新的設(shè)計(jì)技術(shù)，可以避免產(chǎn)生大量輻射發(fā)射，甚至在沒有旁路電容的2層板上也不例外。ADuM5020和ADuM5028在以大幅裕量滿足CISPR22/EN55022B類限制的同時(shí)，可以分別跨隔離柵提供500mW和330mW功率。

圖4. ADuM5020和ADuM5028。

ADuM5020采用16引腳寬體SOIC封裝，而對(duì)于ADuM5028，可以選擇的最小封裝是8引腳SOIC。ADuM5020/ADuM5028提供3V和5V兩種電源選項(xiàng)，以及3kV rms額定隔離。ADuM5020/ADuM5028提供5kV rms，可以達(dá)到與ADuM5020/ADuM5028相同的功率和輻射發(fā)射水平。

為了減少輻射發(fā)射，ADuM5020/ADuM5028具有出色的線圈對(duì)稱性和線圈驅(qū)動(dòng)電路，有助于將通過隔離柵的CM電流傳輸最小化。擴(kuò)頻技術(shù)也被用來降低某一特定頻率的噪聲濃度，并將輻射發(fā)射能量擴(kuò)散到更廣泛的頻段。在次級(jí)端使用低價(jià)的鐵氧體磁珠會(huì)進(jìn)一步減少輻射發(fā)射。在RE合規(guī)測(cè)試期間，這些技術(shù)可以改善峰值和準(zhǔn)峰值測(cè)量水平。

圖5. 概念A(yù)DuM5020和鐵氧體特性曲線。

圖5顯示了放置在靠近VISO和GNDISO引腳的次級(jí)端的鐵氧體磁珠。下一段中用于收集輻射發(fā)射圖的鐵氧體是MurataBLM15HD182SN1。這些鐵氧體在寬頻率范圍內(nèi)具有高阻抗（100MHz時(shí)為1800Ω，1GHz時(shí)為2700Ω）。這些鐵氧體降低了偶極的有效輻射效率。如圖6所示，因?yàn)殍F氧體磁珠的阻抗，CM電流環(huán)減小，偶極的有效長(zhǎng)度明顯縮短，使得偶極效率降低，輻射發(fā)射減少。

圖6. 使用鐵氧體磁珠來減少有效偶極。

ADuM5020/ADuM5028提供即用型直流-直流電源解決方案。這種解決方案的性價(jià)比高、復(fù)雜性低，占地面積小，且RE性能出色，如果在設(shè)計(jì)周期開始時(shí)就納入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，將有助于滿足EMC法規(guī)的要求。

來自測(cè)試室的結(jié)果

ADuM5020/ADuM5028根據(jù)CISPR22/EN55022測(cè)試指南在10m半波暗室中進(jìn)行測(cè)試。圖7所示為一個(gè)典型的10m測(cè)試室。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ADuM5020/ADuM5028評(píng)估PCB被放置在距離天線校準(zhǔn)點(diǎn)10m遠(yuǎn)的非導(dǎo)電工作臺(tái)上。確保DUT附近沒有其他導(dǎo)電表面，因?yàn)檫@會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。圖8顯示了用于確定DUT的高發(fā)射頻率的峰值掃描。這些點(diǎn)定位后，就可以進(jìn)行準(zhǔn)峰值測(cè)量。在準(zhǔn)峰值測(cè)量期間，工作臺(tái)會(huì)旋轉(zhuǎn)360°,天線高度從1m升高到4m。記錄最壞情況的準(zhǔn)峰值測(cè)量結(jié)果，并與限制線要求進(jìn)行比較。

圖7. 10 m測(cè)試室的圖像和評(píng)估PCB

確保沒有任何外部設(shè)備、金屬平面或電纜會(huì)干擾DUT的輻射發(fā)射測(cè)試。為了測(cè)試ADuM5020/ADuM5028評(píng)估板，使用帶板載低壓差穩(wěn)壓器的電池來保持較小的電源電流環(huán)，并消除不必要的布線。

圖8. 峰值圖—ADuM5020/ADuM5028。

圖8顯示了在不同配置下捕獲的ADuM5020/ADuM5028的峰值圖。由于在ADuM5020/ADuM5028中采用了擴(kuò)頻技術(shù)，注意寬頻段范圍內(nèi)的能量擴(kuò)散情況。圖9顯示了最壞情況的準(zhǔn)峰值測(cè)量值與CISPR22/EN55022B類限制線相比的裕量。ADuM5020在輸出電源為5V(500mW)，負(fù)載為100mA的情況下，以超過5dB的裕量通過了CISPR22/EN55022測(cè)試。這提供了大幅的設(shè)計(jì)靈活性。這種裕量幅度很有益，而且推薦達(dá)到這種裕量，因?yàn)樵诓煌臏y(cè)試設(shè)施中，測(cè)試室的質(zhì)量、校準(zhǔn)和設(shè)備的精度可能存在差異，可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)波動(dòng)。如果最終產(chǎn)品需要在不同的測(cè)試室進(jìn)行測(cè)試，且必須符合CISPR22/EN55022標(biāo)準(zhǔn)，那么這一點(diǎn)至關(guān)重要。

Table 1. Results

ADI公司的isoPower系列產(chǎn)品提供緊湊的即用型電源解決方案，無需為了滿足輻射發(fā)射限制而采用復(fù)雜的PCB級(jí)抑制技術(shù)。ADuM5020/ADuM5028提供適用于隔離設(shè)計(jì)的直流-直流即用型電源解決方案，滿足以下輻射發(fā)射和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求：

X CISPR 22/EN 55022（B類）：信息技術(shù)設(shè)備

CISPR11/EN55011（B類）：工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療設(shè)備

X IEC 61000-6-4：通用標(biāo)準(zhǔn)—工業(yè)環(huán)境的輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)

X IEC 61000-6-3：通用標(biāo)準(zhǔn)—住宅、商業(yè)和輕工業(yè)環(huán)境的輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)

IEC 61131-2：可編程控制器—第2部分：設(shè)備要求和測(cè)試

X IEC 621326：用于測(cè)量、控制及實(shí)驗(yàn)室用途的電氣設(shè)備

X EMC要求—第1部分：一般要求

IEC 60601-1-2：醫(yī)療電氣設(shè)備第1-2部分：基本安全和基本性能的一般要求—附加標(biāo)準(zhǔn)：電磁干擾—要求和測(cè)試

IEC 61800-3：變速電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)—第3部分：EMC要求和具體的測(cè)試方法

IEC 63044-5-1：家用和建筑電子系統(tǒng)(HBES)及建筑自動(dòng)化和控制系統(tǒng)(BACS)—第5-1部分：EMC要求、條件和測(cè)試設(shè)置

減少隔離設(shè)計(jì)中的復(fù)雜性和矛盾

設(shè)計(jì)隔離式電源可能是設(shè)計(jì)過程中最具挑戰(zhàn)性的一個(gè)方面。構(gòu)建一個(gè)解決方案需要權(quán)衡各種設(shè)計(jì)需求，且需要遵守全球多個(gè)不同地區(qū)的法規(guī)要求。由此做出的犧牲往往帶來了尺寸、重量和性能方面的負(fù)面影響，或者降低了滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)的能力。

為了順利滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)，可以在設(shè)計(jì)階段的早期采用已經(jīng)通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證的器件。EMC應(yīng)該納入到設(shè)計(jì)過程中，而不是事后才考慮。采用諸如旁路電容之類的抑制技術(shù)會(huì)降低電子系統(tǒng)抗瞬變的能力，并增加成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

ADI公司的isoPower系列產(chǎn)品提供輻射發(fā)射抑制技術(shù)，無需具備旁路電容，仍可滿足EN55022/CISPR22B類標(biāo)準(zhǔn)要求。ADuM5020/ADuM5028采用擴(kuò)頻技術(shù)，可降低任意頻率下的功率水平。出色的設(shè)計(jì)、變壓器線圈對(duì)稱性和兩個(gè)低價(jià)小鐵氧體的使用有助于減少跨隔離柵流向次接地層的CM電流。ADM5020/ADuM5028滿足CISPR 22/EN 55022 B類要求，在2層PCB上具有大幅裕量，無需采用成本高昂的PCB級(jí)RE抑制技術(shù)，因此可降低成本。