如何消除复杂的EMI抑制技术实现紧凑且经济高效的隔离设计

作者：James Scanlon

在电子系统中，出于各种原因需要隔离。需要它来保护人员和设备免受高压的影响，或者只是简单地去除PCB上不需要的接地环路。它是各种应用中的基本设计元素，包括工厂和工业自动化、医疗设备、通信和消费产品。隔离设计虽然非常必要，但也极其复杂。当受控电源和数据信号穿过隔离栅时，会产生电磁干扰（EMI）。这些辐射发射（RE）会对其他电子系统和网络的性能产生负面影响。

隔离设计虽然非常必要，但也极其复杂。当受控电源和数据信号穿过隔离栅时，会产生电磁干扰（EMI）。这些辐射发射（RE）会对其他电子系统和网络的性能产生负面影响。

隔离电路设计的一个重要步骤是跨隔离栅传输功率并减轻由此产生的RE。虽然传统方法可能有效，但它们往往需要权衡取舍。它们可能包括使用分立电路和变压器进行电力传输。这是一种笨重、耗时的方法，占用宝贵的 PCB 空间，所有这些都会导致更高的成本。更具成本效益的解决方案将变压器和所需电路集成到更小的外形尺寸中，例如芯片封装。

虽然这节省了电路板空间并降低了设计复杂性和成本，但它导致变压器更小，绕组更少，并且需要更高的开关频率（高达200 MHz）以有效地将所需功率传输到次级侧。在这些较高频率下，寄生共模（CM）电流可能通过变压器绕组从初级侧容性耦合到次级侧。由于隔离栅的性质，没有物理路径将这些CM电流返回到初级侧。隔离栅形成一个偶极子，该偶极子以CM电流的形式辐射能量并将其返回到初级侧。这带来了另一个重要的考虑因素：法规遵从性。

电磁兼容要求

在产品上市之前，它必须符合电磁兼容性 （EMC） 法规。将变压器和所需电路集成到更小的封装中会产生EMI，这需要复杂且昂贵的RE抑制技术才能满足EMC法规。

EMC是电子系统在其预期环境中正常运行而不干扰其他系统的能力。全球不同地区都存在EMC法规，以确保所有产品在存在其他产品的情况下都能正常运行。辐射发射必须低于基于预期使用环境和应用的特定水平。因此，EMC测试和认证已成为将产品推向市场不可或缺的一部分。在欧盟销售的产品需要CE标志，而在美国销售的产品需要FCC分类。获得这些认证需要在系统上执行一套EMC测试。在工业、医疗、通信和消费环境中，辐射发射通常必须符合 CISPR 11/EN 55011、CISPR 32/EN 55032 或 FCC 第 15 部分。

CISPR 11/EN 55011

本标准适用于设计用于工业、科学和医疗 （ISM） 目的产生射频能量的设备。在该标准中，设备可分为两组。组 2 适用于有意在本地生成和使用射频能量的所有 ISM 射频设备。第 1 组包含标准范围内未归类为第 2 组设备的所有设备。

CISPR 32/EN 55032

本标准适用于信息技术设备（ITE），其主要功能是数据和电信消息的输入，存储，显示，检索，传输，处理，交换或控制的组合，并且可以配备一个或多个通常用于信息传输的终端端口。

设备在每个标准中进一步分类，每个类别都受一组单独的排放限制。

A类：用于工业应用和非住宅区的设备
B类：用于住宅环境的设备

由于 B 类限制涵盖住宅（或轻工业）环境，在这些环境中，产品更有可能彼此靠近（在广播无线电和电视接收器 10 米范围内），因此它们更严格（比 A 类低 10 dB），以免造成干扰问题。

图 2 显示了与 CISPR 11/EN 55011 和 CISPR 32/EN 55032 相关的 A 类和 B 类极限线。在此频率范围内，符合 CISPR 32/EN 55032 B 类意味着符合 CISPR 11/EN 55011 B 类。

图2.辐射发射标准 - 极限线。

在设计周期开始时考虑 EMC

据报道，50%的产品第一次没有通过EMC测试。1这可能是由于缺乏知识以及未能在产品设计阶段的早期应用EMC设计技术。在功能设计完成之前忽略EMC通常会带来耗时且成本高昂的挑战。另外，随着您在产品开发道路上的进一步进展，可用于解决 EMC 问题的技术会减少，因为如果不超出进度和增加成本，就无法更改产品的各个方面。

在项目开始时就针对 EMC 进行设计对于最大限度地减少设计时间和项目成本至关重要。组件的选择和放置也很重要。选择和设计已经符合行业标准的设备可以提高满足合规性的能力。

EMI 缓解技术：需要更好的方法

与使用分立变压器的传统方法相比，将变压器和电路集成到芯片级封装中将大大减少PCB空间，因为元件数量减少，但可能会引入更高的辐射发射。辐射辐射抑制技术可能会抵消集成变压器的节省，并且由于增加了PCB设计复杂性或额外的组件而节省了成本。

例如，在PCB级别减轻辐射发射的常用方法是为CM电流创建从次级侧到初级侧的低阻抗路径，从而降低RE水平。这可以通过在初级侧和次级侧之间使用旁路电容来实现。旁路电容可以是分立电容，也可以是嵌入式层间电容。

分立电容是最不复杂的解决方案，可以是引线或表面贴装元件。它还具有适用于 2 层 PCB 的优点， 但分立电容器既昂贵又笨重.它们还占用了宝贵的PCB空间，特别是在隔离栅沿线，其中多个元件可能堆叠在一起。

另一个不太理想的解决方案是使用嵌入式旁路电容，该电容是在PCB中的两个平面重叠时形成的（图3）。这种类型的电容器具有一些非常有用的特性，因为平行板电容器的电感极低，因此在较大的频率范围内有效。它将提高辐射性能，但由于定制层厚度以获得正确的电容以及PCB中四层或更多层的要求，它增加了设计复杂性和成本。内部重叠层之间的间距还必须满足相关隔离标准定义的通过绝缘距离的最小规格。

图3.内部PCB旁路电容在中心电源层和接地层之间形成。

旁路接电容还允许交流漏电和瞬变跨越栅从一个接地层耦合到另一个接地层。虽然旁路电容通常很小，但高电压、高速瞬变可以通过该电容在栅上注入大量电流。如果应用受到苛刻的电磁瞬变，例如静电放电、电快速瞬变和浪涌，也必须考虑到这一点。

使用旁路电容，无论是分立电容还是嵌入式电容，都不是理想的缓解技术。它将有助于减少辐射发射，但代价是额外的元件、复杂的PCB布局和增加的瞬态敏感性。理想的缓解技术不需要旁路电容，从而降低成本并降低PCB设计复杂性。

消除对复杂缓解技术的需求

理想情况下，集成隔离电源组件应包含减少芯片内辐射的措施，并保证通过系统级辐射，而无需创建复杂的额外外部措施。这将允许通过严格的排放测试，而无需多次旋转电路板，只需将组件放置在简单的 2 层板上即可。

低辐射发射隔离器

ADI公司的下一代isoPower®系列采用创新设计技术，即使在没有旁路电容的2层电路板上，也能避免产生高水平的辐射发射。ADuM5020和ADuM5028在隔离栅两端分别提供500 mW和330 mW的功率，同时满足CISPR 32/EN 55032 B类限制，具有相当大的裕量。

图4.ADuM5020和ADuM5028。

ADuM5020采用16引脚宽体SOIC封装，而最小的封装选项是ADuM5028的8引脚SOIC。ADuM5020/ADuM5028提供3 V和5 V电源选项，隔离额定值为3 kV rms。ADuM5020/ADuM5028提供5 kV rms，满足与ADuM5020/ADuM5028相同的功率和辐射水平。

为了减少辐射发射，ADuM5020/ADuM5028具有出色的线圈对称性和线圈驱动电路，有助于最大限度地减少CM电流在栅上的传输。扩频技术还用于降低特定频率下的噪声浓度，并将辐射发射能量传播到更宽的频率范围内。在次级侧使用廉价的铁氧体磁珠可进一步减少排放。这些技术提高了RE一致性测试期间的峰和准峰测量水平。

图5显示了放置在靠近VISO和GNDISO引脚的次级侧的铁氧体磁珠。用于收集下一节中发射图的铁氧体是村田制作所BLM15HD182SN1。这些铁氧体在宽频率范围内具有高阻抗（100 MHz 时为 1800 Ω，1 GHz 时为 2700 Ω）。使用这些铁氧体，偶极子的有效辐射效率降低。如图6所示，由于铁氧体磁珠的阻抗，偶极子的有效长度显著缩短，导致偶极子效率降低并减少排放。

图5.概念（a）ADuM5020和（b）铁氧体特性曲线。


图6.使用铁氧体磁珠来减少有效偶极子。

ADuM5020/ADuM5028提供嵌入式DC-DC电源解决方案。它具有小尺寸和出色的可再生能源性能，是一种经济高效、低复杂性的解决方案，如果在设计周期开始时就设计到产品中，将有助于满足EMC法规。

测试室的结果

ADuM5020/ADuM5028根据CISPR 32/EN 55032测试指南在10 m半消声室中进行测试。图7显示了一个典型的10 m腔室。ADuM5020/ADuM5028评估PCB放置在距离天线校准点10 m处的非导电工作台上，如标准中规定。重要的是，在DUT附近没有其他导电表面，因为这会影响结果。图8显示了用于确定DUT高发射频率的峰值扫描。找到这些点后，进行准峰值测量。在准峰值测量期间，工作台旋转 360°，天线高度从 1 m 升高到 4 m。记录最坏情况下的准峰值测量值，并与所需的极限线进行比较。

图7.10 m 腔室图像和评估 PCB。


图8.峰值图—ADuM5020/ADuM5028。

重要的是，没有外部设备、金属平面或电缆干扰 DUT 的排放测试。为了测试ADuM5020/ADuM5028评估板，使用了带有板载低压差稳压器的电池，以保持电源电流环路较小，并消除不必要的布线。

图8显示了ADuM5020/ADuM5028在不同配置下捕获的峰值图。请注意，由于ADuM5020/ADuM5028采用的扩频技术，能量在宽带上的扩散。图9显示了最坏情况下准峰值测量与CISPR 32/EN 55032 B类极限线的裕量。ADuM5020在5 V输出电源（500 mW）时负载为100 mA，通过CISPR 32/EN 55032的裕量超过5 dB。这提供了很大程度的设计灵活性。这种裕量是有益的，建议使用，因为不同测试设施中测试室的质量、校准和设备精度可能存在差异，从而导致测量差异。如果最终产品可以在不同的腔室进行测试，并且必须符合CISPR 32 / EN 55032，则可能需要注意这一点。

ADI公司的下一代isoPower系列提供紧凑的即插即用型电源解决方案，无需复杂的PCB电平缓解即可满足辐射限制。ADuM5020/ADuM5028为隔离式设计提供DC-DC即插即用型电源解决方案，符合以下辐射和产品标准中规定的辐射标准：

CISPR 32/EN 55032（B类）：信息技术设备
CISPR 11 / EN 55011（B类）：工业，科学和医疗设备
IEC 61000-6-4：通用标准—工业环境排放标准
IEC 61000-6-3：通用标准—住宅、商业和轻工业环境的排放标准
IEC 61131-2：可编程控制器—第2部分：设备要求和测试
IEC 621326：测量、控制和实验室用电气设备 EMC 要求—第 1 部分：一般要求
IEC 60601-1-2：医用电气设备第1-2部分：基本安全和基本性能的一般要求-附带标准：电磁干扰-要求和测试
IEC 61800-3：可调速电力驱动系统-第3部分：EMC要求和特定测试方法
IEC 63044-5-1：家庭和楼宇电子系统 （HBES） 和楼宇自动化和控制系统 （BACS） - 第 5-1 部分：EMC 要求、条件和测试设置

降低隔离设计的复杂性和折衷方案

设计隔离电源可能是设计过程中最具挑战性的方面之一。创建解决方案需要在设计需求与全球多个不同地区的法规遵从性需求之间取得平衡。结果通常意味着妥协会对尺寸、重量和性能产生负面影响，或者威胁到满足 EMC 法规遵从性的能力。

为了实现EMC的成功，在设计阶段的早期就采用经证明符合行业标准的设备。EMC 应该成为设计过程的一部分，而不是事后才想到的。使用旁路电容等缓解技术会降低电子系统的瞬态抗扰度，并增加成本和设计复杂性。ADI公司的下一代isoPower系列提供辐射辐射抑制技术，无需旁路电容，同时仍符合CISPR 32/EN 55032 B类要求。ADuM5020/ADuM5028采用扩频技术，可降低任一频率下的功率水平。出色的设计、变压器线圈对称性以及两个小型廉价铁氧体的使用减少了CM电流通过隔离栅进入次级接地层。ADuM5020/ADuM5028 满足 CISPR 32/EN 55032 B 类标准，无需昂贵的 PCB 级 RE 缓解技术，从而降低成本。