輻射發(fā)射測試：如何避免采用復雜的EMI抑制技術(shù)以實現(xiàn)緊湊、高性價比的隔離設(shè)計

出于各種原因，電子系統(tǒng)需要實施隔離。它的作用是保護人員和設(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)自動化、醫(yī)療設(shè)備、通信和消費類產(chǎn)品，它都是一個基本設(shè)計元素。

雖然隔離至關(guān)重要，但它的設(shè)計也極其復雜?？刂乒β屎蛿?shù)據(jù)信號通過隔離柵時，會產(chǎn)生電磁干擾(EMI)。這些輻射發(fā)射(RE)會對其他電子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的性能產(chǎn)生負面影響。

對于帶隔離的電路設(shè)計，一個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，會占用寶貴的PCB空間，無一不會增加成本。更經(jīng)濟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)計的復雜性和成本，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200 MHz）才能高效地將所需的功率傳輸?shù)酱渭壎?。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端耦合至次級端。因隔離柵的性質(zhì)所限，沒有物理路徑可以讓這些CM電流返回初級端。隔離柵形成一個偶極，將能量以CM電流的形式輻射，并讓其返回到初級端。這就引發(fā)了另一個重要考慮因素：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產(chǎn)生EMI，因此需要采用復雜且成本高昂的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)射量必須低于目標使用環(huán)境和應(yīng)用場合所對應(yīng)的規(guī)定水平。因此，EMC測試和認證已成為產(chǎn)品上市過程的一個重要組成部分。在歐盟銷售的產(chǎn)品需要具有CE標志，而在美國銷售的產(chǎn)品則需要獲得FCC分類認證。為取得這些認證，需要對系統(tǒng)執(zhí)行一套EMC測試。在工業(yè)、醫(yī)療、通信和消費環(huán)境中，輻射發(fā)射通常必須符合CISPR 11/EN 55011、CISPR 22/EN 55022或FCC Part 15標準。

圖1.發(fā)射量增高的示例。

CISPR 11/EN 55011

此標準適用于為工業(yè)、科學和醫(yī)療(ISM)目的而設(shè)計的產(chǎn)生射頻能量的設(shè)備。在標準范圍內(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組包含此標準范圍內(nèi)不屬于第2組的所有設(shè)備。

CISPR 22/EN 55022

此標準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、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，可能配備一個或多個終端端口，通常用于傳輸信息。

在各個標準下，設(shè)備被進一步分類，每個類別需遵循一組單獨的排放限制。

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)），因此更加嚴格（比A類低10 dB之多），以免引起干擾問題。

圖2顯示了與CISPR 11/EN 55011和CISPR 22/EN 55022相關(guān)的A類和B類限制線。在這個頻率范圍內(nèi)，符合CISPR 22/EN 55022 B類標準意味著也符合CISPR 11/EN 55011 B類標準。

圖2.輻射發(fā)射標準—限制線。

在設(shè)計周期一開始就考慮EMC

據(jù)報道，50%的產(chǎn)品首次EMC測試都以失敗告終。1這可能是因為缺乏相關(guān)知識，且未能在產(chǎn)品設(shè)計階段的早期應(yīng)用EMC設(shè)計技術(shù)。如果在功能設(shè)計完成之前一直忽略EMC問題，通常會帶來耗費時間且代價高昂的挑戰(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，因為產(chǎn)品方面的更改必將導致計劃超時和成本增加。

想要最大限度地縮短設(shè)計時間和降低項目成本，在項目開始時就進行EMC設(shè)計是至關(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)標準的器件納入選擇和設(shè)計可以提高合規(guī)性。

EMI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封裝中可減少組件數(shù)量，進而大大節(jié)省PCB空間，但可能會引入更高的輻射發(fā)射。輻射發(fā)射抑制技術(shù)會使PCB的設(shè)計更加復雜，或需要額外組件，因此可能會抵消集成變壓器所節(jié)省的成本和空間。

例如，在PCB級別抑制輻射發(fā)射的一種常見方法是為CM電流形成一個從次級端至初級端的低阻抗路徑，從而降低RE水平。要實現(xiàn)這一點，可以在初級端和次級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。

分立式電容是最簡單的解決方案，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，但分立式電容價格昂貴且體積龐大，會占用寶貴的PCB空間，特別是在可能堆疊了多個組件的隔離柵旁。

另一個不是很理想的解決方案是使用嵌入式旁路電容，當PCB中的兩個面重合時就會形成該電容（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，但因為需要自定義層厚來獲得正確的電容，且PCB需要四層或更多層，所以設(shè)計復雜性和成本都會增高。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)隔離標準所規(guī)定的最低距離標準。

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接地層耦合至另一個接地層。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。

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、采用復雜的PCB布局和提高瞬態(tài)敏感性為代價。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)計的復雜性。

免去使用復雜抑制技術(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雜的措施，即可確保通過系統(tǒng)級輻射發(fā)射測試。這樣一來，只需將組件放置到2層板上，即可通過嚴格的輻射發(fā)射測試，而無需多次制作電路板。

低輻射發(fā)射隔離器

ADI公司的下一代isoPower?系列產(chǎn)品采用創(chuàng)新的設(shè)計技術(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CISPR 22/EN 55022 B類限制的同時，可以分別跨隔離柵提供500 mW和330 mW功率。

圖4.ADuM5020和ADuM5028。

ADuM5020采用16引腳寬體SOIC封裝，而對于ADuM5028，可以選擇的最小封裝是8引腳SOIC。ADuM5020/ADuM5028提供3 V和5 V兩種電源選項，以及3 kV rms額定隔離。ADuM5020/ADuM5028提供5 kV rms，可以達到與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具有出色的線圈對稱性和線圈驅(qū)動電路，有助于將通過隔離柵的CM電流傳輸最小化。擴頻技術(shù)也被用來降低某一特定頻率的噪聲濃度，并將輻射發(fā)射能量擴散到更廣泛的頻段。在次級端使用低價的鐵氧體磁珠會進一步減少輻射發(fā)射。在RE合規(guī)測試期間，這些技術(shù)可以改善峰值和準峰值測量水平。

圖5 概念ADuM5020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Murata BLM15HD182SN1。這些鐵氧體在寬頻率范圍內(nèi)具有高阻抗（100 MHz時為1800 Ω，1 GHz時為2700 Ω）。這些鐵氧體降低了偶極的有效輻射效率。如圖6所示，因為鐵氧體磁珠的阻抗，CM電流環(huán)減小，偶極的有效長度明顯縮短，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比高、復雜性低，占地面積小，且RE性能出色，如果在設(shè)計周期開始時就納入到產(chǎn)品設(shè)計中，將有助于滿足EMC法規(guī)的要求。

來自測試室的結(jié)果

ADuM5020/ADuM5028根據(jù)CISPR 22/EN 55022測試指南在10 m半波暗室中進行測試。圖7所示為一個典型的10 m測試室。按照標準規(guī)定，ADuM5020/ADuM5028評估PCB被放置在距離天線校準點10 m遠的非導電工作臺上。確保DUT附近沒有其他導電表面，因為這會影響測試結(jié)果。圖8顯示了用于確定DUT的高發(fā)射頻率的峰值掃描。這些點定位后，就可以進行準峰值測量。在準峰值測量期間，工作臺會旋轉(zhuǎn)360°,天線高度從1 m升高到4 m。記錄最壞情況的準峰值測量結(jié)果，并與限制線要求進行比較。

確保沒有任何外部設(shè)備、金屬平面或電纜會干擾DUT的輻射發(fā)射測試。為了測試ADuM5020/ADuM5028評估板，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中采用了擴頻技術(shù)，注意寬頻段范圍內(nèi)的能量擴散情況。圖9顯示了最壞情況的準峰值測量值與CISPR 22/EN 55022 B類限制線相比的裕量。ADuM5020在輸出電源為5 V (500 mW)，負載為100 mA的情況下，以超過5 dB的裕量通過了CISPR 22/EN 55022測試。這提供了大幅的設(shè)計靈活性。這種裕量幅度很有益，而且推薦達到這種裕量，因為在不同的測試設(shè)施中，測試室的質(zhì)量、校準和設(shè)備的精度可能存在差異，可能導致測量結(jié)果出現(xiàn)波動。如果最終產(chǎn)品需要在不同的測試室進行測試，且必須符合CISPR 22/EN 55022標準，那么這一點至關(guān)重要。

圖7.10 m測試室的圖像和評估PCB。

圖8.峰值圖—ADuM5020/ADuM5028。

表1.結(jié)果

ADI公司的下一代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)射限制而采用復雜的PCB級抑制技術(shù)。ADuM5020/ADuM5028提供適用于隔離設(shè)計的直流-直流即用型電源解決方案，滿足以下輻射發(fā)射和產(chǎn)品標準要求：

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

CISPR 11/EN 55011（B類）：工業(yè)、科學和醫(yī)療設(shè)備

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

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

IEC 61131-2：可編程控制器—第2部分：設(shè)備要求和測試

IEC 621326：用于測量、控制及實驗室用途的電氣設(shè)備

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—附加標準：電磁干擾—要求和測試

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

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

減少隔離設(shè)計中的復雜性和矛盾

設(shè)計隔離式電源可能是設(shè)計過程中最具挑戰(zhàn)性的一個方面。構(gòu)建一個解決方案需要權(quán)衡各種設(shè)計需求，且需要遵守全球多個不同地區(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面影響，或者降低了滿足EMC標準的能力。

為了順利滿足EMC標準，可以在設(shè)計階段的早期采用已經(jīng)通過行業(yè)標準驗證的器件。EMC應(yīng)該納入到設(shè)計過程中，而不是事后才考慮。采用諸如旁路電容之類的抑制技術(shù)會降低電子系統(tǒng)抗瞬變的能力，并增加成本和設(shè)計復雜性。ADI公司的下一代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EN 55022/CISPR 22 B類標準要求。ADuM5020/ADuM5028采用擴頻技術(shù)，可降低任意頻率下的功率水平。出色的設(shè)計、變壓器線圈對稱性和兩個低價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RE抑制技術(shù)，因此可降低成本。

參考文獻

1 “為何50%的產(chǎn)品首次進行EMC測試都以失敗告終。”Intertek。

作者簡介

James Scanlon于2001年獲得都柏林大學頒發(fā)的電子工程學學士學位。2008年，他獲得了利默里克大學的VLSI系統(tǒng)工程碩士學位。2001年，James以見習工程師的身份加入位于愛爾蘭利默里克的ADI公司，從事設(shè)計評估工作。他目前在隔離技術(shù)部門擔任應(yīng)用工程師，專門負責EMC方面的廣泛產(chǎn)品組合。聯(lián)系方式：james.scanlon@analog.com。