在電子系統(tǒng)中，出于各種原因需要隔離。需要它來保護(hù)人員和設(shè)備免受高壓的影響，或者只是簡(jiǎn)單地去除PCB上不需要的接地環(huán)路。它是各種應(yīng)用中的基本設(shè)計(jì)元素，包括工廠和工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、通信和消費(fèi)產(chǎn)品。隔離設(shè)計(jì)雖然非常必要，但也極其復(fù)雜。當(dāng)受控電源和數(shù)據(jù)信號(hào)穿過隔離柵時(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。

隔離設(shè)計(jì)雖然非常必要，但也極其復(fù)雜。當(dāng)受控電源和數(shù)據(jù)信號(hào)穿過隔離柵時(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。

隔離電路設(shè)計(jì)的一個(gè)重要步驟是跨隔離柵傳輸功率并減輕由此產(chǎn)生的RE。雖然傳統(tǒng)方法可能有效，但它們往往需要權(quán)衡取舍。它們可能包括使用分立電路和變壓器進(jìn)行電力傳輸。這是一種笨重、耗時(shí)的方法，占用寶貴的 PCB 空間，所有這些都會(huì)導(dǎo)致更高的成本。更具成本效益的解決方案將變壓器和所需電路集成到更小的外形尺寸中，例如芯片封裝。

雖然這節(jié)省了電路板空間并降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜性和成本，但它導(dǎo)致變壓器更小，繞組更少，并且需要更高的開關(guān)頻率（高達(dá)200 MHz）以有效地將所需功率傳輸?shù)酱渭?jí)側(cè)。在這些較高頻率下，寄生共模（CM）電流可能通過變壓器繞組從初級(jí)側(cè)容性耦合到次級(jí)側(cè)。由于隔離柵的性質(zhì)，沒有物理路徑將這些CM電流返回到初級(jí)側(cè)。隔離柵形成一個(gè)偶極子，該偶極子以CM電流的形式輻射能量并將其返回到初級(jí)側(cè)。這帶來了另一個(gè)重要的考慮因素：法規(guī)遵從性。

電磁兼容要求

在產(chǎn)品上市之前，它必須符合電磁兼容性 （EMC） 法規(guī)。將變壓器和所需電路集成到更小的封裝中會(huì)產(chǎn)生EMI，這需要復(fù)雜且昂貴的RE抑制技術(shù)才能滿足EMC法規(guī)。

EMC是電子系統(tǒng)在其預(yù)期環(huán)境中正常運(yùn)行而不干擾其他系統(tǒng)的能力。全球不同地區(qū)都存在EMC法規(guī)，以確保所有產(chǎn)品在存在其他產(chǎn)品的情況下都能正常運(yùn)行。輻射發(fā)射必須低于基于預(yù)期使用環(huán)境和應(yīng)用的特定水平。因此，EMC測(cè)試和認(rèn)證已成為將產(chǎn)品推向市場(chǎng)不可或缺的一部分。在歐盟銷售的產(chǎn)品需要CE標(biāo)志，而在美國銷售的產(chǎn)品需要FCC分類。獲得這些認(rèn)證需要在系統(tǒng)上執(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/EN 55011、CISPR 32/EN 55032 或 FCC 第 15 部分。

CISPR 11/EN 55011

本標(biāo)準(zhǔn)適用于設(shè)計(jì)用于工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 （ISM） 目的產(chǎn)生射頻能量的設(shè)備。在該標(biāo)準(zhǔn)中，設(shè)備可分為兩組。組 2 適用于有意在本地生成和使用射頻能量的所有 ISM 射頻設(shè)備。第 1 組包含標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)未歸類為第 2 組設(shè)備的所有設(shè)備。

CISPR 32/EN 55032

本標(biāo)準(zhǔn)適用于信息技術(shù)設(shè)備（ITE），其主要功能是數(shù)據(jù)和電信消息的輸入，存儲(chǔ)，顯示，檢索，傳輸，處理，交換或控制的組合，并且可以配備一個(gè)或多個(gè)通常用于信息傳輸?shù)慕K端端口。

設(shè)備在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)一步分類，每個(gè)類別都受一組單獨(dú)的排放限制。

A類：用于工業(yè)應(yīng)用和非住宅區(qū)的設(shè)備

B類：用于住宅環(huán)境的設(shè)備

由于 B 類限制涵蓋住宅（或輕工業(yè)）環(huán)境，在這些環(huán)境中，產(chǎn)品更有可能彼此靠近（在廣播無線電和電視接收器 10 米范圍內(nèi)），因此它們更嚴(yán)格（比 A 類低 10 dB），以免造成干擾問題。

圖 2 顯示了與 CISPR 11/EN 55011 和 CISPR 32/EN 55032 相關(guān)的 A 類和 B 類極限線。在此頻率范圍內(nèi)，符合 CISPR 32/EN 55032 B 類意味著符合 CISPR 11/EN 55011 B 類。

圖2.輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn) - 極限線。

在設(shè)計(jì)周期開始時(shí)考慮 EMC

據(jù)報(bào)道，50%的產(chǎn)品第一次沒有通過EMC測(cè)試。1這可能是由于缺乏知識(shí)以及未能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的早期應(yīng)用EMC設(shè)計(jì)技術(shù)。在功能設(shè)計(jì)完成之前忽略EMC通常會(huì)帶來耗時(shí)且成本高昂的挑戰(zhàn)。另外，隨著您在產(chǎn)品開發(fā)道路上的進(jìn)一步進(jìn)展，可用于解決 EMC 問題的技術(shù)會(huì)減少，因?yàn)槿绻怀鲞M(jìn)度和增加成本，就無法更改產(chǎn)品的各個(gè)方面。

在項(xiàng)目開始時(shí)就針對(duì) EMC 進(jìn)行設(shè)計(jì)對(duì)于最大限度地減少設(shè)計(jì)時(shí)間和項(xiàng)目成本至關(guān)重要。組件的選擇和放置也很重要。選擇和設(shè)計(jì)已經(jīng)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備可以提高滿足合規(guī)性的能力。

EMI 緩解技術(shù)：需要更好的方法

與使用分立變壓器的傳統(tǒng)方法相比，將變壓器和電路集成到芯片級(jí)封裝中將大大減少PCB空間，因?yàn)樵?shù)量減少，但可能會(huì)引入更高的輻射發(fā)射。輻射輻射抑制技術(shù)可能會(huì)抵消集成變壓器的節(jié)省，并且由于增加了PCB設(shè)計(jì)復(fù)雜性或額外的組件而節(jié)省了成本。

例如，在PCB級(jí)別減輕輻射發(fā)射的常用方法是為CM電流創(chuàng)建從次級(jí)側(cè)到初級(jí)側(cè)的低阻抗路徑，從而降低RE水平。這可以通過在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間使用旁路電容來實(shí)現(xiàn)。旁路電容可以是分立電容，也可以是嵌入式層間電容。

分立電容是最不復(fù)雜的解決方案，可以是引線或表面貼裝元件。它還具有適用于 2 層 PCB 的優(yōu)點(diǎn)， 但分立電容器既昂貴又笨重.它們還占用了寶貴的PCB空間，特別是在隔離柵沿線，其中多個(gè)元件可能堆疊在一起。

另一個(gè)不太理想的解決方案是使用嵌入式旁路電容，該電容是在PCB中的兩個(gè)平面重疊時(shí)形成的（圖3）。這種類型的電容器具有一些非常有用的特性，因?yàn)槠叫邪咫娙萜鞯碾姼袠O低，因此在較大的頻率范圍內(nèi)有效。它將提高輻射性能，但由于定制層厚度以獲得正確的電容以及PCB中四層或更多層的要求，它增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜性和成本。內(nèi)部重疊層之間的間距還必須滿足相關(guān)隔離標(biāo)準(zhǔn)定義的通過絕緣距離的最小規(guī)格。

圖3.內(nèi)部PCB旁路電容在中心電源層和接地層之間形成。

旁路接電容還允許交流漏電和瞬變跨越柵從一個(gè)接地層耦合到另一個(gè)接地層。雖然旁路電容通常很小，但高電壓、高速瞬變可以通過該電容在柵上注入大量電流。如果應(yīng)用受到苛刻的電磁瞬變，例如靜電放電、電快速瞬變和浪涌，也必須考慮到這一點(diǎn)。

使用旁路電容，無論是分立電容還是嵌入式電容，都不是理想的緩解技術(shù)。它將有助于減少輻射發(fā)射，但代價(jià)是額外的元件、復(fù)雜的PCB布局和增加的瞬態(tài)敏感性。理想的緩解技術(shù)不需要旁路電容，從而降低成本并降低PCB設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

消除對(duì)復(fù)雜緩解技術(shù)的需求

理想情況下，集成隔離電源組件應(yīng)包含減少芯片內(nèi)輻射的措施，并保證通過系統(tǒng)級(jí)輻射，而無需創(chuàng)建復(fù)雜的額外外部措施。這將允許通過嚴(yán)格的排放測(cè)試，而無需多次旋轉(zhuǎn)電路板，只需將組件放置在簡(jiǎn)單的 2 層板上即可。

低輻射發(fā)射隔離器

ADI公司的下一代isoPower?系列采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)，即使在沒有旁路電容的2層電路板上，也能避免產(chǎn)生高水平的輻射發(fā)射。ADuM5020和ADuM5028在隔離柵兩端分別提供500 mW和330 mW的功率，同時(shí)滿足CISPR 32/EN 55032 B類限制，具有相當(dāng)大的裕量。

圖4.ADuM5020和ADuM5028。

ADuM5020采用16引腳寬體SOIC封裝，而最小的封裝選項(xiàng)是ADuM5028的8引腳SOIC。ADuM5020/ADuM5028提供3 V和5 V電源選項(xiàng)，隔離額定值為3 kV rms。ADuM5020/ADuM5028提供5 kV rms，滿足與ADuM5020/ADuM5028相同的功率和輻射水平。

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，有助于最大限度地減少CM電流在柵上的傳輸。擴(kuò)頻技術(shù)還用于降低特定頻率下的噪聲濃度，并將輻射發(fā)射能量傳播到更寬的頻率范圍內(nèi)。在次級(jí)側(cè)使用廉價(jià)的鐵氧體磁珠可進(jìn)一步減少排放。這些技術(shù)提高了RE一致性測(cè)試期間的峰和準(zhǔn)峰測(cè)量水平。

圖5顯示了放置在靠近VISO和GNDISO引腳的次級(jí)側(cè)的鐵氧體磁珠。用于收集下一節(jié)中發(fā)射圖的鐵氧體是村田制作所BLM15HD182SN1。這些鐵氧體在寬頻率范圍內(nèi)具有高阻抗（100 MHz 時(shí)為 1800 Ω，1 GHz 時(shí)為 2700 Ω）。使用這些鐵氧體，偶極子的有效輻射效率降低。如圖6所示，由于鐵氧體磁珠的阻抗，偶極子的有效長度顯著縮短，導(dǎo)致偶極子效率降低并減少排放。

圖5.概念（a）ADuM5020和（b）鐵氧體特性曲線。

圖6.使用鐵氧體磁珠來減少有效偶極子。

ADuM5020/ADuM5028提供嵌入式DC-DC電源解決方案。它具有小尺寸和出色的可再生能源性能，是一種經(jīng)濟(jì)高效、低復(fù)雜性的解決方案，如果在設(shè)計(jì)周期開始時(shí)就設(shè)計(jì)到產(chǎn)品中，將有助于滿足EMC法規(guī)。

測(cè)試室的結(jié)果

ADuM5020/ADuM5028根據(jù)CISPR 32/EN 55032測(cè)試指南在10 m半消聲室中進(jìn)行測(cè)試。圖7顯示了一個(gè)典型的10 m腔室。ADuM5020/ADuM5028評(píng)估PCB放置在距離天線校準(zhǔn)點(diǎn)10 m處的非導(dǎo)電工作臺(tái)上，如標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定。重要的是，在DUT附近沒有其他導(dǎo)電表面，因?yàn)檫@會(huì)影響結(jié)果。圖8顯示了用于確定DUT高發(fā)射頻率的峰值掃描。找到這些點(diǎn)后，進(jìn)行準(zhǔn)峰值測(cè)量。在準(zhǔn)峰值測(cè)量期間，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn) 360°，天線高度從 1 m 升高到 4 m。記錄最壞情況下的準(zhǔn)峰值測(cè)量值，并與所需的極限線進(jìn)行比較。

圖7.10 m 腔室圖像和評(píng)估 PCB。

圖8.峰值圖—ADuM5020/ADuM5028。

重要的是，沒有外部設(shè)備、金屬平面或電纜干擾 DUT 的排放測(cè)試。為了測(cè)試ADuM5020/ADuM5028評(píng)估板，使用了帶有板載低壓差穩(wěn)壓器的電池，以保持電源電流環(huán)路較小，并消除不必要的布線。

圖8顯示了ADuM5020/ADuM5028在不同配置下捕獲的峰值圖。請(qǐng)注意，由于ADuM5020/ADuM5028采用的擴(kuò)頻技術(shù)，能量在寬帶上的擴(kuò)散。圖9顯示了最壞情況下準(zhǔn)峰值測(cè)量與CISPR 32/EN 55032 B類極限線的裕量。ADuM5020在5 V輸出電源（500 mW）時(shí)負(fù)載為100 mA，通過CISPR 32/EN 55032的裕量超過5 dB。這提供了很大程度的設(shè)計(jì)靈活性。這種裕量是有益的，建議使用，因?yàn)椴煌瑴y(cè)試設(shè)施中測(cè)試室的質(zhì)量、校準(zhǔn)和設(shè)備精度可能存在差異，從而導(dǎo)致測(cè)量差異。如果最終產(chǎn)品可以在不同的腔室進(jìn)行測(cè)試，并且必須符合CISPR 32 / EN 55032，則可能需要注意這一點(diǎn)。

ADI公司的下一代isoPower系列提供緊湊的即插即用型電源解決方案，無需復(fù)雜的PCB電平緩解即可滿足輻射限制。ADuM5020/ADuM5028為隔離式設(shè)計(jì)提供DC-DC即插即用型電源解決方案，符合以下輻射和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的輻射標(biāo)準(zhǔn)：

CISPR 32/EN 55032（B類）：信息技術(shù)設(shè)備

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

IEC 61000-6-4：通用標(biāo)準(zhǔn)—工業(yè)環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)

IEC 61000-6-3：通用標(biāo)準(zhǔn)—住宅、商業(yè)和輕工業(yè)環(huán)境的排放標(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

IEC 621326：測(cè)量、控制和實(shí)驗(yàn)室用電氣設(shè)備 EMC 要求—第 1 部分：一般要求

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

IEC 61800-3：可調(diào)速電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)-第3部分：EMC要求和特定測(cè)試方法

IEC 63044-5-1：家庭和樓宇電子系統(tǒng) （HBES） 和樓宇自動(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

降低隔離設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和折衷方案

設(shè)計(jì)隔離電源可能是設(shè)計(jì)過程中最具挑戰(zhàn)性的方面之一。創(chuàng)建解決方案需要在設(shè)計(jì)需求與全球多個(gè)不同地區(qū)的法規(guī)遵從性需求之間取得平衡。結(jié)果通常意味著妥協(xié)會(huì)對(duì)尺寸、重量和性能產(chǎn)生負(fù)面影響，或者威脅到滿足 EMC 法規(guī)遵從性的能力。

為了實(shí)現(xiàn)EMC的成功，在設(shè)計(jì)階段的早期就采用經(jīng)證明符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。EMC 應(yīng)該成為設(shè)計(jì)過程的一部分，而不是事后才想到的。使用旁路電容等緩解技術(shù)會(huì)降低電子系統(tǒng)的瞬態(tài)抗擾度，并增加成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。ADI公司的下一代isoPower系列提供輻射輻射抑制技術(shù)，無需旁路電容，同時(shí)仍符合CISPR 32/EN 55032 B類要求。ADuM5020/ADuM5028采用擴(kuò)頻技術(shù)，可降低任一頻率下的功率水平。出色的設(shè)計(jì)、變壓器線圈對(duì)稱性以及兩個(gè)小型廉價(jià)鐵氧體的使用減少了CM電流通過隔離柵進(jìn)入次級(jí)接地層。ADuM5020/ADuM5028 滿足 CISPR 32/EN 55032 B 類標(biāo)準(zhǔn)，無需昂貴的 PCB 級(jí) RE 緩解技術(shù)，從而降低成本。

審核編輯：郭婷