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亚博集团|通过辐射发射测试:如何避免采用复杂的EMI抑制技术以实现紧凑、高性价比的隔离设计

AG亚博集团-JamesScanlonADI公司出于各种原因,电子系统必须实行隔绝。它的起到是维护人员和设备不受高电压的影响,或者意味着是避免PCB上不必须的短路电路。在各种各样的应用于中,还包括工厂和工业自动化、医疗设备、通信和消费类产品,它都是一个基本设计元素。

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虽然隔绝至关重要,但它的设计也极为简单。掌控功率和数据信号通过隔绝栅时,不会产生电磁干扰(EMI)。

这些电磁辐射升空(RE)不会对其他电子系统和网络的性能产生负面影响。对于带上隔绝的电路设计,一个最重要的步骤是横跨隔绝栅传输功率,并减轻产生的RE。虽然传统方法有可能行之有效,但它们往往必须权衡权衡。其中有可能还包括用于分立式电路和变压器来传输功率。

这种方法轻巧耗时,不会闲置宝贵的PCB空间,无一会减少成本。更加经济高效的解决方案是将变压器和所需的电路构建到更加小外形中,如芯片PCB。虽然这样可以节省电路板空间,减少设计的复杂性和成本,但也使得变压器体积变大,不具备的绕组更加较少,必须更高的电源频率(高达200MHz)才能高效地将所须要的功率传输到次级末端。

在更高频率下,宿主共模(CM)电流有可能通过变压器的绕组以容性方式从初级末端耦合至次级末端。因隔绝栅的性质所限,没物理路径可以让这些CM电流回到初级末端。

隔绝栅构成一个偶极,将能量以CM电流的形式电磁辐射,并让其回到到初级末端。这就引起了另一个最重要考虑到因素:合规性。电磁兼容性(EMC)拒绝产品上市前,必需合乎EMC规定。

将变压器和所需的电路构建到更加小的PCB中不会产生EMI,因此必须使用简单且成本高昂的RE诱导技术,以符合电磁兼容性(EMC)法规的拒绝。EMC是指电子系统在其目标环境中长时间工作而不阻碍其他系统的能力。

全球有所不同地区都有EMC法规,用作保证所有产品在有其他产品不存在的情况下都能长时间工作。电磁辐射升空量必需高于目标用于环境和应用于场合所对应的规定水平。因此,EMC测试和证书已沦为产品上市过程的一个最重要组成部分。

在欧盟销售的产品必须具备CE标志,而在美国销售的产品则必须取得FCC分类证书。为获得这些证书,必须对系统继续执行一套EMC测试。

在工业、医疗、通信和消费环境中,电磁辐射升空一般来说必需合乎CISPR11/EN55011、CISPR22/EN55022或FCCPart15标准。图1.升空量升高的示例。CISPR11/EN55011此标准限于于为工业、科学和医疗(ISM)目的而设计的产生射频能量的设备。在标准范围内,设备有可能分成两组。

第2两组包括无意分解并在局部用于射频能量的所有ISMRF设备。第1两组包括此标准范围内不属于第2组的所有设备。

CISPR22/EN55022此标准限于于符合特例条件的信息技术设备(ITE):主要功能是将输出、存储、表明、检索、传输、处置、互相交换或控制数据和电信信息融合一起,有可能配有一个或多个终端端口,一般来说用作传输信息。在各个标准下,设备被更进一步分类,每个类别须要遵循一组分开的废气容许。uA类:用在工业应用于和非住宅区的设备uB类:用在住宅环境中的设备由于B类容许覆盖面积的是住宅(或轻工业)环境,而这种环境中的产品更加有可能彼此十分相似(广播和电视接收器的10米范围内),因此更为严苛(比A类较低10dB之多),以免引发阻碍问题。

图2表明了与CISPR11/EN55011和CISPR22/EN55022涉及的A类和B类容许线。在这个频率范围内,合乎CISPR22/EN55022B类标准意味著也合乎CISPR11/EN55011B类标准。图2.电磁辐射升空标准—容许线。

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在设计周期一开始就考虑到EMC据报导,50%的产品首次EMC测试都以告终收场。1这有可能是因为缺少涉及科学知识,且没能在产品设计阶段的早期应用于EMC设计技术。如果在功能设计已完成之前仍然忽视EMC问题,一般来说不会带给花费时间且代价高昂的挑战。

此外,随着产品开发过程的不断深入,需要用来解决问题EMC问题的技术也越来越少,因为产品方面的变更终将造成计划超时和成本增加。想最大限度地延长设计时间和减少项目成本,在项目开始时就展开EMC设计是至关重要的。组件的自由选择和摆放也很最重要。

将早已合乎行业标准的器件划入自由选择和设计可以提升合规性。EMI诱导技术:急需更佳的方法与用于分立式变压器的传统方法比起,将变压器和电路构建到芯片级PCB中可增加组件数量,进而大大节省PCB空间,但可能会引进更高的电磁辐射升空。电磁辐射升空诱导技术不会使PCB的设计更为简单,或必须额外组件,因此可能会抵销构建变压器所节省的成本和空间。例如,在PCB级别诱导电磁辐射升空的一种少见方法是为CM电流构成一个从次级末端至初级端的较低电阻路径,从而减少RE水平。

要构建这一点,可以在初级末端和次级末端之间用于旁路电容。该旁路电容可以是分立式电容,也可以是嵌入式夹层电容。分立式电容是最简单的解决方案,有可能是有引线或表面加装组件。它还具备限于于2层PCB的优点,但分立式电容价格昂贵且体积可观,不会闲置宝贵的PCB空间,特别是在有可能填充了多个组件的隔绝栅旁。

另一个不是很理想的解决方案是用于嵌入式旁路电容,当PCB中的两个面重合时就不会构成该电容(图3)。此类电容具备一些十分简单的特性,原因在于平行板电容的电感极低,因此在更大的频率范围内都有效地。

它可以提升升空性能,但因为必须自定义层薄来取得准确的电容,且PCB必须四层或更加多层,所以设计复杂性和成本都会升高。此外,还必需通过隔绝的方式,保证内部重合层的间距符合涉及隔绝标准所规定的低于距离标准。

图3.中心电源和相接地层之间构成的内部PCB旁路电容。旁路电容还容许交流外泄及瞬变横跨隔绝栅从一个相接地层耦合至另一个相接地层。虽然旁路电容一般较小,但高压高速瞬变可通过此电容横跨隔绝栅流经大量电流。

如果应用于须要忍受险恶的电磁瞬变,如静电静电、电较慢瞬变和浪涌,也必需考虑到这一点。无论是分立式还是嵌入式,用于旁路电容都不是理想的诱导技术。它虽然可以协助增加电磁辐射升空,却要以减少组件、使用简单的PCB布局和提升瞬态敏感性为代价。

理想的诱导技术不必须使用旁路电容,因此可以降低成本和PCB设计的复杂性。免职用于简单诱导技术的适当理想情况下,构建的隔绝电源组件应当包括减少芯片电磁辐射升空的措施,需要在外部额外减少简单的措施,才可保证通过系统级电磁辐射升空测试。这样一来,只需将组件摆放到2层板上,才可通过严苛的电磁辐射升空测试,而需要多次制作电路板。

低辐射升空隔离器ADI公司的下一代isoPower?系列产品使用创意的设计技术,可以防止产生大量电磁辐射升空,甚至在没旁路电容的2层板上也不值得注意。ADuM5020和ADuM5028在以大幅度裕量符合CISPR22/EN55022B类容许的同时,可以分别横跨隔绝栅获取500mW和330mW功率。图4.ADuM5020和ADuM5028。

ADuM5020使用16插槽公务机SOICPCB,而对于ADuM5028,可以自由选择的大于PCB是8插槽SOIC。ADuM5020/ADuM5028获取3V和5V两种电源选项,以及3kVrms额定隔绝。ADuM5020/ADuM5028获取5kVrms,可以超过与ADuM5020/ADuM5028完全相同的功率和电磁辐射升空水平。。

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