輻射發(fā)射測試：如何避免采用復雜的EMI抑制技術(shù)以實(shí)現緊湊、高性?xún)r(jià)比的隔離設計

出于各種原因，電子系統需要實(shí)施隔離。它的作用是保護人員和設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。在各種各樣的應用中，包括工廠(chǎng)和工業(yè)自動(dòng)化、醫療設備、通信和消費類(lèi)產(chǎn)品，它都是一個(gè)基本設計元素。

雖然隔離至關(guān)重要，但它的設計也極其復雜?？刂乒β屎蛿祿盘柾ㄟ^(guò)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 )對其他電子系統和網(wǎng)絡(luò )的性能產(chǎn)生負面影響。

對于帶隔離的電路設計，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。雖然傳統方法可能行之有效，但它們往往需要權衡取舍。其中可能包括使用分立式電路和變壓器來(lái)傳輸功率。這種方法笨重耗時(shí)，會(huì )占用寶貴的PCB空間，無(wú)一不會(huì )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。

雖然這樣可以節省電路板空間，降低設計的復雜性和成本，但也使得變壓器體積變小，具備的繞組更少，需要更高的開(kāi)關(guān)頻率（高達200 MHz）才能高效地將所需的功率傳輸到次級端。在更高頻率下，寄生共模(CM)電流可能通過(guò)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(méi)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(gè)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(gè)重要考慮因素：合規性。

電磁兼容性(EMC)要求

產(chǎn)品上市前，必須符合EMC規定。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，因此需要采用復雜且成本高昂的RE抑制技術(shù)，以滿(mǎn)足電磁兼容性(EMC)法規的要求。

EMC是指電子系統在其目標環(huán)境中正常工作而不干擾其他系統的能力。全球不同地區都有EMC法規，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)境和應用場(chǎng)合所對應的規定水平。因此，EMC測試和認證已成為產(chǎn)品上市過(guò)程的一個(gè)重要組成部分。在歐盟銷(xiāo)售的產(chǎn)品需要具有CE標志，而在美國銷(xiāo)售的產(chǎn)品則需要獲得FCC分類(lèi)認證。為取得這些認證，需要對系統執行一套EMC測試。在工業(yè)、醫療、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(xué)和醫療(ISM)目的而設計的產(chǎn)生射頻能量的設備。在標準范圍內，設備可能分為兩組。第2組包含有意生成并在局部使用射頻能量的所有ISM RF設備。第1組包含此標準范圍內不屬于第2組的所有設備。

CISPR 22/EN 55022

此標準適用于滿(mǎn)足下述條件的信息技術(shù)設備(ITE)：主要功能是將輸入、存儲、顯示、檢索、傳輸、處理、交換或控制數據和電信信息結合起來(lái)，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)標準下，設備被進(jìn)一步分類(lèi)，每個(gè)類(lèi)別需遵循一組單獨的排放限制。

A類(lèi)：用在工業(yè)應用和非住宅區的設備

B類(lèi)：用在住宅環(huán)境中的設備

由于B類(lèi)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），因此更加嚴格（比A類(lèi)低10 dB之多），以免引起干擾問(wèn)題。

圖2顯示了與CISPR 11/EN 55011和CISPR 22/EN 55022相關(guān)的A類(lèi)和B類(lèi)限制線(xiàn)。在這個(gè)頻率范圍內，符合CISPR 22/EN 55022 B類(lèi)標準意味著(zhù)也符合CISPR 11/EN 55011 B類(lèi)標準。

圖2.輻射發(fā)射標準—限制線(xiàn)。

在設計周期一開(kāi)始就考慮EMC

據報道，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)品設計階段的早期應用EMC設計技術(shù)。如果在功能設計完成之前一直忽略EMC問(wèn)題，通常會(huì )帶來(lái)耗費時(shí)間且代價(jià)高昂的挑戰。此外，隨著(zhù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的不斷深入，能夠用來(lái)解決EMC問(wèn)題的技術(shù)也越來(lái)越少，因為產(chǎn)品方面的更改必將導致計劃超時(shí)和成本增加。

想要最大限度地縮短設計時(shí)間和降低項目成本，在項目開(kāi)始時(shí)就進(jìn)行EMC設計是至關(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計可以提高合規性。

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量，進(jìn)而大大節省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的設計更加復雜，或需要額外組件，因此可能會(huì )抵消集成變壓器所節省的成本和空間。

例如，在PCB級別抑制輻射發(fā)射的一種常見(jiàn)方法是為CM電流形成一個(gè)從次級端至初級端的低阻抗路徑，從而降低RE水平。要實(shí)現這一點(diǎn)，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(jiǎn)單的解決方案，可能是有引線(xiàn)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PCB中的兩個(gè)面重合時(shí)就會(huì )形成該電容（圖3）。此類(lèi)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都有效。它可以提高發(fā)射性能，但因為需要自定義層厚來(lái)獲得正確的電容，且PCB需要四層或更多層，所以設計復雜性和成本都會(huì )增高。此外，還必須通過(guò)隔離的方式，確保內部重疊層的間距滿(mǎn)足相關(guān)隔離標準所規定的最低距離標準。

圖3.中心電源和接地層之間形成的內部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(guò)此電容跨隔離柵注入大量電流。如果應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(wú)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(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該包含降低芯片輻射發(fā)射的措施，無(wú)需在外部額外增加復雜的措施，即可確保通過(guò)系統級輻射發(fā)射測試。這樣一來(lái)，只需將組件放置到2層板上，即可通過(guò)嚴格的輻射發(fā)射測試，而無(wú)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 )新的設計技術(shù)，可以避免產(chǎn)生大量輻射發(fā)射，甚至在沒(méi)有旁路電容的2層板上也不例外。ADuM5020和ADuM5028在以大幅裕量滿(mǎn)足CISPR 22/EN 55022 B類(lèi)限制的同時(shí)，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A(yíng)DuM5028，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(xiàn)圈對稱(chēng)性和線(xiàn)圈驅動(dòng)電路，有助于將通過(guò)隔離柵的CM電流傳輸最小化。擴頻技術(shù)也被用來(lái)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(jià)的鐵氧體磁珠會(huì )進(jìn)一步減少輻射發(fā)射。在RE合規測試期間，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(xiàn)。

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具有高阻抗（100 MHz時(shí)為1800 Ω，1 GHz時(shí)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(cháng)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(lái)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?xún)r(jià)比高、復雜性低，占地面積小，且RE性能出色，如果在設計周期開(kāi)始時(shí)就納入到產(chǎn)品設計中，將有助于滿(mǎn)足EMC法規的要求。

來(lái)自測試室的結果

ADuM5020/ADuM5028根據CISPR 22/EN 55022測試指南在10 m半波暗室中進(jìn)行測試。圖7所示為一個(gè)典型的10 m測試室。按照標準規定，ADuM5020/ADuM5028評估PCB被放置在距離天線(xiàn)校準點(diǎn)10 m遠的非導電工作臺上。確保DUT附近沒(méi)有其他導電表面，因為這會(huì )影響測試結果。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)行準峰值測量。在準峰值測量期間，工作臺會(huì )旋轉360°,天線(xiàn)高度從1 m升高到4 m。記錄最壞情況的準峰值測量結果，并與限制線(xiàn)要求進(jìn)行比較。

確保沒(méi)有任何外部設備、金屬平面或電纜會(huì )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壓器的電池來(lái)保持較小的電源電流環(huán)，并消除不必要的布線(xiàn)。

圖8顯示了在不同配置下捕獲的ADuM5020/ADuM5028的峰值圖。由于在A(yíng)DuM5020/ADuM5028中采用了擴頻技術(shù)，注意寬頻段范圍內的能量擴散情況。圖9顯示了最壞情況的準峰值測量值與CISPR 22/EN 55022 B類(lèi)限制線(xiàn)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(guò)5 dB的裕量通過(guò)了CISPR 22/EN 55022測試。這提供了大幅的設計靈活性。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施中，測試室的質(zhì)量、校準和設備的精度可能存在差異，可能導致測量結果出現波動(dòng)。如果最終產(chǎn)品需要在不同的測試室進(jìn)行測試，且必須符合CISPR 22/EN 55022標準，那么這一點(diǎn)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(wú)需為了滿(mǎn)足輻射發(fā)射限制而采用復雜的PCB級抑制技術(shù)。ADuM5020/ADuM5028提供適用于隔離設計的直流-直流即用型電源解決方案，滿(mǎn)足以下輻射發(fā)射和產(chǎn)品標準要求：

CISPR 22/EN 55022（B類(lèi)）：信息技術(shù)設備

CISPR 11/EN 55011（B類(lèi)）：工業(yè)、科學(xué)和醫療設備

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：設備要求和測試

IEC 621326：用于測量、控制及實(shí)驗室用途的電氣設備

EMC要求—第1部分：一般要求

IEC 60601-1-2：醫療電氣設備第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：變速電力驅動(dòng)系統—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(HBES)及建筑自動(dòng)化和控制系統(BACS)—第5-1部分：EMC要求、條件和測試設置

減少隔離設計中的復雜性和矛盾

設計隔離式電源可能是設計過(guò)程中最具挑戰性的一個(gè)方面。構建一個(gè)解決方案需要權衡各種設計需求，且需要遵守全球多個(gè)不同地區的法規要求。由此做出的犧牲往往帶來(lái)了尺寸、重量和性能方面的負面影響，或者降低了滿(mǎn)足EMC標準的能力。

為了順利滿(mǎn)足EMC標準，可以在設計階段的早期采用已經(jīng)通過(guò)行業(yè)標準驗證的器件。EMC應該納入到設計過(guò)程中，而不是事后才考慮。采用諸如旁路電容之類(lèi)的抑制技術(shù)會(huì )降低電子系統抗瞬變的能力，并增加成本和設計復雜性。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(wú)需具備旁路電容，仍可滿(mǎn)足EN 55022/CISPR 22 B類(lèi)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。出色的設計、變壓器線(xiàn)圈對稱(chēng)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(mǎn)足CISPR 22/EN 55022 B類(lèi)要求，在2層PCB上具有大幅裕量，無(wú)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(jìn)行EMC測試都以失敗告終?！盜ntertek。

作者簡(jiǎn)介

James Scanlon于2001年獲得都柏林大學(xué)頒發(fā)的電子工程學(xué)學(xué)士學(xué)位。2008年，他獲得了利默里克大學(xué)的VLSI系統工程碩士學(xué)位。2001年，James以見(jiàn)習工程師的身份加入位于愛(ài)爾蘭利默里克的ADI公司，從事設計評估工作。他目前在隔離技術(shù)部門(mén)擔任應用工程師，專(zhuān)門(mén)負責EMC方面的廣泛產(chǎn)品組合。聯(lián)系方式：james.scanlon@analog.com。