【導讀】在類似醫(yī)療或工業(yè)廠房的設備應用中，保護人員和設備不受高電壓的影響至關重要：有線病人監(jiān)護儀需要在除顫期間持續(xù)工作，相關的高壓瞬變會造成沉重的負擔；操控精密機械臂所使用的現(xiàn)代高速通信會受到弧焊和其他設備引起的電氣噪聲干擾，造成重大安全生產事故；等等。因此，為了滿足安全法規(guī)以及降低噪聲，設計人員需要為高壓系統(tǒng)引入隔離。
在類似醫(yī)療或工業(yè)廠房的設備應用中，保護人員和設備不受高電壓的影響至關重要：有線病人監(jiān)護儀需要在除顫期間持續(xù)工作，相關的高壓瞬變會造成沉重的負擔；操控精密機械臂所使用的現(xiàn)代高速通信會受到弧焊和其他設備引起的電氣噪聲干擾，造成重大安全生產事故；等等。因此，為了滿足安全法規(guī)以及降低噪聲，設計人員需要為高壓系統(tǒng)引入隔離。
然而，這通常會受到延遲、功耗、成本和尺寸等方面的限制。由于隔離的設計極其復雜，在控制功率和數(shù)據(jù)信號通過隔離柵時，往往會產生電磁干擾(EMI)，這些輻射發(fā)射會對其他電子系統(tǒng)和網絡的性能產生負面影響。傳統(tǒng)方法通常使用分立式電路和變壓器來傳輸功率，但這種方法笨重耗時，會占用寶貴的PCB空間，極大地增加了成本。更經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，但這樣做卻可能會引入更高的輻射發(fā)射。針對此現(xiàn)狀，高性能模擬電路公司ADI推出了開創(chuàng)性的isoPower® 芯片級集成隔離電源，可實現(xiàn)使用多個隔離電源的高密度、通道間隔離設計，所需元件更少，占用面積更小。
EMI抑制如何兼顧小尺寸、低成本？這是一個問題
設計隔離式電源可能是設計過程中最具挑戰(zhàn)性的一個方面。構建一個解決方案需要權衡各種設計需求，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（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，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）。
電磁干擾標準
若僅僅將變壓器和電路集成到芯片級封裝中，雖然減少了組件數(shù)量，但輻射發(fā)射抑制技術會使PCB的設計更加復雜（或需要添加額外組件），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寄生共模（CM）電流形成一個從次級端至初級端的低阻抗路徑，從而降低輻射發(fā)射水平。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。然而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。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。
中心電源和接地層之間形成的內部PCB旁路電容
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)射的措施以取代在外部額外增加復雜的設計。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。
創(chuàng)新低輻射技術完美應對隔離挑戰(zhàn)
ADI公司的下一代isoPower® 系列產品采用創(chuàng)新的設計技術，可以避免產生大量輻射發(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CISPR22/EN55022B類限制的同時，可以分別跨隔離柵提供500 mW和330 mW功率。
ADuM5020 /ADuM5028原理框圖
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。擴頻技術也被用來降低某一特定頻率的噪聲密度，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。在輻射發(fā)射合規(guī)測試期間，這些技術可以改善峰值和準峰值測量水平。
概念ADuM5020和鐵氧體特性曲線
上圖顯示了放置在靠近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（100MHz時為1800Ω，1GHz時為2700Ω）。這些鐵氧體降低了偶極的有效輻射效率。如下圖所示，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。
使用鐵氧體磁珠來減少有效偶極
ADuM5020/ADuM5028能夠提供即用型直流-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，且輻射發(fā)射性能出色，如果在設計周期開始時就納入到產品設計中，將有助于滿足EMC法規(guī)的要求。
高實測裕量助力提高設計靈活性
將ADuM5020/ADuM5028根據(jù)CISPR22/EN55022測試指南在10m半波暗室中進行測試。按照標準規(guī)定，ADuM5020/ADuM5028評估PCB被放置在距離天線校準點10m遠的非導電工作臺上。確保被測設備（DUT）附近沒有其他導電表面，以及沒有任何外部設備、金屬平面或電纜會干擾DUT的輻射發(fā)射測試。同時為了測試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。
10 m測試室的圖像和評估PCB
測試結果顯示，ADuM5020在輸出電源為5V(500mW)，負載為100mA的情況下，以超過5dB的裕量通過了CISPR22/EN55022測試，這種程度的裕量能夠為設計提供大幅的靈活性。
ADuM5020滿足CLASS B @ 100 mA負載
總結
在當前關乎生命安全的應用中，需要為人員和設備提供可靠的高壓保護的同時，提供更小、更輕的解決方案。ADI公司的下一代isoPower系列產品提供輻射發(fā)射抑制技術，無需具備旁路電容仍可滿足EN55022/CISPR22B類標準要求，是實現(xiàn)緊湊、高性價比的隔離設計的理想選擇。
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