在電子系統(tǒng)中，出于各種原因需要隔離。需要它來保護人員和設備免受高壓的影響，或者只是簡單地去除PCB上不需要的接地環(huán)路。它是各種應用中的基本設計元素，包括工廠和工業(yè)自動化、醫(yī)療設備、通信和消費產(chǎn)品。隔離設計雖然非常必要，但也極其復雜。當受控電源和數(shù)據(jù)信號穿過隔離柵時，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)絡的性能產(chǎn)生負面影響。

隔離設計雖然非常必要，但也極其復雜。當受控電源和數(shù)據(jù)信號穿過隔離柵時，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)絡的性能產(chǎn)生負面影響。

隔離電路設計的一個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，但它們往往需要權衡取舍。它們可能包括使用分立電路和變壓器進行電力傳輸。這是一種笨重、耗時的方法，占用寶貴的 PCB 空間，所有這些都會導致更高的成本。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計復雜性和成本，但它導致變壓器更小，繞組更少，并且需要更高的開關頻率（高達200 MHz）以有效地將所需功率傳輸?shù)酱渭墏取Ｔ谶@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側容性耦合到次級側。由于隔離柵的性質，沒有物理路徑將這些CM電流返回到初級側。隔離柵形成一個偶極子，該偶極子以CM電流的形式輻射能量并將其返回到初級側。這帶來了另一個重要的考慮因素：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產(chǎn)生EMI，這需要復雜且昂貴的RE抑制技術才能滿足EMC法規(guī)。

EMC是電子系統(tǒng)在其預期環(huán)境中正常運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行。輻射發(fā)射必須低于基于預期使用環(huán)境和應用的特定水平。因此，EMC測試和認證已成為將產(chǎn)品推向市場不可或缺的一部分。在歐盟銷售的產(chǎn)品需要CE標志，而在美國銷售的產(chǎn)品需要FCC分類。獲得這些認證需要在系統(tǒng)上執(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 32/EN 55032 或 FCC 第 15 部分。

CISPR 11/EN 55011

本標準適用于設計用于工業(yè)、科學和醫(yī)療 （ISM） 目的產(chǎn)生射頻能量的設備。在該標準中，設備可分為兩組。組 2 適用于有意在本地生成和使用射頻能量的所有 ISM 射頻設備。第 1 組包含標準范圍內(nèi)未歸類為第 2 組設備的所有設備。

CISPR 32/EN 55032

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

設備在每個標準中進一步分類，每個類別都受一組單獨的排放限制。

A類：用于工業(yè)應用和非住宅區(qū)的設備

B類：用于住宅環(huán)境的設備

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)射標準 - 極限線。

在設計周期開始時考慮 EMC

據(jù)報道，50%的產(chǎn)品第一次沒有通過EMC測試。1這可能是由于缺乏知識以及未能在產(chǎn)品設計階段的早期應用EMC設計技術。在功能設計完成之前忽略EMC通常會帶來耗時且成本高昂的挑戰(zhàn)。另外，隨著您在產(chǎn)品開發(fā)道路上的進一步進展，可用于解決 EMC 問題的技術會減少，因為如果不超出進度和增加成本，就無法更改產(chǎn)品的各個方面。

在項目開始時就針對 EMC 進行設計對于最大限度地減少設計時間和項目成本至關重要。組件的選擇和放置也很重要。選擇和設計已經(jīng)符合行業(yè)標準的設備可以提高滿足合規(guī)性的能力。

EMI 緩解技術：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封裝中將大大減少PCB空間，因為元件數(shù)量減少，但可能會引入更高的輻射發(fā)射。輻射輻射抑制技術可能會抵消集成變壓器的節(jié)省，并且由于增加了PCB設計復雜性或額外的組件而節(jié)省了成本。

例如，在PCB級別減輕輻射發(fā)射的常用方法是為CM電流創(chuàng)建從次級側到初級側的低阻抗路徑，從而降低RE水平。這可以通過在初級側和次級側之間使用旁路電容來實現(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， 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，其中多個元件可能堆疊在一起。

另一個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中的兩個平面重疊時形成的（圖3）。這種類型的電容器具有一些非常有用的特性，因為平行板電容器的電感極低，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，它增加了設計復雜性和成本。內(nèi)部重疊層之間的間距還必須滿足相關隔離標準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接地層耦合到另一個接地層。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。

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。它將有助于減少輻射發(fā)射，但代價是額外的元件、復雜的PCB布局和增加的瞬態(tài)敏感性。理想的緩解技術不需要旁路電容，從而降低成本并降低PCB設計復雜性。

消除對復雜緩解技術的需求

理想情況下，集成隔離電源組件應包含減少芯片內(nèi)輻射的措施，并保證通過系統(tǒng)級輻射，而無需創(chuàng)建復雜的額外外部措施。這將允許通過嚴格的排放測試，而無需多次旋轉電路板，只需將組件放置在簡單的 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)新設計技術，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，同時滿足CISPR 32/EN 55032 B類限制，具有相當大的裕量。

圖4.ADuM5020和ADuM5028。

ADuM5020采用16引腳寬體SOIC封裝，而最小的封裝選項是ADuM5028的8引腳SOIC。ADuM5020/ADuM5028提供3 V和5 V電源選項，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具有出色的線圈對稱性和線圈驅動電路，有助于最大限度地減少CM電流在柵上的傳輸。擴頻技術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)。在次級側使用廉價的鐵氧體磁珠可進一步減少排放。這些技術提高了RE一致性測試期間的峰和準峰測量水平。

圖5顯示了放置在靠近VISO和GNDISO引腳的次級側的鐵氧體磁珠。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 時為 1800 Ω，1 GHz 時為 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)濟高效、低復雜性的解決方案，如果在設計周期開始時就設計到產(chǎn)品中，將有助于滿足EMC法規(guī)。

測試室的結果

ADuM5020/ADuM5028根據(jù)CISPR 32/EN 55032測試指南在10 m半消聲室中進行測試。圖7顯示了一個典型的10 m腔室。ADuM5020/ADuM5028評估PCB放置在距離天線校準點10 m處的非導電工作臺上，如標準中規(guī)定。重要的是，在DUT附近沒有其他導電表面，因為這會影響結果。圖8顯示了用于確定DUT高發(fā)射頻率的峰值掃描。找到這些點后，進行準峰值測量。在準峰值測量期間，工作臺旋轉 360°，天線高度從 1 m 升高到 4 m。記錄最壞情況下的準峰值測量值，并與所需的極限線進行比較。

圖7.10 m 腔室圖像和評估 PCB。

圖8.峰值圖—ADuM5020/ADuM5028。

重要的是，沒有外部設備、金屬平面或電纜干擾 DUT 的排放測試。為了測試ADuM5020/ADuM5028評估板，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。請注意，由于ADuM5020/ADuM5028采用的擴頻技術，能量在寬帶上的擴散。圖9顯示了最壞情況下準峰值測量與CISPR 32/EN 55032 B類極限線的裕量。ADuM5020在5 V輸出電源（500 mW）時負載為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計靈活性。這種裕量是有益的，建議使用，因為不同測試設施中測試室的質量、校準和設備精度可能存在差異，從而導致測量差異。如果最終產(chǎn)品可以在不同的腔室進行測試，并且必須符合CISPR 32 / EN 55032，則可能需要注意這一點。

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，無需復雜的PCB電平緩解即可滿足輻射限制。ADuM5020/ADuM5028為隔離式設計提供DC-DC即插即用型電源解決方案，符合以下輻射和產(chǎn)品標準中規(guī)定的輻射標準：

CISPR 32/EN 55032（B類）：信息技術設備

CISPR 11 / EN 55011（B類）：工業(yè)，科學和醫(yī)療設備

IEC 61000-6-4：通用標準—工業(yè)環(huán)境排放標準

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

IEC 61131-2：可編程控制器—第2部分：設備要求和測試

IEC 621326：測量、控制和實驗室用電氣設備 EMC 要求—第 1 部分：一般要求

IEC 60601-1-2：醫(yī)用電氣設備第1-2部分：基本安全和基本性能的一般要求-附帶標準：電磁干擾-要求和測試

IEC 61800-3：可調(diào)速電力驅動系統(tǒng)-第3部分：EMC要求和特定測試方法

IEC 63044-5-1：家庭和樓宇電子系統(tǒng) （HBES） 和樓宇自動化和控制系統(tǒng) （BACS） - 第 5-1 部分：EMC 要求、條件和測試設置

降低隔離設計的復雜性和折衷方案

設計隔離電源可能是設計過程中最具挑戰(zhàn)性的方面之一。創(chuàng)建解決方案需要在設計需求與全球多個不同地區(qū)的法規(guī)遵從性需求之間取得平衡。結果通常意味著妥協(xié)會對尺寸、重量和性能產(chǎn)生負面影響，或者威脅到滿足 EMC 法規(guī)遵從性的能力。

為了實現(xiàn)EMC的成功，在設計階段的早期就采用經(jīng)證明符合行業(yè)標準的設備。EMC 應該成為設計過程的一部分，而不是事后才想到的。使用旁路電容等緩解技術會降低電子系統(tǒng)的瞬態(tài)抗擾度，并增加成本和設計復雜性。ADI公司的下一代isoPower系列提供輻射輻射抑制技術，無需旁路電容，同時仍符合CISPR 32/EN 55032 B類要求。ADuM5020/ADuM5028采用擴頻技術，可降低任一頻率下的功率水平。出色的設計、變壓器線圈對稱性以及兩個小型廉價鐵氧體的使用減少了CM電流通過隔離柵進入次級接地層。ADuM5020/ADuM5028 滿足 CISPR 32/EN 55032 B 類標準，無需昂貴的 PCB 級 RE 緩解技術，從而降低成本。

審核編輯：郭婷