这样设计高压隔离式电源,轻松实现紧凑、低 EMI 目标

时间:2020-09-17 14:00来源:21 Dianyuan

摘要:高性能模拟电路公司ADI推出了开创性的isoPower®芯片级集成隔离电源,可实现使用多个隔离电源的高密度、通道间隔离设计,所需元件更少,占用面积更小。

在类似医疗或工业厂房的设备应用中,保护人员和设备不受高电压的影响至关重要:有线病人监护仪需要在除颤期间持续工作,相关的高压瞬变会造成沉重的负担;操控精密机械臂所使用的现代高速通信会受到弧焊和其他设备引起的电气噪声干扰,造成重大安全生产事故;等等。因此,为了满足安全法规以及降低噪声,设计人员需要为高压系统引入隔离。
 
 
 
然而,这通常会受到延迟、功耗、成本和尺寸等方面的限制。由于隔离的设计极其复杂,在控制功率和数据信号通过隔离栅时,往往会产生电磁干扰(EMI),这些辐射发射会对其他电子系统和网络的性能产生负面影响。传统方法通常使用分立式电路和变压器来传输功率,但这种方法笨重耗时,会占用宝贵的PCB空间,极大地增加了成本。更经济高效的解决方案是将变压器和所需的电路集成到更小外形中,如芯片封装,但这样做却可能会引入更高的辐射发射。针对此现状,高性能模拟电路公司ADI推出了开创性的isoPower® 芯片级集成隔离电源,可实现使用多个隔离电源的高密度、通道间隔离设计,所需元件更少,占用面积更小。
 
EMI抑制如何兼顾小尺寸、低成本?这是一个问题

设计隔离式电源可能是设计过程中最具挑战性的一个方面。构建一个解决方案需要权衡各种设计需求,且需要遵守全球多个不同地区的法规要求。由此做出的牺牲往往带来了尺寸、重量和性能方面的负面影响,或者降低了满足EMC标准的能力(EMC是指电子系统在其目标环境中正常工作而不干扰其他系统的能力,在工业、医疗、通信和消费环境中,辐射发射通常必须符合CISPR 11/EN 55011、CISPR 22/EN 55022或FCC Part 15标准)。
 

 
电磁干扰标准
 
若仅仅将变压器和电路集成到芯片级封装中,虽然减少了组件数量,但辐射发射抑制技术会使PCB的设计更加复杂(或需要添加额外组件),因此可能会抵消集成变压器所节省的成本和空间。例如,在PCB级别抑制辐射发射的一种常见方法是为寄生共模(CM)电流形成一个从次级端至初级端的低阻抗路径,从而降低辐射发射水平。要实现这一点,可以在初级端和次级端之间使用旁路电容。该旁路电容可以是分立式电容,也可以是嵌入式夹层电容。然而无论是分立式还是嵌入式,使用旁路电容都不是理想的抑制技术。它虽然可以帮助减少辐射发射,却要以增加组件、采用复杂的PCB布局和提高瞬态敏感性为代价。
 

 
中心电源和接地层之间形成的内部PCB旁路电容
 
理想情况下,集成的隔离电源组件应该包含降低芯片辐射发射的措施以取代在外部额外增加复杂的设计。这样一来,只需将组件放置到2层板上,即可通过严格的辐射发射测试,而无需多次制作电路板。
 
创新低辐射技术完美应对隔离挑战

ADI公司的下一代isoPower® 系列产品采用创新的设计技术,可以避免产生大量辐射发射,甚至在没有旁路电容的2层板上也不例外。
ADuM5020ADuM5028在以大幅裕量满足CISPR22/EN55022B类限制的同时,可以分别跨隔离栅提供500 mW和330 mW功率。
 

 ADuM5020 /ADuM5028原理框图
 
为了减少辐射发射,ADuM5020/ADuM5028具有出色的线圈对称性和线圈驱动电路,有助于将通过隔离栅的CM电流传输最小化。扩频技术也被用来降低某一特定频率的噪声密度,并将辐射发射能量扩散到更广泛的频段。在次级端使用低价的铁氧体磁珠会进一步减少辐射发射。在辐射发射合规测试期间,这些技术可以改善峰值和准峰值测量水平。 


 
概念ADuM5020和铁氧体特性曲线
 
上图显示了放置在靠近VISO和GNDISO引脚的次级端的铁氧体磁珠。下一段中用于收集辐射发射图的铁氧体是Murata BLM15HD182SN1。这些铁氧体在宽频率范围内具有高阻抗(100MHz时为1800Ω,1GHz时为2700Ω)。这些铁氧体降低了偶极的有效辐射效率。如下图所示,因为铁氧体磁珠的阻抗,CM电流环减小,偶极的有效长度明显缩短,使得偶极效率降低,辐射发射减少。 


 
使用铁氧体磁珠来减少有效偶极
 
ADuM5020/ADuM5028能够提供即用型直流-直流电源解决方案。这种解决方案的性价比高、复杂性低,占地面积小,且辐射发射性能出色,如果在设计周期开始时就纳入到产品设计中,将有助于满足EMC法规的要求。
 
高实测裕量助力提高设计灵活性

将ADuM5020/ADuM5028根据CISPR22/EN55022测试指南在10m半波暗室中进行测试。按照标准规定,ADuM5020/ADuM5028评估PCB被放置在距离天线校准点10m远的非导电工作台上。确保被测设备(DUT)附近没有其他导电表面,以及没有任何外部设备、金属平面或电缆会干扰DUT的辐射发射测试。同时为了测试ADuM5020/ADuM5028评估板,使用带板载低压差稳压器的电池来保持较小的电源电流环,并消除不必要的布线。


 
10 m测试室的图像和评估PCB
 
测试结果显示,ADuM5020在输出电源为5V(500mW),负载为100mA的情况下,以超过5dB的裕量通过了CISPR22/EN55022测试,这种程度的裕量能够为设计提供大幅的灵活性。


 
ADuM5020满足CLASS B @ 100 mA负载
 
总结

在当前关乎生命安全的应用中,需要为人员和设备提供可靠的高压保护的同时,提供更小、更轻的解决方案。ADI公司的下一代isoPower系列产品提供辐射发射抑制技术,无需具备旁路电容仍可满足EN55022/CISPR22B类标准要求,是实现紧凑、高性价比的隔离设计的理想选择。

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