如何設(shè)計(jì)高壓隔離式電源,輕松實(shí)現(xiàn)緊湊、低 EMI 目標(biāo)?
發(fā)布時(shí)間:2020-09-18 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】在類(lèi)似醫(yī)療或工業(yè)廠房的設(shè)備應(yīng)用中,保護(hù)人員和設(shè)備不受高電壓的影響至關(guān)重要:有線病人監(jiān)護(hù)儀需要在除顫期間持續(xù)工作,相關(guān)的高壓瞬變會(huì)造成沉重的負(fù)擔(dān);操控精密機(jī)械臂所使用的現(xiàn)代高速通信會(huì)受到弧焊和其他設(shè)備引起的電氣噪聲干擾,造成重大安全生產(chǎn)事故;等等。因此,為了滿足安全法規(guī)以及降低噪聲,設(shè)計(jì)人員需要為高壓系統(tǒng)引入隔離。
在類(lèi)似醫(yī)療或工業(yè)廠房的設(shè)備應(yīng)用中,保護(hù)人員和設(shè)備不受高電壓的影響至關(guān)重要:有線病人監(jiān)護(hù)儀需要在除顫期間持續(xù)工作,相關(guān)的高壓瞬變會(huì)造成沉重的負(fù)擔(dān);操控精密機(jī)械臂所使用的現(xiàn)代高速通信會(huì)受到弧焊和其他設(shè)備引起的電氣噪聲干擾,造成重大安全生產(chǎn)事故;等等。因此,為了滿足安全法規(guī)以及降低噪聲,設(shè)計(jì)人員需要為高壓系統(tǒng)引入隔離。
然而,這通常會(huì)受到延遲、功耗、成本和尺寸等方面的限制。由于隔離的設(shè)計(jì)極其復(fù)雜,在控制功率和數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)隔離柵時(shí),往往會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(EMI),這些輻射發(fā)射會(huì)對(duì)其他電子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。傳統(tǒng)方法通常使用分立式電路和變壓器來(lái)傳輸功率,但這種方法笨重耗時(shí),會(huì)占用寶貴的PCB空間,極大地增加了成本。更經(jīng)濟(jì)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(huì)引入更高的輻射發(fā)射。針對(duì)此現(xiàn)狀,高性能模擬電路公司ADI推出了開(kāi)創(chuàng)性的isoPower® 芯片級(jí)集成隔離電源,可實(shí)現(xiàn)使用多個(gè)隔離電源的高密度、通道間隔離設(shè)計(jì),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(gè)問(wèn)題
設(shè)計(jì)隔離式電源可能是設(shè)計(jì)過(guò)程中最具挑戰(zhàn)性的一個(gè)方面。構(gòu)建一個(gè)解決方案需要權(quán)衡各種設(shè)計(jì)需求,且需要遵守全球多個(gè)不同地區(qū)的法規(guī)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(fù)面影響,或者降低了滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)的能力(EMC是指電子系統(tǒng)在其目標(biāo)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(fèi)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(biāo)準(zhǔn))。
電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)
若僅僅將變壓器和電路集成到芯片級(jí)封裝中,雖然減少了組件數(shù)量,但輻射發(fā)射抑制技術(shù)會(huì)使PCB的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜(或需要添加額外組件),因此可能會(huì)抵消集成變壓器所節(jié)省的成本和空間。例如,在PCB級(jí)別抑制輻射發(fā)射的一種常見(jiàn)方法是為寄生共模(CM)電流形成一個(gè)從次級(jí)端至初級(jí)端的低阻抗路徑,從而降低輻射發(fā)射水平。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),可以在初級(jí)端和次級(jí)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(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(fù)雜的PCB布局和提高瞬態(tài)敏感性為代價(jià)。
中心電源和接地層之間形成的內(nèi)部PCB旁路電容
理想情況下,集成的隔離電源組件應(yīng)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(fù)雜的設(shè)計(jì)。這樣一來(lái),只需將組件放置到2層板上,即可通過(guò)嚴(yán)格的輻射發(fā)射測(cè)試,而無(wú)需多次制作電路板。
創(chuàng)新低輻射技術(shù)完美應(yīng)對(duì)隔離挑戰(zhàn)
ADI公司的下一代isoPower® 系列產(chǎn)品采用創(chuàng)新的設(shè)計(jì)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在以大幅裕量滿足CISPR22/EN55022B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。
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(duì)稱(chēng)性和線圈驅(qū)動(dòng)電路,有助于將通過(guò)隔離柵的CM電流傳輸最小化。擴(kuò)頻技術(shù)也被用來(lái)降低某一特定頻率的噪聲密度,并將輻射發(fā)射能量擴(kuò)散到更廣泛的頻段。在次級(jí)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。在輻射發(fā)射合規(guī)測(cè)試期間,這些技術(shù)可以改善峰值和準(zhǔn)峰值測(cè)量水平。
概念A(yù)DuM5020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(jí)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(nèi)具有高阻抗(100MHz時(shí)為1800Ω,1GHz時(shí)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?yàn)殍F氧體磁珠的阻抗,CM電流環(huán)減小,偶極的有效長(zhǎng)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(lái)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?xún)r(jià)比高、復(fù)雜性低,占地面積小,且輻射發(fā)射性能出色,如果在設(shè)計(jì)周期開(kāi)始時(shí)就納入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,將有助于滿足EMC法規(guī)的要求。
高實(shí)測(cè)裕量助力提高設(shè)計(jì)靈活性
將ADuM5020/ADuM5028根據(jù)CISPR22/EN55022測(cè)試指南在10m半波暗室中進(jìn)行測(cè)試。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,ADuM5020/ADuM5028評(píng)估PCB被放置在距離天線校準(zhǔn)點(diǎn)10m遠(yuǎn)的非導(dǎo)電工作臺(tái)上。確保被測(cè)設(shè)備(DUT)附近沒(méi)有其他導(dǎo)電表面,以及沒(méi)有任何外部設(shè)備、金屬平面或電纜會(huì)干擾DUT的輻射發(fā)射測(cè)試。同時(shí)為了測(cè)試ADuM5020/ADuM5028評(píng)估板,使用帶板載低壓差穩(wěn)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。
10 m測(cè)試室的圖像和評(píng)估PCB
測(cè)試結(jié)果顯示,ADuM5020在輸出電源為5V(500mW),負(fù)載為100mA的情況下,以超過(guò)5dB的裕量通過(guò)了CISPR22/EN55022測(cè)試,這種程度的裕量能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)提供大幅的靈活性。
ADuM5020滿足CLASS B @ 100 mA負(fù)載
總結(jié)
在當(dāng)前關(guān)乎生命安全的應(yīng)用中,需要為人員和設(shè)備提供可靠的高壓保護(hù)的同時(shí),提供更小、更輕的解決方案。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足EN55022/CISPR22B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)要求,是實(shí)現(xiàn)緊湊、高性?xún)r(jià)比的隔離設(shè)計(jì)的理想選擇。
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問(wèn)題,請(qǐng)電話或者郵箱聯(lián)系小編進(jìn)行侵刪。
特別推薦
- 克服碳化硅制造挑戰(zhàn),助力未來(lái)電力電子應(yīng)用
- 了解交流電壓的產(chǎn)生
- 單結(jié)晶體管符號(hào)和結(jié)構(gòu)
- 英飛凌推出用于汽車(chē)應(yīng)用識(shí)別和認(rèn)證的新型指紋傳感器IC
- Vishay推出負(fù)載電壓達(dá)100 V的業(yè)內(nèi)先進(jìn)的1 Form A固態(tài)繼電器
- 康佳特推出搭載AMD 銳龍嵌入式 8000系列的COM Express緊湊型模塊
- 村田推出3225尺寸車(chē)載PoC電感器LQW32FT_8H系列
技術(shù)文章更多>>
- “扒開(kāi)”超級(jí)電容的“外衣”,看看超級(jí)電容“超級(jí)”在哪兒
- DigiKey 誠(chéng)邀各位參會(huì)者蒞臨SPS 2024?展會(huì)參觀交流,體驗(yàn)最新自動(dòng)化產(chǎn)品
- 提前圍觀第104屆中國(guó)電子展高端元器件展區(qū)
- 高性能碳化硅隔離柵極驅(qū)動(dòng)器如何選型,一文告訴您
- 貿(mào)澤電子新品推薦:2024年第三季度推出將近7000個(gè)新物料
技術(shù)白皮書(shū)下載更多>>
- 車(chē)規(guī)與基于V2X的車(chē)輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車(chē)安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車(chē)模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車(chē)用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門(mén)搜索