Mark Cantrell
我具有集成隔離電源(isoPower)的耦合器數(shù)字隔離器采用隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器,可在高達(dá)700 MHz的頻率下切換~300 mA的電流。 在這些高頻下工作會(huì)引起對(duì)輻射發(fā)射和傳導(dǎo)噪聲的擔(dān)憂。PCB 布局和構(gòu)造是控制包含 isoPower 組件的應(yīng)用的輻射發(fā)射和噪聲的非常重要的工具。本應(yīng)用說(shuō)明確定了輻射機(jī)制,并提供了應(yīng)對(duì)這些機(jī)制的具體指導(dǎo)。??
輻射發(fā)射有幾種標(biāo)準(zhǔn)。在美國(guó),聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)控制標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試方法。在歐洲,國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)制定標(biāo)準(zhǔn),CISPR測(cè)試方法用于評(píng)估排放。在這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下,方法和通過/失敗限制略有不同。雖然本應(yīng)用筆記是參照CISPR標(biāo)準(zhǔn)編寫的,但所有結(jié)果均適用于這兩種標(biāo)準(zhǔn)。
通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)選擇,iso功率器件可以輕松滿足 CISPR A 類 (FCC A 類) 排放標(biāo)準(zhǔn)。在非屏蔽環(huán)境中,這些產(chǎn)品還可以滿足 CISPR B 類和 FCC 第 15 部分、B 子部分、B 類(FCC B 類)標(biāo)準(zhǔn)。本應(yīng)用筆記探討了與PCB相關(guān)的EMI抑制技術(shù),包括電路板布局和堆疊問題。本應(yīng)用筆記中描述的技術(shù)、示例布局和測(cè)量高度依賴于PCB結(jié)構(gòu)中的可用選項(xiàng)。需要 4 層 PCB 來(lái)實(shí)現(xiàn)評(píng)估的 EMI 控制技術(shù).提供更多內(nèi)部 PCB 層的可用性可在更小幾何形狀的 PCB 中降低相同的 EMI。就本應(yīng)用筆記而言,設(shè)計(jì)和制造了4層板,其材料和結(jié)構(gòu)完全符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
控制信號(hào)電纜和機(jī)箱屏蔽技術(shù)的輻射超出了本應(yīng)用筆記的范圍。
.iso電源概述
表1所示的iso電源產(chǎn)品代表了隔離技術(shù)向前邁出的重要一步。ADI公司利用其在微變壓器設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn),打造芯片級(jí)DC-DC電源轉(zhuǎn)換器。這些電源轉(zhuǎn)換器集成在ADI公司的信號(hào)隔離產(chǎn)品中。在 3.3 V 至 15 V 的輸出電壓范圍內(nèi),可提供高達(dá) <> 瓦的功率水平。 ISO電源用于為 i耦合器數(shù)據(jù)通道的次級(jí)側(cè)供電,并為片外負(fù)載供電。
帶線性穩(wěn)壓器的開環(huán) | 開環(huán),帶初級(jí)側(cè) PWM 控制 | 高功率全反饋PWM控制 | 低功耗全反饋 PWM 控制 |
ADuM5240 ADuM5241 ADuM5242 |
ADuM5230 ADuM6132 |
ADuM5000 ADuM5200 ADuM5201 ADuM5202 ADuM5400 ADuM5401 ADuM5402 ADuM5403 ADuM5404 ADuM6000 ADuM6200 ADuM6201 ADuM6202 ADuM6400 ADuM6401 ADuM6402 ADuM6403 ADuM6404 |
ADuM5010 ADuM5210 ADuM5211 ADuM5212 ADuM6010 ADuM6210 ADuM6211 ADuM6212 |
由于ADI公司標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)耦合器使用類似的磁性技術(shù),因此EMI在純數(shù)據(jù)耦合器和iso功率器件的數(shù)據(jù)通道中可能是一個(gè)問題。數(shù)據(jù)通道的輻射在AN-1109應(yīng)用筆記“i耦合器器件中的輻射發(fā)射控制”中進(jìn)行了討論。
ADI公司使用多種電源架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的設(shè)計(jì)目標(biāo),例如效率、小尺寸和高輸出電壓(見圖1)。
圖1..iso電源架構(gòu)。
這些架構(gòu)具有三個(gè)共同元件:變壓器將電源耦合到i耦合器的次級(jí)側(cè),振蕩器諧振電路,以最佳頻率將電流切換到變壓器以實(shí)現(xiàn)高效功率傳輸,以及整流器在次級(jí)側(cè)重新創(chuàng)建直流電平。這些產(chǎn)品中使用了幾種調(diào)節(jié)方法。
變壓器的物理特性要求振蕩器電路以180 MHz至300 MHz的速率開關(guān)進(jìn)入變壓器的電流。在整流過程中,次級(jí)側(cè)的整流電路有效地使該頻率加倍。
這些功能在開關(guān)電源中很常見;但是,工作頻率比標(biāo)準(zhǔn)DC-DC轉(zhuǎn)換器高三個(gè)數(shù)量級(jí)。轉(zhuǎn)換器在30 MHz至1 GHz范圍內(nèi)工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲是輻射發(fā)射的問題。
輻射發(fā)射源
使用isoPower的PCB中有兩種排放源:邊緣輻射和輸入到輸出偶極子排放。
邊緣排放
當(dāng)意外電流遇到接地層和電源層的邊緣時(shí),就會(huì)發(fā)生邊緣輻射。這些意外電流可能來(lái)自
高功率電流吸收器旁路不足產(chǎn)生的接地和電源噪聲。
圓柱形輻射磁場(chǎng)來(lái)自電感通過穿透層在電路板層之間輻射出去,最終與電路板邊緣相遇。
帶狀線圖像 從太靠近電路板邊緣的高頻信號(hào)線傳播的電荷電流。
當(dāng)來(lái)自許多來(lái)源的差分噪聲與電路板邊緣相遇時(shí),會(huì)產(chǎn)生邊緣輻射(見圖2),從平面到平面的空間泄漏并充當(dāng)波導(dǎo)。
圖2.來(lái)自邊緣的邊緣輻射與地面電源對(duì)相匹配。
在邊邊界,有兩個(gè)限制條件。接地層和電源層的邊緣對(duì)齊,如圖2所示,或者一個(gè)邊緣被拉回一定量,如圖3所示。在第一種邊緣排列的情況下,有一些反射回PCB中,并且有一些場(chǎng)從PCB傳輸出去。在第二種情況下,板的邊緣形成類似于貼片天線邊緣的結(jié)構(gòu)。當(dāng)邊緣不匹配>20h時(shí),其中h是平面到平面間距,磁場(chǎng)非常有效地耦合出PCB,導(dǎo)致非常高的發(fā)射。這兩種限制情況對(duì)于討論P(yáng)CB的邊緣處理非常重要。
圖3.來(lái)自邊緣不匹配電源接地對(duì)的邊緣輻射。
輸入至輸出偶極子發(fā)射
輸入至輸出偶極子輻射是通過驅(qū)動(dòng)電流源穿過接地層之間的間隙而產(chǎn)生的。這是 iso電源應(yīng)用中輻射的主要機(jī)制。隔離電源本質(zhì)上是驅(qū)動(dòng)能量穿過接地層的間隙。與功率信號(hào)相關(guān)的高頻圖像電荷無(wú)法越過邊界會(huì)導(dǎo)致間隙上的差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)偶極子。在許多情況下,這是一個(gè)非常大的偶極子,如圖4所示。類似的機(jī)制會(huì)導(dǎo)致高頻信號(hào)線在穿過接地層和電源層的分路時(shí)輻射。這種類型的輻射主要垂直于地平面的間隙。
圖4.輸入和輸出之間的偶極子輻射。
ADuM5400、ADuM5401、ADuM5402、ADuM5403和ADuM5404器件是產(chǎn)生和降低排放所涉及的問題的良好示例。這些器件中的振蕩器諧振電路運(yùn)行頻率約為 180 MHz。它可以在次級(jí)側(cè)引腳的控制下將其輸出調(diào)節(jié)至5 V或3.3 V。輸入電壓范圍為3 V至5 V。最高功率工作模式為5 V輸入和5 V輸出,是本應(yīng)用筆記中介紹的主要配置。
在滿100 mA輸出負(fù)載下工作時(shí),平均輸入電流約為290 mA。這意味著在180 MHz的開關(guān)速率下,諧振電路中的峰值電流約為該值的兩倍。
該元件的旁路電容應(yīng)該在本地提供這種高頻電流。對(duì)于旁路電容器來(lái)說(shuō),這是很大的電流。電容器必須提供較大的電荷儲(chǔ)備。同時(shí),電容器必須在180 MHz時(shí)具有非常低的串聯(lián)電阻。即使引腳附近有多個(gè)低ESR電容,電感受限旁路也允許電壓瞬變,并將噪聲注入到接地和電源層。
功率傳輸?shù)捷敵鰝?cè),在那里整流為直流。整流過程使儲(chǔ)罐頻率加倍,達(dá)到 360 MHz。輸入到輸出的發(fā)射在整流頻率和罐頻率,以及一些更高的諧波。圖5顯示了在帶有近場(chǎng)探頭的2層評(píng)估板上收集的最差情況數(shù)據(jù)。
圖5.2層板的近場(chǎng)發(fā)射的FFT。
如圖 5 所示,具有近場(chǎng)輻射且沒有機(jī)箱屏蔽的電路板在 30 MHz 峰值時(shí)將比 FCC B 類輻射標(biāo)準(zhǔn)低約 360 dB。
傳導(dǎo)噪聲源
大電流和大頻率也會(huì)在接地層和電源層上產(chǎn)生傳導(dǎo)噪聲。這個(gè)問題與輻射發(fā)射一起解決,因?yàn)閮煞N類型的EMI的原因和補(bǔ)救措施都是通過相同的PCB接地和電源結(jié)構(gòu)解決的。
旁路電容器和接地/電源層無(wú)法為 iso電源 DC-DC 轉(zhuǎn)換器提供足夠的高頻電流導(dǎo)致 VDD噪聲。DC-DC轉(zhuǎn)換器以2.5 ns脈沖突發(fā)切換電源,幅度為~700 mA。
幾微法拉的理想旁路電容器應(yīng)足以提供電流的交流分量。實(shí)際的旁路電容器并不理想,它們通過電感過孔連接到一個(gè)或更可能的電源層。此外,接地層和電源層之間的距離較大,它們之間會(huì)產(chǎn)生較大的電感,從而限制了它們快速提供電流的能力。這些因素導(dǎo)致V上高頻噪聲的很大一部分DD飛機(jī)。
電磁干擾抑制技術(shù)
設(shè)計(jì)人員可以使用許多緩解技術(shù)。本節(jié)介紹了幾種直接適用于 iso電源器件的技術(shù)。要使設(shè)計(jì)通過FCC/CISPR輻射水平,必須選擇如何積極解決EMI取決于設(shè)計(jì)的要求以及成本和性能權(quán)衡。最容易實(shí)現(xiàn)的輻射EMI抑制技術(shù)是將PCB放置在接地機(jī)箱中,濾波元件可限制電纜屏蔽層上逸出的噪聲。雖然本應(yīng)用筆記沒有介紹此選項(xiàng),但請(qǐng)注意,如果PCB相關(guān)技術(shù)不切實(shí)際,這種方法仍然可用。
EMI抑制實(shí)踐依賴于具有相對(duì)連續(xù)的接地層和電源層,以及指定它們?cè)诙询B中的相對(duì)位置和距離的能力。這決定了平面的最小總數(shù)為三個(gè):接地、電源和信號(hào)平面。
出于電路板制造中的實(shí)際考慮,4層電路板是最小的堆疊。更多的層是可以接受的,可以用來(lái)大大提高推薦技術(shù)的有效性。以下技術(shù)可有效降低EMI輻射和板載噪聲:
輸入至輸出接地層旁路電容
功率控制
邊緣防護(hù)
平面間電容旁路
準(zhǔn)備了具有測(cè)試結(jié)構(gòu)的電路板,以利用ADuM5400、ADuM5401、ADuM5402、ADuM5403和ADuM5404評(píng)估每種EMI抑制技術(shù)。每個(gè)板的布局盡可能少地變化,以便對(duì)結(jié)果進(jìn)行有意義的比較。測(cè)試在屏蔽室的EMI測(cè)試設(shè)施中進(jìn)行。正如預(yù)期的那樣,在EMI測(cè)試期間,確定槽頻率(180 MHz)的發(fā)射主要在電路板平面上,這表明輻射的主要機(jī)制來(lái)自PCB邊緣。整流發(fā)射(360 MHz)主要垂直于電路板中的隔離間隙,表明輸入到輸出偶極子輻射。
輸入到輸出拼接
當(dāng)電流沿著PCB走線流動(dòng)時(shí),鏡像電荷沿著走線下方的接地層流過。如果走線穿過接地層中的間隙,則鏡像電荷無(wú)法跟隨。這會(huì)在PCB中產(chǎn)生差分電流和電壓,導(dǎo)致輻射和傳導(dǎo)發(fā)射。解決方案是為圖像電荷提供一條路徑,使其跟隨信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)做法是在接地層的分路信號(hào)附近放置一個(gè)旁路電容(參見參考部分的Archambeault和Drewniak的實(shí)際EMI控制的PCB設(shè)計(jì))。同樣的技術(shù)可以最大限度地減少由于isoPower的操作而導(dǎo)致的接地層之間的輻射。
至少有三個(gè)選項(xiàng)可以形成旁路電容。
? 橫跨屏障的安全額定電容器。
? 一個(gè)浮動(dòng)的金屬平面,跨越內(nèi)層隔離側(cè)和非隔離側(cè)之間的間隙,如圖 6 所示。
? 將內(nèi)層的接地層和電源層延伸到PCB的隔離間隙中,形成電容,如圖7所示。
圖7.重疊平面拼接電容。
這些備選辦法中的每一個(gè)在有效性和需要實(shí)施的領(lǐng)域方面都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
安全額定電容器
旁路電容可以通過在屏障兩端使用簡(jiǎn)單的陶瓷電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)。具有保證爬電距離、電氣間隙和耐壓的電容器可以從許多主要的電容器制造商處獲得,例如村田制作所、約翰森、日野和 Vishay。安全額定電容器根據(jù)其預(yù)期用途提供多種等級(jí)。Y2 等級(jí)用于有觸電危險(xiǎn)的線對(duì)地應(yīng)用,是安全額定應(yīng)用中拼接電容器的推薦安全電容器類型。這種類型的電容器有表面貼裝和徑向引線盤版本。
由于安全電容器是分立元件,因此必須通過焊盤或通孔連接到PCB。這在電容器固有電感之上增加了電容器的電感。它還使旁路電容局部化,要求電流流向電容,這會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱的圖像電荷路徑并增加噪聲。這些因素將分立電容器的有效性限制在低于約200 MHz的頻率。
拼接電容內(nèi)置于PCB中
PCB本身可以設(shè)計(jì)為以多種方式創(chuàng)建旁路電容結(jié)構(gòu)。當(dāng)PCB中的兩個(gè)平面重疊時(shí),形成電容器。在這種類型的電容器中,形成的平行板電容器的電感極低,并且電容分布在大面積上。
這些結(jié)構(gòu)必須構(gòu)建在PCB的內(nèi)層上。表面層具有最小的爬電距離和間隙要求;因此,將表面層用于這種類型的結(jié)構(gòu)是不切實(shí)際的。這至少需要四層板。
一個(gè)不錯(cuò)的選擇是在電路板的內(nèi)層使用浮動(dòng)金屬結(jié)構(gòu)在初級(jí)和次級(jí)電源層之間架橋。請(qǐng)注意,在下文中,專用于接地或電源的平面稱為參考平面,因?yàn)閺慕涣髟肼暤慕嵌葋?lái)看,它們的行為相同,并且可以互換用于拼接電容。
浮動(dòng)電容結(jié)構(gòu)
浮動(dòng)旁路電容的示例如圖6所示。參考平面以藍(lán)色和綠色顯示,浮動(dòng)耦合平面以黃色顯示。該結(jié)構(gòu)的電容產(chǎn)生兩個(gè)電容區(qū)域(用陰影顯示),由結(jié)構(gòu)的非重疊部分連接。為了確保為結(jié)構(gòu)區(qū)域產(chǎn)生最佳電容,初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的重疊區(qū)域應(yīng)相等。
圖6中結(jié)構(gòu)的容性耦合由平行板電容器的以下基本關(guān)系計(jì)算得出:
其中:
C為總旁路電容。
AX是每個(gè)參考平面的拼接電容的重疊面積。
d是PCB中絕緣層的厚度(見圖6)。
ε0是自由空間的介電常數(shù),8.854 × 10?12F/m.
εr是PCB絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù),F(xiàn)R4約為5.4。
其中w1,w2、d 和 l 是浮動(dòng)平面以及主參考平面和次參考平面重疊部分的尺寸,如圖 6 所示。
如果w1 = w2,方程簡(jiǎn)化為
這種結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中各有優(yōu)缺點(diǎn)。主要優(yōu)點(diǎn)是有兩個(gè)隔離間隙,一個(gè)在初級(jí),一個(gè)在次級(jí)。這些間隙稱為膠結(jié)接頭, 其中 FR4 層之間的粘合提供了隔離.還有兩條通過PCB材料厚度的順序路徑.在某些隔離標(biāo)準(zhǔn)下創(chuàng)建強(qiáng)化隔離柵時(shí),這些間隙和厚度的存在是有利的。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是電容形成在有源電路區(qū)域下,因此可能存在穿過間隙的貫穿和走線。公式2還表明,與簡(jiǎn)單的平行板電容器相比,形成的單位面積產(chǎn)生的電容效率只有其一半。
這種架構(gòu)最適合具有較大電路板面積或需要加強(qiáng)絕緣的應(yīng)用。
間隙重疊拼接
實(shí)現(xiàn)良好旁路電容的一種簡(jiǎn)單方法是將參考平面從初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)延伸到PCB表面用于爬電的區(qū)域。
圖7中結(jié)構(gòu)的容性耦合由平行板電容器的以下基本關(guān)系計(jì)算得出:
其中:
C為總旁路電容。
d是PCB中絕緣層的厚度,
ε0是自由空間的介電常數(shù),8.854 × 10?12 F/m。
εr是PCB絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù),F(xiàn)R4約為5.4。
其中 w、d 和 l 是主參考平面和次參考平面重疊部分的尺寸,如圖 7 所示。
這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是電容在隔離器下方的間隙中產(chǎn)生,出于爬電距離和間隙原因,頂層和底層必須保持透明。在大多數(shù)設(shè)計(jì)中,該電路板區(qū)域根本沒有利用。產(chǎn)生的單位面積電容效率也是浮動(dòng)平面的兩倍。
這種架構(gòu)在主參考平面和次參考平面之間只有一個(gè)膠合接頭和一層FR4。它非常適合只需要基本絕緣的小型電路板。
邊緣防護(hù)
到達(dá)電路板邊緣的電源和接地層上的噪聲可能會(huì)輻射,如圖2和圖3所示。如果邊緣用屏蔽結(jié)構(gòu)處理,噪聲會(huì)反射回平面間空間(參見參考部分中的Archambeault和Drewniak)。這會(huì)增加平面上的電壓噪聲,但會(huì)減少邊緣輻射。在PCB上進(jìn)行固體導(dǎo)電邊緣處理是可能的,但該過程很昂貴。一種效果良好的較便宜的解決方案是用通孔連接在一起的保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)處理電路板的邊緣。典型 8 層板的結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。圖9顯示了如何在電路板初級(jí)側(cè)的電源層和接地層上實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)。
圖9.通過圍欄和保護(hù)環(huán),顯示在主電源層上。
創(chuàng)建邊緣防護(hù)有兩個(gè)目標(biāo)。第一種是將過孔的圓柱形發(fā)射反射回平面間空間,不允許其從邊緣逸出。第二種是屏蔽由于噪聲或大電流而在內(nèi)部平面上流動(dòng)的任何邊緣電流。
如果沒有廣泛的建模,很難確定用于創(chuàng)建邊緣保護(hù)的過孔間距。ADI公司的測(cè)試板使用4 mm的過孔間距作為評(píng)估板。該間距足夠小,可以為小于18 GHz的信號(hào)提供衰減,并且符合其他來(lái)源的一般指導(dǎo)。所需的過孔數(shù)量是合理的。沒有對(duì)通孔密度進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)查。
平面間電容旁路
平面間電容旁路是一種旨在通過改善高頻旁路完整性來(lái)減少電路板傳導(dǎo)和輻射發(fā)射的技術(shù)。這有兩個(gè)有益的效果。首先,它減少了高頻噪聲在接地和電源層對(duì)中傳播的距離。其次,它通過提供在200 MHz和1 GHz之間有效的旁路電容來(lái)降低注入電源接地層的初始噪聲(參見參考部分中的Archambeault和Drewniak)。電源和接地降噪為iso功率器件附近的噪聲敏感組件提供了更好的工作環(huán)境。傳導(dǎo)輻射的減少與功率和地面噪聲的降低成正比。輻射發(fā)射的減少不如縫合或邊緣保護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的顯著減少;但是,它顯著改善了電路板的電源環(huán)境。
EMI測(cè)試板使用的堆疊是信號(hào)-接地-電源-信號(hào),如圖10所示。薄芯層用于電源層和接地層。這些緊密耦合的平面提供層間電容層,補(bǔ)充器件正常工作所需的旁路電容。
圖 10.用于平面間電容的PCB堆疊。
除了接地層和電源層外,還可以通過交替接地和電源填充來(lái)填充信號(hào)層來(lái)進(jìn)一步增加電容。圖10中的頂層和底層標(biāo)有信號(hào)/電源和信號(hào)/接地,以說(shuō)明這些特定層上的填充。這還有一個(gè)額外的好處,那就是為在通孔圍欄結(jié)構(gòu)邊緣泄漏的EMI創(chuàng)建額外的屏蔽,使其保持在PCB中。在進(jìn)行接地和電力填充時(shí)必須小心。這些填充必須綁回整個(gè)參考平面,因?yàn)楦?dòng)填充可以充當(dāng)貼片天線并輻射而不是屏蔽。一些建議的填充做法包括
填充應(yīng)沿邊緣連接到適當(dāng)?shù)膮⒖计矫?,?10 mm 通孔一次。
應(yīng)去除填充物的細(xì)手指。
如果填充具有不規(guī)則形狀,請(qǐng)將過孔放在形狀的最邊緣
平面間電容的有效性如圖12所示。圖中顯示了PWM控制ADuM5000等器件或該系列類似器件中初級(jí)側(cè)振蕩器所產(chǎn)生的噪聲(有關(guān)器件列表,請(qǐng)參見表1)。頂部是V上的噪音電子數(shù)據(jù)處理在 2 層板中生成的引腳。中間部分顯示了接地層和電源層相隔 24 mil 的 PCB 的實(shí)質(zhì)性改進(jìn)。最后,在下部窗格中,間隔為4 mil的緊密間隔的接地和電源層顯示出遠(yuǎn)小于電源紋波的噪聲。
圖 11.填充功能。
圖 12.VDD各種堆疊選項(xiàng)的電壓噪聲。
功率降低
在具有有源反饋架構(gòu)的iso功率器件中,可以通過盡可能長(zhǎng)時(shí)間地保持油箱電路關(guān)閉來(lái)減少排放。在輕負(fù)載下運(yùn)行iso電源可以為表1中列出的器件實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。負(fù)載減少被證明是影響排放水平的一個(gè)非常重要的因素。
工作電壓
工作電壓是使用 isoPower 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要選擇的最后一個(gè)參數(shù)。它不像簡(jiǎn)單地選擇低功耗或低電壓工作條件那么簡(jiǎn)單。如圖13所示,180 MHZ時(shí)的輻射與PWM調(diào)節(jié)信號(hào)的占空比密切相關(guān),并且在很大程度上與工作電壓無(wú)關(guān)。PWM 占空比控制振振主動(dòng)切換的時(shí)間比例。這意味著諧振電路產(chǎn)生的噪聲(180 MHz峰值)與平均電流不成正比。
圖 13.180 MHz 諧振電路頻率與 PWM 占空比的關(guān)系。
360 MHz 時(shí)的輻射與平均負(fù)載電流成正比。在實(shí)際應(yīng)用中,這意味著從EMI的角度來(lái)看,選擇在3.3 V還是5 V下工作更好取決于需要控制的峰值和所需的負(fù)載電流。有關(guān)更多信息,請(qǐng)參見本應(yīng)用筆記的工作負(fù)載和電壓依賴性部分。
推薦的設(shè)計(jì)實(shí)踐
請(qǐng)考慮以下一般設(shè)計(jì)實(shí)踐,以最大程度地減少PCB上的EMI問題。這些方法不會(huì)在PCB中引入任何需要認(rèn)證審查的額外隔離邊界。
使用至少四層的堆疊。
盡可能緊密地隔開電源層和接地層,以優(yōu)化旁路。
電源路徑中的所有過孔都應(yīng)盡可能大。小過孔具有高電感并產(chǎn)生噪聲。使用多個(gè)小過孔在降低過孔電感方面不如單個(gè)大通孔有效,因?yàn)榧词勾嬖诙鄠€(gè)路徑,大部分電流也會(huì)通過最近的過孔。
要非常小心地針對(duì)單個(gè)參考平面布線信號(hào)線。保持圖像電荷路徑至關(guān)重要,這樣圖像電荷就不必通過迂回路線行進(jìn),從而在另一個(gè)平面上與原始信號(hào)相遇。
不要在靠近PCB邊緣的高速線路布線。
路由數(shù)據(jù)或斷電板,尤其是通過電纜,可能會(huì)引入額外的輻射問題。饋通濾波電容器或類似的濾波結(jié)構(gòu)可用于最大限度地減少電纜輻射。
滿足隔離標(biāo)準(zhǔn)
本應(yīng)用筆記中描述的技術(shù)不影響電路板隔離,但通過旁路電容的輸入至輸出耦合除外。當(dāng)使用安全電容器進(jìn)行拼接時(shí),電容器具有額定工作電壓和瞬態(tài)電壓,以及指定的爬電距離和電氣間隙。從認(rèn)證的角度來(lái)看,這使得安全電容器相對(duì)容易處理。然而,它作為EMI抑制元件的性能是有限的。
PCB旁路電容, 就其性質(zhì)而言, 當(dāng)導(dǎo)體盡可能靠近彼此時(shí),最有效.為了從這些元件中獲得最大性能,有必要將內(nèi)部間距要求盡可能接近極限,同時(shí)保持安全性。不同的標(biāo)準(zhǔn)可以有完全不同的PCB結(jié)構(gòu)方法,必須應(yīng)用適用的標(biāo)準(zhǔn).
認(rèn)證機(jī)構(gòu)對(duì)待多層PCB的表層與內(nèi)層不同.表面具有爬電距離和間隙要求,這些要求由空氣電離和沿臟表面的擊穿驅(qū)動(dòng)。內(nèi)層被視為固體絕緣或固體絕緣之間的永久膠合接頭。
圖 14.PCB 設(shè)計(jì)中的臨界距離。
在PCB絕緣中,對(duì)于認(rèn)證機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō),重要的是材料具有足夠的介電擊穿以通過瞬態(tài)測(cè)試要求,并且它們的構(gòu)造方式使絕緣不會(huì)隨著時(shí)間的推移而擊穿。表2將四種標(biāo)準(zhǔn)與在PCB內(nèi)部制造基本或加強(qiáng)絕緣屏障所需的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較。
絕緣類型 | IEC 60950 | IEC 61010 第 2 版 | IEC 61010 第 3 版 | IEC 60601 | |||
通層絕緣 (2.10.6.4) | 沿膠結(jié)接頭(2.10.6.3) | 通層絕緣(6.7.2.2.3) | 沿膠結(jié)接頭(6.7.2.2.3) | 通層絕緣 (6.7) | 沿膠結(jié)接頭 (6.7) | 膠合和固體絕緣 | |
功能性絕緣 | 無(wú)要求 | 無(wú)要求 | 無(wú)要求 | 無(wú)要求 | 最小 0.4 毫米 | 最小 0.4 毫米 | 通過測(cè)試驗(yàn)證 |
基本絕緣 | 無(wú)要求 | 無(wú)要求 | 無(wú)要求 | 無(wú)要求 | 最小 0.4 毫米 | 最小 0.4 毫米 | 通過測(cè)試驗(yàn)證 |
補(bǔ)充/增強(qiáng)絕緣 | 最小 0.4 mm 或多層絕緣層,預(yù)固化 | 最小 0.4 毫米 (2.10.5.2) | 無(wú)要求 | 無(wú)要求 | 最小 0.4 mm 或多層絕緣層,預(yù)固化 | 最小 0.4 毫米 | 通過測(cè)試驗(yàn)證 |
在印刷電路板中的基本絕緣的情況下, 沒有通過絕緣距離的最低規(guī)格.因此,設(shè)計(jì)人員在電路板布局方面具有很大的靈活性。FR4 等材料必須足夠厚,以承受產(chǎn)品使用壽命內(nèi)所需的過電壓。
增強(qiáng)絕緣需要沿粘合表面的最小距離為 0.4 mm(約 16 mil),例如內(nèi)部 PCB 層上銅結(jié)構(gòu)之間的間隙,或者在大多數(shù)情況下直接穿過層與層之間的絕緣。此外, 除非在有源結(jié)構(gòu)之間使用多層絕緣,否則電路板可能存在型式測(cè)試要求.雖然這一要求需要仔細(xì)的電路板設(shè)計(jì),并且可能超過四層,但如果在設(shè)計(jì)開始時(shí)考慮到它不應(yīng)該是繁瑣的。
隔離柵兩端的容性耦合允許交流泄漏和瞬變從一個(gè)接地層耦合到另一個(gè)接地層。雖然300 pF看起來(lái)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(yīng)用程序要受這些環(huán)境的影響,請(qǐng)考慮這一點(diǎn)。
評(píng)估 PCB 結(jié)構(gòu)的 EMI
選擇PCB結(jié)構(gòu)和技術(shù)的組合可以實(shí)現(xiàn)所需的系統(tǒng)輻射EMI目標(biāo)。輻射發(fā)射有兩套標(biāo)準(zhǔn),一套來(lái)自美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC),另一套來(lái)自IEC的一個(gè)特別委員會(huì)國(guó)際擾動(dòng)無(wú)線電電技術(shù)委員會(huì)(CISPR)。
在本應(yīng)用筆記中,CISPR22輻射標(biāo)準(zhǔn)用于評(píng)估PCB結(jié)果。圖 15 顯示了 FCC 和 CISPR 水平之間的關(guān)系。在大多數(shù)頻譜中,CISPR水平比FCC水平更保守,并且由于國(guó)際市場(chǎng)的許多產(chǎn)品必須同時(shí)滿足這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn),因此本應(yīng)用筆記僅引用CISPR通過限制。如果需要分析所需的相關(guān) FCC 級(jí)別,請(qǐng)參閱圖 15。
圖 15.FCC 和 CISPR 限制校正為 10 m 天線距離。
通過創(chuàng)建一組具有不同旁路電容、邊緣保護(hù)和尺寸組合的評(píng)估板,驗(yàn)證了EMI抑制技術(shù)的有效性。這些實(shí)驗(yàn)的對(duì)照是 4 層 PCB,內(nèi)部接地和電源層由 4 mil 的 FR4 隔開。這在邊界的每一側(cè)都提供了大量的平面間電容,沒有邊沿保護(hù),也沒有旁路電容,如圖16所示。測(cè)試在 3 米屏幕房間的 EMI 設(shè)施中進(jìn)行。目標(biāo)是查看廣泛的排放范圍,而不是關(guān)注單個(gè)峰值。該測(cè)試的峰值與10米遠(yuǎn)場(chǎng)結(jié)果的結(jié)果密切相關(guān)。
圖 16.控制板。
參考圖15,這些頻率下的發(fā)射必須在30 MHz時(shí)低于180 dBμV/m,在37 MHz時(shí)必須低于360 dBμV/m,歸一化為10 m天線距離,才能達(dá)到B類輻射水平??刂瓢宓呐渲帽徽J(rèn)為是隔離應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)PCB布局。5 V工作條件和滿載下的輻射是輻射發(fā)射的最壞情況。圖 17 顯示了為控制板收集的設(shè)施數(shù)據(jù)。需要注意的特征是180 MHz的儲(chǔ)罐頻率峰值和360 MHz的整流頻率。當(dāng)施加EMI抑制時(shí),較高頻率的諧波通常會(huì)消失。
圖 17.控制板在 5 V 和 90% 負(fù)載時(shí)的輻射。
表3顯示,該板的輻射很大,對(duì)于32 MHz峰值,必須降低360 dB,對(duì)于36 MHz峰值必須降低180 dB,才能使其符合CISPR B類。
要求 | 180兆赫 | 360兆赫 |
2層PCB輻射 B級(jí)限制 |
62分貝 30分貝 |
73分貝 37分貝 |
所需的電磁干擾降低 | 32分貝 | 36分貝 |
在旁路電容結(jié)果和邊緣保護(hù)結(jié)果部分中,所提供的數(shù)據(jù)歸一化為無(wú)旁路電容的5 V/5 V 90%負(fù)載條件,因此可以直接從應(yīng)用板的基線操作中減去圖20、圖22、圖23和表4中的值。
主板類型 | 180兆赫 | 360兆赫 |
邊緣防護(hù)罩 | ?11 dBμV/m | ?4.5 dBμV/m |
拼接電容結(jié)果
增加旁路電容已被證明是減少整個(gè)頻譜輻射的最有效方法。當(dāng)它具有非常低的電感并且分布在整個(gè)屏障長(zhǎng)度上時(shí),它是最有效的。實(shí)現(xiàn)一定水平的拼接電容的最佳幾何形狀取決于可用空間和控制設(shè)計(jì)的法規(guī)要求。在本次評(píng)估中,采用了間隙重疊電容,因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生較大的電容,并使用通常清除所有走線和元件的PCB部分。還有其他幾個(gè)選項(xiàng)可用,集成技術(shù)部分對(duì)此進(jìn)行了介紹。
圖18顯示了PCB布局,其中勾勒出內(nèi)部平面。該板建立在 4 mil 內(nèi)核上,電源和接地層從兩側(cè)延伸至中間重疊。重疊為 l = 114 mm x w = 6.5 mm,間距為 d = 0.1 mm。 應(yīng)用公式4,旁路電容為300 pF。另外制造了一個(gè)長(zhǎng)度較短的PCB,以產(chǎn)生150 pF的旁路電容。修改后還允許進(jìn)行75 pF電容測(cè)量。
圖 18.重疊旁路電容。
示例數(shù)據(jù)集如圖 19 所示。在預(yù)期頻率下可以清楚地看到峰值。兩條曲線表示無(wú)旁路電容的控制板和300 pF重疊旁路電容配置。根據(jù)峰值的不同,由于旁路電容,發(fā)射會(huì)大幅下降25 dB至30 dB。峰值隨負(fù)載和電壓而變化,但降低與工作電壓和負(fù)載電流無(wú)關(guān)。
圖 19.300 pF旁路電容對(duì)負(fù)載10%的ADuM5400或類似器件輻射的影響。
圖20總結(jié)了作為旁路電容函數(shù)的輻射。請(qǐng)注意,曲線的形狀取決于發(fā)射峰值的頻率范圍。在電容大于200 pF之前,較低頻率的輻射(<150 MHz)僅略有降低。較高頻率的發(fā)射(>200 MHz)在低于150 pF時(shí)減少的大部分頻率。
圖 20.在5%負(fù)載下,5 V/10 V工作時(shí),通過拼接電容降低輻射。
曲線形狀的差異似乎主要與電容耦合中的電感和達(dá)到最佳結(jié)果所需的電容量有關(guān)。在360 MHz時(shí),低電感旁路已將輸入和輸出平面與150 pF充分耦合。180 MHz輻射主要來(lái)自輸入層,需要更多的大容量電容來(lái)減少輻射。這使得一些選項(xiàng)可用;由于大多數(shù)分量電容器在200 MHz以下作為旁路仍然非常有效,因此旁路電容可以由基于PCB的低電感旁路和分立元件電容器的組合制成,以增加總電容。集成技術(shù)部分檢查了幾個(gè)選項(xiàng)示例。
曲線的形狀表明,當(dāng)由于可用的電路板空間而限制旁路電容量時(shí),必須采取其他措施來(lái)減少低頻輻射,例如增加元件電容或邊緣保護(hù)。
邊緣防護(hù)結(jié)果
在iso電源系統(tǒng)中,大部分電流在初級(jí)側(cè)接地和電源層以及將它們連接到有源引腳的過孔中流動(dòng)。這導(dǎo)致大部分邊緣輻射發(fā)生在初級(jí)側(cè)。邊沿保護(hù)在應(yīng)用于轉(zhuǎn)換器初級(jí)側(cè)的平面時(shí)最為有效。圖 21 說(shuō)明了如何向測(cè)試車輛添加邊緣防護(hù)。
圖 21.重疊旁路電容、邊緣保護(hù)和接地/電源填充。
兩側(cè)都安裝了防護(hù)裝置,但在輔助平面上效果較差。除參考層(見圖8和圖9)外,每層都應(yīng)用保護(hù)環(huán),每4 mm通過通孔連接在一起的層。 在i耦合器附近有幾種圍欄選擇。如果間距很緊,則可以在設(shè)備下的所有層上中斷圍欄,如圖21所示。保護(hù)環(huán)也只能在頂層和底層中斷,并且可以在內(nèi)層繼續(xù)。邊緣圍欄的中斷越多,EMI泄漏的可能性就越大。
在某些系統(tǒng)隔離要求中,沿膠結(jié)接頭可能需要很長(zhǎng)的距離,直至整個(gè)表面爬電距離。在這些情況下,縫合和邊緣保護(hù)仍然是可能的,甚至更可取。如果需要較長(zhǎng)的內(nèi)部PCB爬電距離,在許多情況下,旁路電容結(jié)構(gòu)看起來(lái)與圖3所示的失調(diào)邊緣情況非常相似,后者可以成為高效的散熱器。對(duì)偏移邊沿使用邊沿保護(hù)的示例如圖 27 所示。
邊緣保護(hù)板的結(jié)果如表4所示。由于大部分邊沿輻射是由較大的初級(jí)側(cè)電流在初級(jí)側(cè)產(chǎn)生的,因此在180 MHz峰值(通常約為?11 dBμV/m)處降低幅度最大。360 MHz峰值的結(jié)果不到一半。
工作負(fù)載和電壓依賴性
排放與振缸振蕩器開啟的時(shí)間長(zhǎng)短直接相關(guān)。圖22和圖23顯示了儲(chǔ)罐頻率和整流頻率的排放如何隨負(fù)載變化。在較高負(fù)載下,輻射與電流幾乎成線性關(guān)系。在非常輕的負(fù)載下,排放會(huì)顯著下降,而油箱電路可能無(wú)法完全打開。在輕負(fù)載和低輸出電壓下,可以將罐和整流排放降低 20 dB 以上。
圖 22.180 MHz 時(shí)的輻射與負(fù)載電流的關(guān)系。
圖 23.360 MHz 時(shí)的輻射與負(fù)載電流的關(guān)系。
由于儲(chǔ)罐占空比與不同電壓下的負(fù)載電流的關(guān)系,在180 mA和60.3 V負(fù)載下工作時(shí),3 MHz輻射包含的能量與在100 mA和5 V下工作的能量一樣多(見圖22)。但是,在5 V下傳輸?shù)墓β适瞧鋬杀兑陨稀?/p>
當(dāng)圖360中檢查23 MHz行為時(shí),它的行為更符合預(yù)期,3.3 V輻射幾乎在整個(gè)工作范圍內(nèi)較低。在低負(fù)載條件下以3.3 V電壓運(yùn)行具有顯著優(yōu)勢(shì)。
當(dāng)比較不同電壓下的180 MHz和360 MHz響應(yīng)時(shí),這些結(jié)果表明,在3.3 V和低負(fù)載下工作時(shí),在180 MHz時(shí)只有很小的損失,而在360 MHz時(shí)有好處。如果有高負(fù)載電流,最好在5 V下運(yùn)行。
平面間電容式
在這些設(shè)計(jì)中使用平面間電容對(duì)輻射的影響很小,但對(duì)電源噪聲有顯著影響。用于拼接電容的相同層也在勢(shì)壘的每一側(cè)產(chǎn)生平面間電容。為旁路電容產(chǎn)生良好耦合的相同特性也使面間電容良好,即薄層和連續(xù)平面。
圖21所示的電路板在信號(hào)層的未使用部分實(shí)現(xiàn)了交替接地和電源填充。這會(huì)增加層間電容,對(duì)隔離沒有影響。填充島以每 10 mm 的通孔連接到各自的平面,并且布局小心以避免填充手指或孤立的島。
在高層數(shù)板中使用信號(hào)層還可以通過多層的交叉計(jì)算來(lái)增加旁路電容(有關(guān)更多信息,請(qǐng)參閱積分技術(shù)部分)。
整合技術(shù)
確定應(yīng)將本應(yīng)用說(shuō)明中描述的哪些方法結(jié)合使用以實(shí)現(xiàn)排放目標(biāo),需要進(jìn)行預(yù)期的基線排放測(cè)量。如果沒有其他估計(jì)值,則可以使用控制板的行為。許多選項(xiàng)對(duì)成本或面積的影響不大,可以在任何多層PCB上實(shí)現(xiàn)。選擇PCB布局和應(yīng)用技術(shù)以最小化EMI的過程如圖24所示。這會(huì)將該過程分為三類:不影響隔離的項(xiàng)目、具有隔離影響的項(xiàng)目,最后是系統(tǒng)級(jí)方法,例如屏蔽。
圖 24.選擇 EMI 緩解選項(xiàng)。
為了說(shuō)明這一過程,我們審查了兩個(gè)例子,它們涵蓋了該過程的大多數(shù)方面。首先,創(chuàng)建兩種類型的應(yīng)用板。
平均電流為 60 mA 的 PCB,必須滿足基本絕緣要求
提供小于 10 mA 電流但能夠加強(qiáng)絕緣的 PCB
控制板用作基線。其滿載時(shí)的排放量與CISPR B類限值一起顯示在表3中。
示例 1 - 基本絕緣板
對(duì)于第一個(gè)布局示例,假設(shè)60 mA負(fù)載是應(yīng)用所需的最大負(fù)載。這無(wú)需任何設(shè)計(jì)工作即可將排放量減少幾分貝。但是,由于從isoPower的角度來(lái)看,這仍然是一個(gè)相對(duì)較重的電流應(yīng)用,因此建議對(duì)初級(jí)側(cè)進(jìn)行邊緣保護(hù)。邊沿保護(hù)可將180 MHz峰值降低10 dB,并在一定程度上降低360 MHz峰值。此外,對(duì)于大功率要求,選擇5 V/5 V工作條件可實(shí)現(xiàn)最低的輻射(見圖22)。如果應(yīng)用PCB上連接了敏感的模擬電路或長(zhǎng)電纜,則應(yīng)考慮優(yōu)化平面間電容,但這是可選的。
使用已經(jīng)使用的方法,發(fā)射已從基線降低到11 dB至15 dB,但要獲得B類所需的32 dB和36 dB降低,必須采用旁路電容。由于這不是醫(yī)療應(yīng)用,因此用戶可以靈活地添加交叉勢(shì)壘電容。只需要基本的絕緣;因此,最小尺寸的旁路電容是單重疊選項(xiàng)。將迄今為止的降低相加,在15 MHz峰值中產(chǎn)生180 dB,在11 MHz峰值中產(chǎn)生360 dB。這使得較低頻率的17 dB和較高頻率的21 dB需要獲得。如圖20所示,實(shí)現(xiàn)140 MHz峰值的目標(biāo)需要360 pF的旁路,但要使250 MHz峰值達(dá)到所需電平,則需要180 pF的路邊運(yùn)算。使用公式4,假設(shè)電介質(zhì)為4 mil,重疊為8 mm,則需要77 mm長(zhǎng)的電容結(jié)構(gòu)才能產(chǎn)生250 pF電容。
表5總結(jié)了在邊緣保護(hù)功能為250 pF的旁路電容和60 V時(shí)5 mA電流下實(shí)現(xiàn)的降低。電容式引腳如圖25所示。請(qǐng)注意,對(duì)于4層板,必須在頂層和底層觀察完整的PCB爬電距離,但內(nèi)層的間距可以小得多。
參數(shù) | 價(jià)值 | 相對(duì)變化 | |
180 MHz 峰值 | 360 MHz 峰值 | ||
功率級(jí) 邊緣保護(hù) 縫合 |
60 V 時(shí)為 5 mA 不適用 250 pF |
?4 dBμV/m ?11 dBμV/m ?17 dBμV/m |
?7 dBμV/m ?4 dBμV/m ?27 dBμV/m |
總 | ?32 dBμV/m | ?38 dBμV/m |
圖 25.基本絕緣單重疊旁路電容器。
如果重疊長(zhǎng)度為 77 mm,則此設(shè)計(jì)可能是可以接受的。如果空間非常寶貴,則圖 26 中顯示了另一個(gè)選項(xiàng)。由于360 MHz峰值所需的電容小于180 MHz時(shí)所需的電容,因此設(shè)計(jì)140 pF旁路電容的PCB,并輔以安全額定電容。這將旁路電容的長(zhǎng)度減少到44 mm,并增加了一個(gè)160 pF的安全電容。
圖 26.使用安全電容器增強(qiáng)拼接。
最后,圖27顯示了帶有邊緣防護(hù)裝置的基本絕緣結(jié)構(gòu)。請(qǐng)注意,用于邊緣保護(hù)的接地層也用于旁路電容。這避免了20h貼片天線效應(yīng)。
圖 27.在基本電容式縫合中增加了邊緣保護(hù)。
在不占用大PCB空間的情況下增加電容的另一種技術(shù)是使用指叉旁路電容,如圖28所示。由于重疊的額外層通過過孔連接到主平面,因此額外的層比主重疊更具電感性。這通常不是問題,因?yàn)檩^低頻率的峰值需要最大的電容,并且可以容忍更多的電感。如前所述,當(dāng)使用邊緣防護(hù)時(shí),最好使用邊緣防護(hù)接地層進(jìn)行耦合。
圖 28.不同的方法交錯(cuò)旁路電容,以最大化耦合。
示例 2—增強(qiáng)絕緣板
第二塊板需要加強(qiáng)絕緣。邊緣防護(hù)的分析保持不變。由于電流電平較低,360 MHz峰值的優(yōu)勢(shì)在于以3.3 V/3.3 V供電(見圖23)。
如果本例的標(biāo)準(zhǔn)允許采用2層增強(qiáng)結(jié)構(gòu),則可以如圖29所示構(gòu)造一個(gè)旁路電容。執(zhí)行與上一個(gè)示例類似的計(jì)算,最小旁路電容為210 pF。由于增強(qiáng)應(yīng)用中的浮動(dòng)針跡使用的面積是單個(gè)重疊的兩倍,因此導(dǎo)致電容器非常大(參見公式2)。
圖 29.最小增強(qiáng)絕緣,浮動(dòng)拼接電容器。
在實(shí)施例1中,使用安全電容器來(lái)補(bǔ)充低頻的旁路,從而可以減少PCB旁路電容。在這種情況下也可以這樣做,但高壓安全電容器相對(duì)昂貴,并且可能存在監(jiān)管限制;因此,不希望使用安全電容器。但是,安全性和尺寸都有替代方案。
如果有更多層可用,則可以構(gòu)建安全額定的旁路電容,如圖30所示。這種結(jié)構(gòu)在有源輸入和輸出結(jié)構(gòu)之間放置至少四層PCB材料。對(duì)于大多數(shù)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō),無(wú)需測(cè)試或認(rèn)證即可接受。電容的計(jì)算可能很復(fù)雜,因?yàn)榭梢择詈系綆讓?,但間距也更大。通常, 這種高度增強(qiáng)的PCB具有最大的面積要求.
圖 30.增強(qiáng)絕緣,浮動(dòng)拼接電容器。
其他布局注意事項(xiàng)
在前面的示例中,電路板在初級(jí)平面和次級(jí)平面之間的內(nèi)部距離較小,以最大化耦合并最大限度地減少輻射。設(shè)計(jì)指南適用于遠(yuǎn)離PCB邊緣的控制良好的區(qū)域。但是,必須小心電路板的邊緣,以保持邊緣與現(xiàn)場(chǎng)相同的魯棒性水平。必須解決的兩個(gè)擊穿特性是空氣的相對(duì)較低的擊穿和金屬角或點(diǎn)處電場(chǎng)的增強(qiáng)。暴露在PCB邊緣甚至靠近PCB邊緣的平面可以提供擊穿路徑。
板被制造成大片,然后切割或劃線并卡入單個(gè)板。切割操作可能不準(zhǔn)確或?qū)е?FR4 材料開裂和磨損。如果緊密間隔的內(nèi)層靠近電路板邊緣, 它們可能會(huì)因FR4的不準(zhǔn)確切割或微觀開裂而暴露在低擊穿空氣中.這會(huì)產(chǎn)生問題,特別是如果輸入層和輸出層之間的間隙終止在PCB邊緣的尖角處,這會(huì)增強(qiáng)電場(chǎng)并成為最有可能發(fā)生電弧的位置。
強(qiáng)烈建議將內(nèi)平面的內(nèi)角斜面,使其具有與PCB邊緣相交的頂層的完整爬電距離。
圖 31 顯示了內(nèi)部平面與電路板邊緣相交的良好布局。上圖顯示了PCB領(lǐng)域中緊密間隔的兩個(gè)平面。間隙頂部和底部附近的拐角緊密間隔,并一直延伸到PCB的邊緣。由于此時(shí)PCB完整性可能較低,或者PCB切片過程甚至可能暴露平面,因此這是高壓擊穿的主要位置。
圖 31.與PCB邊緣相遇的封閉平面設(shè)計(jì)。
圖 31 中的下圖顯示了圓角(為強(qiáng)調(diào)而夸大)或斜角以及將平面的重疊部分從邊緣拉回如何防止這成為隔離設(shè)計(jì)中的弱點(diǎn)。它消除了尖角,并將其中一個(gè)平面的邊緣向后移動(dòng)足夠遠(yuǎn),以確保邊緣附近存在足夠的高完整性PCB材料。
結(jié)論
本應(yīng)用筆記中概述的每種方法都針對(duì)特定的輻射源,并且可以與描述的其他技術(shù)結(jié)合使用,以實(shí)現(xiàn)相關(guān)輻射的預(yù)期減少。測(cè)試板通過使用平面間拼接電容器和邊緣圍欄,可輕松滿足 CISPR 或 FCC B 類標(biāo)準(zhǔn),無(wú)需外部屏蔽。此外,在接地層和電源層中使用平面間去耦電容可為精密測(cè)量應(yīng)用提供非常安靜的環(huán)境。
雖然本應(yīng)用筆記依賴于在ADuM5400或類似器件上收集的數(shù)據(jù),但這些技術(shù)適用于整個(gè)ISO電力線。所有iso電源產(chǎn)品都包含類似的油箱和整流電路。最大的電流流過設(shè)備的初級(jí)側(cè),導(dǎo)致這些設(shè)備從輻射發(fā)射的角度來(lái)看以類似的方式運(yùn)行。
在需要低交流泄漏的情況下,例如在某些醫(yī)療應(yīng)用中,旁路電容可能不是一個(gè)可行的解決方案。在這些應(yīng)用中,接地金屬機(jī)箱外殼可能是最大限度地減少排放的最實(shí)用解決方案。
審核編輯:郭婷
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