適用于隔離式ADC信號(hào)鏈解決方案的低EMI設(shè)計(jì)

歡迎再次來(lái)到我們的技術(shù)專欄——模擬芯視界。在上一期中，我們討論了使用理想二極管控制器進(jìn)行 ORing 和電源多路復(fù)用的概念和優(yōu)勢(shì)、不同類型和架構(gòu)，以及在汽車系統(tǒng)中使用理想二極管控制器實(shí)現(xiàn) ORing 和電源多路復(fù)用的挑戰(zhàn)和解決方案。

本次為大家?guī)?lái)的是《適用于隔離式 ADC 信號(hào)鏈解決方案的低 EMI 設(shè)計(jì)》。該文章將解釋 EMI（特別是輻射發(fā)射）的來(lái)源，并介紹了一些盡可能減少模擬信號(hào)鏈的 EMI 的技術(shù)，包括詳細(xì)的布局示例和測(cè)量結(jié)果。

引言

如今人們使用的電子設(shè)備數(shù)量龐大，而這些設(shè)備的體積卻在不斷縮小，這使得電磁干擾 (EMI) 成為電路設(shè)計(jì)人員面臨的一大難題。用于通信、計(jì)算和自動(dòng)化的電路需要近距離工作。產(chǎn)品還必須符合政府的電磁兼容性 (EMC) 規(guī)定。幾乎每個(gè)國(guó)家/地區(qū)都對(duì)在其境內(nèi)銷售的電子產(chǎn)品的 EMC 做出了規(guī)定。在美國(guó)，聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC) 監(jiān)管所有商業(yè)（非軍事）電磁輻射源，并在美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) (ANSI) 的標(biāo)準(zhǔn) C63.4 等標(biāo)準(zhǔn)中定義了輻射和傳導(dǎo) EMI 測(cè)試程序。歐盟 (EU) 國(guó)家對(duì)電子設(shè)備的電磁輻射和抗擾度都有規(guī)定；電磁兼容性指令基本上規(guī)定，設(shè)備必須符合統(tǒng)一的 EMC 標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試和標(biāo)記。

與各類設(shè)備相關(guān)的 EMC 標(biāo)準(zhǔn)有很多。例如，國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 61000 標(biāo)準(zhǔn)涵蓋大多數(shù)商用產(chǎn)品的抗擾度要求，而國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì) (CISPR) 32 標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定傳導(dǎo)和輻射發(fā)射的限制。 表 1 列出了相關(guān)產(chǎn)品領(lǐng)域的 CISPR、歐洲規(guī)范和 FCC 標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)和歐盟以外的許多其他國(guó)家/地區(qū)要么規(guī)定要符合 FCC 或歐盟的 EMC 要求，要么有它們自己的要求。美國(guó)和歐洲以外國(guó)家/地區(qū)的法規(guī)通常與 FCC 或歐盟的要求類似。

表1: 輻射和傳導(dǎo)發(fā)射的主要產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)摘要

在考慮特定類型的設(shè)備（例如智能電表）時(shí)，對(duì)低 EMI 的需求變得更加明顯。智能電表是未來(lái)能源分配的重要組成部分。它們向電力公司和終端用戶提供實(shí)時(shí)用電數(shù)據(jù)，幫助人們監(jiān)測(cè)能源使用情況，并且無(wú)需上門抄表。大多數(shù)智能電表通過(guò)無(wú)線通信 連接，如無(wú)線 M-Bus 或 ZigBee，或者連接到蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)（GSM、LTE cat NB1 - NB2、2G/3G/5G）。如圖 1 所示，智能電表包含一個(gè)射頻 (RF) 發(fā)射器電路，通常與電能計(jì)量電路板位于同一外殼內(nèi)。必須盡可能減少計(jì)量電路的輻射發(fā)射，以免干擾射頻通信，射頻通信的工作頻率為 800MHz、900MHz、1,800MHz、 2,100MHz 或 2,700MHz 等。計(jì)量電路還需要具有抗電磁易感性（能夠承受無(wú)線通信產(chǎn)生電磁能量），以避免因射頻噪聲注入靈敏的能量計(jì)量前端而產(chǎn)生的計(jì)費(fèi)誤差。

本文解釋了 EMI（特別是輻射發(fā)射）的來(lái)源，并介紹了一些盡可能減少模擬信號(hào)鏈的 EMI 的技術(shù)，包括詳細(xì)的布局示例和測(cè)量結(jié)果。

圖1：支持射頻的智能電表

EMI 和輻射發(fā)射來(lái)源

EMC 是指在存在 EMI 的情況下，電氣系統(tǒng)在其預(yù)定環(huán)境中正常運(yùn)行的能力，以及不成為超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限制的電磁環(huán)境干擾源的能力。

EMI 可以是輻射干擾，也可以是傳導(dǎo)干擾。輻射干擾以無(wú)線電波的形式傳播，也稱為射頻干擾。傳導(dǎo)干擾來(lái)自傳輸信號(hào)和電力的電纜中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

本文重點(diǎn)關(guān)注如何盡可能減少輻射干擾。在印刷電路板 (PCB) 上或安裝在 PCB 上的集成電路 (IC) 內(nèi)部，輻射發(fā)射的一些主要來(lái)源包括：

開關(guān)信號(hào)，如時(shí)鐘信號(hào)，在數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中電壓電平會(huì)快速發(fā)生變化。這是因?yàn)樾盘?hào)中含有高頻成分。開關(guān)和時(shí)鐘信號(hào)對(duì)于 IC 內(nèi)部和 IC 之間各種元件的同步運(yùn)行至關(guān)重要。

開關(guān)穩(wěn)壓器和其他元件，它們會(huì)導(dǎo)致電源線上的電流消耗快速變化。

輸入/輸出緩沖器，尤其是與 USB、HDMI 或以太網(wǎng)等高速接口相關(guān)的緩沖器，因?yàn)樗鼈冃枰幚砀咚傩盘?hào)轉(zhuǎn)換。

在頻率高于基波信號(hào)時(shí)，IC 內(nèi)部電路中的非線性行為產(chǎn)生的諧波。

IC 互連和結(jié)構(gòu)中的寄生電容、電感和電阻。

觸發(fā) ESD 保護(hù)電路的靜電放電 (ESD) 事件。

圖 2 展示了德州儀器的 AMC131M03 電隔離模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 及其內(nèi)部架構(gòu)和印刷電路板上的連接所產(chǎn)生的主要輻射源。ADC 用于三相電能計(jì)量應(yīng)用，圖 2 顯示了單相（相 A）的電路。信號(hào)鏈的設(shè)計(jì)目的是提取電壓和電流測(cè)量值，用于能源監(jiān)測(cè)。ADC 通道 0 通過(guò)分流電阻器測(cè)量相電流，通道 1 通過(guò)電阻分壓器測(cè)量相電壓 。對(duì)輻射影響最大的是內(nèi)部開關(guān)直流/直流轉(zhuǎn)換器（圖 1 中的 a），它在高壓側(cè)產(chǎn)生隔離電源。第二大輻射發(fā)射源是數(shù)字隔離（圖 2 中的 b），因?yàn)樗峭ㄟ^(guò)堆疊電容屏障使用高頻開/關(guān)鍵控傳輸實(shí)現(xiàn)的。此外，時(shí)鐘信號(hào)也會(huì)在很寬的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生輻射，例如 ADC 調(diào)制器時(shí)鐘 CLKIN（圖 2 中的 c），以及 ADC 和微控制器之間的數(shù)字通信接口（圖 2 中的 d）。

圖 2: 帶有隔離式 ADC 的模擬信號(hào)鏈和輻射發(fā)射源

更大限度減少 EMI 的技術(shù)

有幾種常見(jiàn)的 PCB 設(shè)計(jì)技術(shù)可以更大限度地減少 EMI ：

正確接地：這是減少輻射發(fā)射的有效方法之一。小心地接地可避免可能充當(dāng)天線的接地環(huán)路。使用接地平面還有助于減少環(huán)路面積，并為信號(hào)提供返回路徑，從而降低產(chǎn)生 EMI 的可能性。但在其他情況下，接地平面會(huì)在敏感節(jié)點(diǎn)上形成天線，并增加輻射發(fā)射（參閱圖 5 中的具體示例）。

元件放置：放置元件時(shí)應(yīng)盡可能減少信號(hào)線的長(zhǎng)度，尤其是高速信號(hào)。將數(shù)字和模擬元件分開，以避免干擾。

直而短的布線：以直線方式進(jìn)行高速布線并盡可能縮短布線，可以更大限度地減少潛在 EMI。此外，還要注意避免在布線中形成直角，因?yàn)橹苯菚?huì)導(dǎo)致反射和信號(hào)損失。

使用去耦電容器：去耦電容器可為高頻噪聲提供一條短的接地返回路徑。將去耦電容器放置在盡可能靠近 IC 電源引腳的位置。

受控阻抗：控制信號(hào)布線的阻抗將與信號(hào)源和負(fù)載的阻抗相匹配，有助于防止可能導(dǎo)致輻射發(fā)射的信號(hào)反射。

屏蔽：有時(shí)，在 PCB 的某些區(qū)域使用金屬屏蔽層或屏蔽材料可以防止輻射發(fā)射。

使用濾波器：濾波器可以阻擋引起輻射發(fā)射的某些頻率，在電源電路中特別有用。

層堆疊：在多層 PCB 中，應(yīng)注意各層的排列方式，以盡可能減少 EMI。通常來(lái)說(shuō)，交替使用電源層和接地層是一種很好的做法，因?yàn)檫@有助于減少環(huán)路面積，并為信號(hào)提供返回路徑。頂層和底層接地層可作為內(nèi)部信號(hào)層（如產(chǎn)生輻射發(fā)射的時(shí)鐘）的屏蔽場(chǎng)。

避免時(shí)鐘諧波：時(shí)鐘信號(hào)會(huì)產(chǎn)生諧波，從而干擾電路的其他部分。展頻技術(shù)有助于分散這些諧波，減少其影響。

EMI 仿真：輻射發(fā)射仿真工具有助于在 PCB 設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)和更大限度地減少 EMI。

圖 3 是圖 2 中介紹的模擬信號(hào)鏈的詳細(xì)示意圖。

圖 3: 圖 2 中模擬信號(hào)鏈的詳細(xì)示意圖

圖 4 和圖 5 展示了減少輻射發(fā)射的技術(shù)在 AMC131M03 的相應(yīng) PCB 布局中的應(yīng)用。圖 4 顯示了一種“良好”布局，高壓域（AMC131M03 位置左側(cè)的 PCB 區(qū)域）的 ADC 輸入和電源線路的布線較短，將旁路電容器 C1、C6、C8、C9、C11、C13、C14 和 C24 放置在靠近 IC 的位置。

減輕 EMI 的一個(gè)重要方面是隔離式接地節(jié)點(diǎn) ISO_GND 的接地方案。盡可能縮短布線長(zhǎng)度，并且不在高壓域放置接地平面，可更大限度地減少該節(jié)點(diǎn)上的天線，從而更大限度地減少輻射發(fā)射。鐵氧體磁珠 F1 和 F2 插入電源連接 DCDC_OUT 和 DCDC_HGND，以阻隔高頻噪聲。您還可以在具有過(guò)高輻射發(fā)射的頻率處（取決于 PCB 設(shè)計(jì)）額外放置一個(gè)高阻抗鐵氧體磁珠 (F3)，與電阻分壓器串聯(lián)，用于測(cè)量電壓。

圖 4：良好的PCB布局（低 EMI ）

圖 5 展示了一種“不良”布局，其中顯示接地平面連接到 ISO_GND 節(jié)點(diǎn)，這起到天線的作用，會(huì)顯著增加輻射發(fā)射。

圖 5：不良 PCB 布局（高 EMI ）

圖 6 和圖 7 顯示了使用圖 4 中所示布局實(shí)現(xiàn)方案的AMC131M03 PCB 的輻射發(fā)射測(cè)量。測(cè)量是按照 CISPR 11 的要求進(jìn)行的，即在半電波暗室中使用為水平和垂直極化配置的寬帶天線，距離為 3m。ADC 通過(guò) CLKIN 引腳接收連續(xù)時(shí)鐘，并生成轉(zhuǎn)換結(jié)果。不過(guò)，在對(duì)發(fā)射曲線進(jìn)行表征期間沒(méi)有串行外設(shè)接口通信。該設(shè)計(jì)符合 CISPR 11 A 級(jí)和 B 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，裕度為 13dB，為市場(chǎng)上具有數(shù)據(jù)和電源增強(qiáng)型隔離功能的 ADC 提供超低輻射發(fā)射性能。

圖 6：水平輻射發(fā)射 CISPR

圖 7：垂直輻射發(fā)射 CISPR 11 測(cè)量

結(jié)語(yǔ)

為確保電子電路按設(shè)計(jì)運(yùn)行，必須防止電磁干擾。同時(shí)，電路本身不得產(chǎn)生可能威脅或降低其他設(shè)備性能的輻射。要符合 EMC 標(biāo)準(zhǔn)，必須在四個(gè)層面上提供 EMI 保護(hù)：元件層面、電路板層面、系統(tǒng)層面和整個(gè)系統(tǒng)層面 。

本文介紹的技術(shù)可更大限度地減少 PCB 設(shè)計(jì)層面的 EMI，并可輕松應(yīng)用于一個(gè)實(shí)際例子，即用于電能計(jì)量的具有增強(qiáng)隔離功能的一流精密 ADC 信號(hào)鏈 。憑借使用建議的 EMI 降低技術(shù)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)相關(guān) EMC 標(biāo)準(zhǔn)要求的足夠裕量 。