通過輻射發射測試：如何避免采用復雜的EMI抑制技術以實現緊湊、高性價比的隔離設計
James Scanlon ADI公司
出于各種原因，電子系統需要實施隔離。它的作用是保護人員和設備不受高電壓的影響，或者僅僅是消除PCB上不需要的接地回路。在各種各樣的應用中，包括工廠和工業自動化、醫療設備、通信和消費類產品，它都是一個基本設計元素。
雖然隔離至關重要，但它的設計也極其復雜。控制功率和數據信號通過隔離柵時，會產生電磁干擾（EMI）。這些輻射發射（RE）會對其他電子系統和網絡的性能產生負面影響。
對于帶隔離的電路設計，一個重要的步驟是跨隔離柵傳輸功率，并緩解產生的RE。雖然傳統方法可能行之有效，但它們往往需要權衡取舍。其中可能包括使用分立式電路和變壓器來傳輸功率。這種方法笨重耗時，會占用寶貴的PCB空間，無一不會增加成本。更經濟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。
雖然這樣可以節省電路板空間，降低設計的復雜性和成本，但也使得變壓器體積變小，具備的繞組更少，需要更高的開關頻率（高達200 MHz）才能高效地將所需的功率傳輸到次級端。在更高頻率下，寄生共模（CM）電流可能通過變壓器的繞組以容性方式從初級端耦合至次級端。因隔離柵的性質所限，沒有物理路徑可以讓這些CM電流返回初級端。隔離柵形成一個偶極，將能量以CM電流的形式輻射，并讓其返回到初級端。這就引發了另一個重要考慮因素：合規性。
電磁兼容性（EMC）要求
產品上市前，必須符合EMC規定。將變壓器和所需的電路集成到更小的封裝中會產生EMI，因此需要采用復雜且成本高昂的RE抑制技術，以滿足電磁兼容性（EMC）法規的要求。
EMC是指電子系統在其目標環境中正常工作而不干擾其他系統的能力。全球不同地區都有EMC法規，用于確保所有產品在有其他產品存在的情況下都能正常工作。輻射發射量必須低于目標使用環境和應用場合所對應的規定水平。因此，EMC測試和認證已成為產品上市過程的一個重要組成部分。在歐盟銷售的產品需要具有CE標志，而在美國銷售的產品則需要獲得FCC分類認證。為取得這些認證，需要對系統執行一套EMC測試。在工業、醫療、通信和消費環境中，輻射發射通常必須符合CISPR 11／EN 55011、CISPR 22／EN 55022或FCC Part 15標準。
圖1．發射量增高的示例。
CISPR 11／EN 55011
此標準適用于為工業、科學和醫療（ISM）目的而設計的產生射頻能量的設備。在標準范圍內，設備可能分為兩組。第2組包含有意生成并在局部使用射頻能量的所有ISM RF設備。第1組包含此標準范圍內不屬于第2組的所有設備。
CISPR 22／EN 55022
此標準適用于滿足下述條件的信息技術設備（ITE）：主要功能是將輸入、存儲、顯示、檢索、傳輸、處理、交換或控制數據和電信信息結合起來，可能配備一個或多個終端端口，通常用于傳輸信息。
在各個標準下，設備被進一步分類，每個類別需遵循一組單獨的排放限制。
u A類：用在工業應用和非住宅區的設備
u B類：用在住宅環境中的設備
由于B類限制覆蓋的是住宅（或輕工業）環境，而這種環境中的產品更有可能彼此非常接近（廣播和電視接收器的10米范圍內），因此更加嚴格（比A類低10 dB之多），以免引起干擾問題。
圖2顯示了與CISPR 11／EN 55011和CISPR 22／EN 55022相關的A類和B類限制線。在這個頻率范圍內，符合CISPR 22／EN 55022 B類標準意味著也符合CISPR 11／EN 55011 B類標準。
圖2．輻射發射標準—限制線。
在設計周期一開始就考慮EMC
據報道，50％的產品首次EMC測試都以失敗告終。1這可能是因為缺乏相關知識，且未能在產品設計階段的早期應用EMC設計技術。如果在功能設計完成之前一直忽略EMC問題，通常會帶來耗費時間且代價高昂的挑戰。此外，隨著產品開發過程的不斷深入，能夠用來解決EMC問題的技術也越來越少，因為產品方面的更改必將導致計劃超時和成本增加。
想要最大限度地縮短設計時間和降低項目成本，在項目開始時就進行EMC設計是至關重要的。組件的選擇和放置也很重要。將已經符合行業標準的器件納入選擇和設計可以提高合規性。