|
德州儀器模擬設計 本期，為大家帶來的是《適用于隔離式 ADC 信號鏈解決方案的低 EMI 設計》。該文章將解釋 EMI（特別是輻射發射）的來源，并介紹了一些盡可能減少模擬信號鏈的 EMI 的技術，包括詳細的布局示例和測量結果。 引言 如今人們使用的電子設備數量龐大，而這些設備的體積卻在不斷縮小，這使得電磁干擾 (EMI) 成為電路設計人員面臨的一大難題。用于通信、計算和自動化的電路需要近距離工作。產品還必須符合政府的電磁兼容性 (EMC) 規定。幾乎每個國家/地區都對在其境內銷售的電子產品的 EMC 做出了規定。在美國，聯邦通信委員會 (FCC) 監管所有商業（非軍事）電磁輻射源，并在美國國家標準協會 (ANSI) 的標準 C63.4 等標準中定義了輻射和傳導 EMI 測試程序。歐盟 (EU) 國家對電子設備的電磁輻射和抗擾度都有規定；電磁兼容性指令基本上規定，設備必須符合統一的 EMC 標準，并進行相應的測試和標記。 與各類設備相關的 EMC 標準有很多。例如，國際電工委員會 (IEC) 61000 標準涵蓋大多數商用產品的抗擾度要求，而國際無線電干擾特別委員會 (CISPR) 32 標準則規定傳導和輻射發射的限制。 表 1 列出了相關產品領域的 CISPR、歐洲規范和 FCC 標準。美國和歐盟以外的許多其他國家/地區要么規定要符合 FCC 或歐盟的 EMC 要求，要么有它們自己的要求。美國和歐洲以外國家/地區的法規通常與 FCC 或歐盟的要求類似。 表1. 輻射和傳導發射的主要產品標準摘要。 
在考慮特定類型的設備（例如智能電表）時，對低 EMI 的需求變得更加明顯。智能電表是未來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時用電數據，幫助人們監測能源使用情況，并且無需上門抄表。大多數智能電表通過無線通信 連接，如無線 M-Bus 或 ZigBee，或者連接到蜂窩電話網絡（GSM、LTE cat NB1 - NB2、2G/3G/5G）。如圖 1 所示，智能電表包含一個射頻 (RF) 發射器電路，通常與電能計量電路板位于同一外殼內。必須盡可能減少計量電路的輻射發射，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。計量電路還需要具有抗電磁易感性（能夠承受無線通信產生電磁能量），以避免因射頻噪聲注入靈敏的能量計量前端而產生的計費誤差。 本文解釋了 EMI（特別是輻射發射）的來源，并介紹了一些盡可能減少模擬信號鏈的 EMI 的技術，包括詳細的布局示例和測量結果。
圖 1. 支持射頻的智能電表。 EMI 和輻射發射來源 EMC 是指在存在 EMI 的情況下，電氣系統在其預定環境中正常運行的能力，以及不成為超出相關標準規定限制的電磁環境干擾源的能力。 EMI 可以是輻射干擾，也可以是傳導干擾。輻射干擾以無線電波的形式傳播，也稱為射頻干擾。傳導干擾來自傳輸信號和電力的電纜中電流產生的磁場。 本文重點關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) 內部，輻射發射的一些主要來源包括： 開關信號，如時鐘信號，在數字信號轉換過程中電壓電平會快速發生變化。這是因為信號中含有高頻成分。開關和時鐘信號對于 IC 內部和 IC 之間各種元件的同步運行至關重要。 開關穩壓器和其他元件，它們會導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 或以太網等高速接口相關的緩沖器，因為它們需要處理高速信號轉換。 在頻率高于基波信號時，IC 內部電路中的非線性行為產生的諧波。 IC 互連和結構中的寄生電容、電感和電阻。 觸發 ESD 保護電路的靜電放電 (ESD) 事件。 圖 2 展示了德州儀器的 AMC131M03 電隔離模數轉換器 (ADC) 及其內部架構和印刷電路板上的連接所產生的主要輻射源。ADC 用于三相電能計量應用，圖 2 顯示了單相（相 A）的電路。信號鏈的設計目的是提取電壓和電流測量值，用于能源監測。ADC 通道 0 通過分流電阻器測量相電流，通道 1 通過電阻分壓器測量相電壓 。對輻射影響最大的是內部開關直流/直流轉換器（圖 1 中的 a），它在高壓側產生隔離電源。第二大輻射發射源是數字隔離（圖 2 中的 b），因為它是通過堆疊電容屏障使用高頻開/關鍵控傳輸實現的。此外，時鐘信號也會在很寬的頻率范圍內產生輻射，例如 ADC 調制器時鐘 CLKIN（圖 2 中的 c），以及 ADC 和微控制器之間的數字通信接口（圖 2 中的 d）。
圖 2. 帶有隔離式 ADC 的模擬信號鏈和輻射發射源。 更大限度減少 EMI 的技術 有幾種常見的 PCB 設計技術可以更大限度地減少 EMI ： 正確接地：這是減少輻射發射的有效方法之一。小心地接地可避免可能充當天線的接地環路。使用接地平面還有助于減少環路面積，并為信號提供返回路徑，從而降低產生 EMI 的可能性。但在其他情況下，接地平面會在敏感節點上形成天線，并增加輻射發射（參閱圖 5 中的具體示例）。 元件放置：放置元件時應盡可能減少信號線的長度，尤其是高速信號。將數字和模擬元件分開，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，因為直角會導致反射和信號損失。 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：控制信號布線的阻抗將與信號源和負載的阻抗相匹配，有助于防止可能導致輻射發射的信號反射。 屏蔽：有時，在 PCB 的某些區域使用金屬屏蔽層或屏蔽材料可以防止輻射發射。 使用濾波器：濾波器可以阻擋引起輻射發射的某些頻率，在電源電路中特別有用。 層堆疊：在多層 PCB 中，應注意各層的排列方式，以盡可能減少 EMI。通常來說，交替使用電源層和接地層是一種很好的做法，因為這有助于減少環路面積，并為信號提供返回路徑。頂層和底層接地層可作為內部信號層（如產生輻射發射的時鐘）的屏蔽場。避免時鐘諧波：時鐘信號會產生諧波，從而干擾電路的其他部分。展頻技術有助于分散這些諧波，減少其影響。 EMI 仿真：輻射發射仿真工具有助于在 PCB 設計階段預測和更大限度地減少 EMI。 圖 3 是圖 2 中介紹的模擬信號鏈的詳細示意圖。
圖 3. 圖 2 中模擬信號鏈的詳細示意圖。 圖 4 和圖 5 展示了減少輻射發射的技術在 AMC131M03 的相應 PCB 布局中的應用。圖 4 顯示了一種“良好”布局，高壓域（AMC131M03 位置左側的 PCB 區域）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 的一個重要方面是隔離式接地節點 ISO_GND 的接地方案。盡可能縮短布線長度，并且不在高壓域放置接地平面，可更大限度地減少該節點上的天線，從而更大限度地減少輻射發射。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。您還可以在具有過高輻射發射的頻率處（取決于 PCB 設計）額外放置一個高阻抗鐵氧體磁珠 (F3)，與電阻分壓器串聯，用于測量電壓。
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 節點，這起到天線的作用，會顯著增加輻射發射：
圖 5. 不良 PCB 布局（高 EMI ）。 圖 6 和圖 7 顯示了使用圖 4 中所示布局實現方案的 AMC131M03 PCB 的輻射發射測量。測量是按照 CISPR 11 的要求進行的，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 CLKIN 引腳接收連續時鐘，并生成轉換結果。不過，在對發射曲線進行表征期間沒有串行外設接口通信。該設計符合 CISPR 11 A 級和 B 級標準，裕度為 13dB，為市場上具有數據和電源增強型隔離功能的 ADC 提供超低輻射發射性能。
圖 6. 水平輻射發射 CISPR。
圖 7. 垂直輻射發射 CISPR 11 測量. 結論 為確保電子電路按設計運行，必須防止電磁干擾。同時，電路本身不得產生可能威脅或降低其他設備性能的輻射。要符合 EMC 標準，必須在四個層面上提供 EMI 保護：元件層面、電路板層面、系統層面和整個系統層面 。 本文介紹的技術可更大限度地減少 PCB 設計層面的 EMI，并可輕松應用于一個實際例子，即用于電能計量的具有增強隔離功能的一流精密 ADC 信號鏈 。憑借使用建議的 EMI 降低技術進行精心設計，該設計可實現相關 EMC 標準要求的足夠裕量 。 本文來源于德州儀器《模擬設計期刊》。《模擬設計期刊》由德州儀器工程師和專家精心撰寫并匯編，覆蓋從基礎知識到先進技術、從數據轉換器到傳感器應用的廣泛主題，為模擬設計新手和資深用戶提供實用信息和解決方案。 |
