模拟芯视界|适用于隔离式ADC信号链解决方案的低EMI设计

原创德州仪器 2024-06-22 12:04

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欢迎再次来到我们的技术专栏——模拟芯视界。在上一期中，我们讨论了使用理想二极管控制器进行 ORing 和电源多路复用的概念和优势、不同类型和架构，以及在汽车系统中使用理想二极管控制器实现 ORing 和电源多路复用的挑战和解决方案。

本次为大家带来的是《适用于隔离式 ADC 信号链解决方案的低 EMI 设计》。该文章将解释 EMI（特别是辐射发射）的来源，并介绍了一些尽可能减少模拟信号链的 EMI 的技术，包括详细的布局示例和测量结果。

引言

如今人们使用的电子设备数量庞大，而这些设备的体积却在不断缩小，这使得电磁干扰 (EMI) 成为电路设计人员面临的一大难题。用于通信、计算和自动化的电路需要近距离工作。产品还必须符合政府的电磁兼容性 (EMC) 规定。几乎每个国家/地区都对在其境内销售的电子产品的 EMC 做出了规定。在美国，联邦通信委员会 (FCC) 监管所有商业（非军事）电磁辐射源，并在美国国家标准协会 (ANSI) 的标准 C63.4 等标准中定义了辐射和传导 EMI 测试程序。欧盟 (EU) 国家对电子设备的电磁辐射和抗扰度都有规定；电磁兼容性指令基本上规定，设备必须符合统一的 EMC 标准，并进行相应的测试和标记。

与各类设备相关的 EMC 标准有很多。例如，国际电工委员会 (IEC) 61000 标准涵盖大多数商用产品的抗扰度要求，而国际无线电干扰特别委员会 (CISPR) 32 标准则规定传导和辐射发射的限制。表 1 列出了相关产品领域的 CISPR、欧洲规范和 FCC 标准。美国和欧盟以外的许多其他国家/地区要么规定要符合 FCC 或欧盟的 EMC 要求，要么有它们自己的要求。美国和欧洲以外国家/地区的法规通常与 FCC 或欧盟的要求类似。

表1: 辐射和传导发射的主要产品标准摘要

在考虑特定类型的设备（例如智能电表）时，对低 EMI 的需求变得更加明显。智能电表是未来能源分配的重要组成部分。它们向电力公司和终端用户提供实时用电数据，帮助人们监测能源使用情况，并且无需上门抄表。大多数智能电表通过无线通信连接，如无线 M-Bus 或 ZigBee，或者连接到蜂窝电话网络（GSM、LTE cat NB1 - NB2、2G/3G/5G）。如图 1 所示，智能电表包含一个射频 (RF) 发射器电路，通常与电能计量电路板位于同一外壳内。必须尽可能减少计量电路的辐射发射，以免干扰射频通信，射频通信的工作频率为 800MHz、900MHz、1,800MHz、 2,100MHz 或 2,700MHz 等。计量电路还需要具有抗电磁易感性（能够承受无线通信产生电磁能量），以避免因射频噪声注入灵敏的能量计量前端而产生的计费误差。

本文解释了 EMI（特别是辐射发射）的来源，并介绍了一些尽可能减少模拟信号链的 EMI 的技术，包括详细的布局示例和测量结果。

图1：支持射频的智能电表

EMI 和辐射发射来源

EMC 是指在存在 EMI 的情况下，电气系统在其预定环境中正常运行的能力，以及不成为超出相关标准规定限制的电磁环境干扰源的能力。

EMI 可以是辐射干扰，也可以是传导干扰。辐射干扰以无线电波的形式传播，也称为射频干扰。传导干扰来自传输信号和电力的电缆中电流产生的磁场。

本文重点关注如何尽可能减少辐射干扰。在印刷电路板 (PCB) 上或安装在 PCB 上的集成电路 (IC) 内部，辐射发射的一些主要来源包括：

开关信号，如时钟信号，在数字信号转换过程中电压电平会快速发生变化。这是因为信号中含有高频成分。开关和时钟信号对于 IC 内部和 IC 之间各种元件的同步运行至关重要。
开关稳压器和其他元件，它们会导致电源线上的电流消耗快速变化。
输入/输出缓冲器，尤其是与 USB、HDMI 或以太网等高速接口相关的缓冲器，因为它们需要处理高速信号转换。
在频率高于基波信号时，IC 内部电路中的非线性行为产生的谐波。
IC 互连和结构中的寄生电容、电感和电阻。
触发 ESD 保护电路的静电放电 (ESD) 事件。

图 2 展示了德州仪器的 AMC131M03 电隔离模数转换器 (ADC) 及其内部架构和印刷电路板上的连接所产生的主要辐射源。ADC 用于三相电能计量应用，图 2 显示了单相（相 A）的电路。信号链的设计目的是提取电压和电流测量值，用于能源监测。ADC 通道 0 通过分流电阻器测量相电流，通道 1 通过电阻分压器测量相电压。对辐射影响最大的是内部开关直流/直流转换器（图 1 中的 a），它在高压侧产生隔离电源。第二大辐射发射源是数字隔离（图 2 中的 b），因为它是通过堆叠电容屏障使用高频开/关键控传输实现的。此外，时钟信号也会在很宽的频率范围内产生辐射，例如 ADC 调制器时钟 CLKIN（图 2 中的 c），以及 ADC 和微控制器之间的数字通信接口（图 2 中的 d）。

图 2: 带有隔离式 ADC 的模拟信号链和辐射发射源

更大限度减少 EMI 的技术

有几种常见的 PCB 设计技术可以更大限度地减少 EMI ：

正确接地：这是减少辐射发射的有效方法之一。小心地接地可避免可能充当天线的接地环路。使用接地平面还有助于减少环路面积，并为信号提供返回路径，从而降低产生 EMI 的可能性。但在其他情况下，接地平面会在敏感节点上形成天线，并增加辐射发射（参阅图 5 中的具体示例）。
元件放置：放置元件时应尽可能减少信号线的长度，尤其是高速信号。将数字和模拟元件分开，以避免干扰。
直而短的布线：以直线方式进行高速布线并尽可能缩短布线，可以更大限度地减少潜在 EMI。此外，还要注意避免在布线中形成直角，因为直角会导致反射和信号损失。
使用去耦电容器：去耦电容器可为高频噪声提供一条短的接地返回路径。将去耦电容器放置在尽可能靠近 IC 电源引脚的位置。
受控阻抗：控制信号布线的阻抗将与信号源和负载的阻抗相匹配，有助于防止可能导致辐射发射的信号反射。
屏蔽：有时，在 PCB 的某些区域使用金属屏蔽层或屏蔽材料可以防止辐射发射。
使用滤波器：滤波器可以阻挡引起辐射发射的某些频率，在电源电路中特别有用。
层堆叠：在多层 PCB 中，应注意各层的排列方式，以尽可能减少 EMI。通常来说，交替使用电源层和接地层是一种很好的做法，因为这有助于减少环路面积，并为信号提供返回路径。顶层和底层接地层可作为内部信号层（如产生辐射发射的时钟）的屏蔽场。
避免时钟谐波：时钟信号会产生谐波，从而干扰电路的其他部分。展频技术有助于分散这些谐波，减少其影响。
EMI 仿真：辐射发射仿真工具有助于在 PCB 设计阶段预测和更大限度地减少 EMI。

图 3 是图 2 中介绍的模拟信号链的详细示意图。

图 3: 图 2 中模拟信号链的详细示意图

图 4 和图 5 展示了减少辐射发射的技术在 AMC131M03 的相应 PCB 布局中的应用。图 4 显示了一种“良好”布局，高压域（AMC131M03 位置左侧的 PCB 区域）的 ADC 输入和电源线路的布线较短，将旁路电容器 C1、C6、C8、C9、C11、C13、C14 和 C24 放置在靠近 IC 的位置。

减轻 EMI 的一个重要方面是隔离式接地节点 ISO_GND 的接地方案。尽可能缩短布线长度，并且不在高压域放置接地平面，可更大限度地减少该节点上的天线，从而更大限度地减少辐射发射。铁氧体磁珠 F1 和 F2 插入电源连接 DCDC_OUT 和 DCDC_HGND，以阻隔高频噪声。您还可以在具有过高辐射发射的频率处（取决于 PCB 设计）额外放置一个高阻抗铁氧体磁珠 (F3)，与电阻分压器串联，用于测量电压。

图 4：良好的PCB布局（低 EMI ）

图 5 展示了一种“不良”布局，其中显示接地平面连接到 ISO_GND 节点，这起到天线的作用，会显著增加辐射发射。

图 5：不良 PCB 布局（高 EMI ）

图 6 和图 7 显示了使用图 4 中所示布局实现方案的 AMC131M03 PCB 的辐射发射测量。测量是按照 CISPR 11 的要求进行的，即在半电波暗室中使用为水平和垂直极化配置的宽带天线，距离为 3m。ADC 通过 CLKIN 引脚接收连续时钟，并生成转换结果。不过，在对发射曲线进行表征期间没有串行外设接口通信。该设计符合 CISPR 11 A 级和 B 级标准，裕度为 13dB，为市场上具有数据和电源增强型隔离功能的 ADC 提供超低辐射发射性能。