1 TI 技術(shù)手冊(cè)

具有集成直流/直流轉(zhuǎn)換器的數(shù)字隔離器

ISOW7741 數(shù)字隔離器將隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器（包括電源變壓器）集成到單個(gè) SOIC 封裝中，如圖 1-1 所示，集成的直流/直流轉(zhuǎn)換器為器件的次級(jí)（隔離）側(cè)生成隔離電源。通過在一個(gè)封裝中集成隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器與電源變壓器，該器件成為非常緊湊的解決方案。與分立式解決方案相比，它還顯著降低了設(shè)計(jì)整體電源過程中的復(fù)雜性。此類器件廣泛用于許多工業(yè)應(yīng)用，其中包括 PLC、通信模塊、工業(yè)運(yùn)輸、醫(yī)療儀器和能量計(jì)。

ISOW7741 中直流/直流轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率在 25MHz 左右，可減小電源變壓器的尺寸并能夠集成在小型 SOIC 封裝中。在此開關(guān)頻率下，開關(guān)轉(zhuǎn)換器的頻譜分量可能會(huì)受到某些電磁干擾 (EMI) 標(biāo)準(zhǔn)（如 CISPR 32）的監(jiān)管限制。

CISPR 32 發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)概述

CISPR 32 是面向多媒體設(shè)備 (MME) 的國(guó)際無線電干擾標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了為無線電頻譜提供足夠保護(hù)級(jí)別的要求，以及確保測(cè)量再現(xiàn)性和結(jié)果重復(fù)性的規(guī)程。大多數(shù)工業(yè)終端設(shè)備認(rèn)證機(jī)構(gòu)都規(guī)定，終端設(shè)備符合 CISPR 32 標(biāo)準(zhǔn)是其通過相關(guān)終端設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證所需滿足的要求之一。因此，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)考慮這些 EMC 要求至關(guān)重要。

該標(biāo)準(zhǔn)定義了與兩種終端用戶環(huán)境相關(guān)聯(lián)的兩類設(shè)備。

• B 類要求旨在為住宅環(huán)境中的廣播服務(wù)設(shè)備提供足夠的保護(hù)。主要用于住宅環(huán)境的設(shè)備應(yīng)符合 B 類限制。
• A 類要求適用于所有非 B 類設(shè)備；A 類設(shè)備應(yīng)符合更寬松的 A 類限制。

符合 CISPR 32 的 PCB 布局設(shè)計(jì)指南

給定 PCB 上的開關(guān)隔離器以共模電流環(huán)路或差模電流環(huán)路的形式發(fā)射電磁輻射，如圖 1-2 所示。通過細(xì)心設(shè)計(jì) PCB 和選擇正確的元件，可更大限度地減少此類輻射。部分方法說明如下：

1. 去耦電容器

   去耦電容器不僅在過濾差分噪聲和盡可能減少電壓紋波方面發(fā)揮著重要作用，還為 ISOW7741 中直流/直流轉(zhuǎn)換器的各種功能塊提供所需的瞬時(shí)峰值電流。只有在經(jīng)過仔細(xì)選擇使電容值適合轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率時(shí)，這些電容器才有效。ISOW7741 要求在距離直流/直流轉(zhuǎn)換器電源引腳（VDD/GND1 和 VISOOUT/GND2）1mm 范圍內(nèi)放置一個(gè) 0.01μF 電容器。對(duì)于 10MHz 至 100MHz 的頻率范圍，宜使用具有超低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 的電容器。ISOW7741 還要求將一個(gè)至少 10μF 的大容量電容器放置在距 0.01μF 電容器 2–4mm 遠(yuǎn)的位置。在 10μF 大容量電容器之前使用一個(gè)可選的 1μF 電容器，可實(shí)現(xiàn)更好的噪聲濾除效果。0.01μF 電容器和大容量電容器之間保持 2 至 4mm 間距，有助于在兩者之間形成等效串聯(lián)電感 (ESL)，從而創(chuàng)建一個(gè)差分 $\pi$ 型濾波器。這三個(gè)不同容值的電容器可一起濾除大頻帶上的開關(guān)噪聲。

   ISOW7741 的數(shù)字隔離器部分（VIO/GNDIO 和 VISOIN/GISOIN）與任何其他數(shù)字隔離器一樣，其電源引腳上只需要一個(gè) 0.1μF 的去耦電容器。任何額外的電容器都會(huì)有所幫助，但并非必須的。所有這些電容器共同發(fā)揮作用，可更大限度地減少來自開關(guān)轉(zhuǎn)換器的差分輻射。

   重要提示：所有這些電容器應(yīng)與 ISOW7741 器件置于 PCB 的同一層。圖 1-3 所示為放置建議的去耦電容器的 PCB 布局示例。

   圖 1-3 PCB ISOW7741 布局示例
2. 鐵氧體磁珠

   ISOW7741 中變壓器的初級(jí)和次級(jí)繞組在封裝內(nèi)彼此非常靠近，因此會(huì)在這些繞組之間形成寄生電容。直流/直流轉(zhuǎn)換器中的快速開關(guān)電流通過該寄生電容耦合，在隔離系統(tǒng)的 1 側(cè)和 2 側(cè)之間產(chǎn)生共模電流。兩側(cè)完全隔離，因此電流通過 PCB 級(jí)寄生電容形成一個(gè)大回路，如圖 1-2 所示。這種大電流回路可能會(huì)導(dǎo)致隔離系統(tǒng)產(chǎn)生輻射發(fā)射。理解發(fā)射機(jī)制的另一種方法是，電路板的兩個(gè)隔離部分形成一個(gè)偶極天線發(fā)射器。大 PCB 尺寸可能會(huì)產(chǎn)生大電流回路，這種大電流回路可能會(huì)導(dǎo)致更高的輻射，然后在最終的實(shí)際使用中會(huì)被附近的系統(tǒng)接收到，在輻射合規(guī)性測(cè)試期間會(huì)被輻射測(cè)量天線接收到。

   鐵氧體磁珠 (FB) 在減少共模電流環(huán)路中的輻射發(fā)射至關(guān)重要。FB 可在 ISOW7741 中的直流/直流轉(zhuǎn)換器和其余部分之間插入，如圖 1-3 所示，從而斷開較大共模電流環(huán)路的路徑，并限制僅形成較短的電流環(huán)路。路徑中的此類 FB 可對(duì)部分頻率實(shí)現(xiàn)高衰減，從而阻斷了開關(guān)噪聲。選用上述 FB 可在開關(guān)頻率及其諧波頻率下提供超高阻抗 (> 1kΩ)。

3. 排除區(qū)域 (KOZ)

   正如鐵氧體磁珠 部分所述，F(xiàn)B 會(huì)衰減并阻止形成較大的共模電流環(huán)路。當(dāng) FB 將器件與 PCB 其余部分隔開時(shí)，請(qǐng)確保 FB 前后的所有電源平面和接地平面在整個(gè) PCB 中保持分隔，且分隔空間大于 FB 的長(zhǎng)度。這可確保在沒有足夠隔離的情況下，不會(huì)繞過 FB 并通過平面之間的電容耦合產(chǎn)生另外的共模電流環(huán)路。理想情況是完全避免直接在 FB 內(nèi)部的器件引腳上創(chuàng)建任何電源或接地平面。圖 1-4 突出顯示了分隔內(nèi)側(cè)和外側(cè)平面的排除區(qū)域，它們之間有很大的空間。

   圖 1-4 ISOW7741DFMEVM PCB 布局中突出顯示的排除區(qū)域 (KOZ)

輻射發(fā)射測(cè)試指南

電路板上的天線是產(chǎn)生輻射的主要原因。用于為系統(tǒng)供電的長(zhǎng)電纜或用于測(cè)量任何參數(shù)的探頭，會(huì)起到天線的作用并產(chǎn)生更高的發(fā)射讀數(shù)。請(qǐng)務(wù)必確保發(fā)射設(shè)置嚴(yán)格模擬其運(yùn)行的最終系統(tǒng)條件。為此，確保系統(tǒng)進(jìn)出電纜盡可能短或符合實(shí)際的系統(tǒng)使用條件。在 EMI 測(cè)試期間，也必須確保最終計(jì)劃用于最終系統(tǒng)的電路板進(jìn)行直接或電容連接或?qū)ΡＷo(hù)接地 (PE) 進(jìn)行金屬屏蔽。

如果電源遠(yuǎn)離 DUT 且使用長(zhǎng)導(dǎo)線連接，則建議在 DUT 附近使用共模扼流圈 (CMC)，以免長(zhǎng)導(dǎo)線不必要地加劇輻射。在線纜上使用鐵氧體磁芯鉗位濾波器代替 CMC，可最大限度地減少后者對(duì)發(fā)射測(cè)量的影響。通過使用這些濾波器，能夠測(cè)量實(shí)際設(shè)置的發(fā)射，并消除長(zhǎng)電纜的影響。將電路板上所需的任何額外元件（例如負(fù)載電阻器）直接焊接到電路板上，而不是使用長(zhǎng)導(dǎo)線將它們連接到電路板上。

避免此類長(zhǎng)導(dǎo)線的另一種方法是，如果受試設(shè)備 (EUT) 是直流供電的，則使用具有非常短導(dǎo)線的電池為 EUT 供電。圖 1-5 所示為評(píng)估模塊 ISOW7741DFMEVM 與 9V 供電堿性電池使用很短的導(dǎo)線連接。

盡管通常使用峰值檢測(cè)器來快速獲得測(cè)量結(jié)果，但 CISPR 32 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將輻射發(fā)射限值作為準(zhǔn)峰值限值。器件 ISOW7741 使用時(shí)鐘抖動(dòng)在小頻率波段內(nèi)改變開關(guān)頻率，而不是將所有功率集中在一個(gè)頻率上。當(dāng)進(jìn)行準(zhǔn)峰值掃描時(shí)，這類方法可帶來明顯更好的結(jié)果。

建議首先使用峰值檢波器進(jìn)行測(cè)量，找出測(cè)量結(jié)果最差的頻率，然后在選定的最差頻率下進(jìn)行準(zhǔn)峰值測(cè)量，估算與 CISPR 32 準(zhǔn)峰值限值的真實(shí)裕量。

輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果

圖 1-6 列出了 ISOW7741DFMEVM 使用圖 1-5 中所示測(cè)試設(shè)置的 CISPR 32 測(cè)試結(jié)果（VISOOUT 上的電壓配置為 5V 輸入、5V 輸出、負(fù)載為 100mA），圖 1-7 列出了圖 1-5 中所示同一測(cè)試設(shè)置的結(jié)果（VISOOUT 上的輸入電壓為 3.3V、輸出電壓為 3.3V、負(fù)載為 50mA）。這表明 ISOW7741 輻射發(fā)射不會(huì)遠(yuǎn)高于環(huán)境噪聲級(jí)別，結(jié)果滿足 CISPR 32 B 類限制，即使是進(jìn)行峰值發(fā)射測(cè)量也是如此。

結(jié)論

對(duì)于具有集成式直流/直流轉(zhuǎn)換器的數(shù)字隔離器（如 ISOW7741），為保持較小的變壓器尺寸，其轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率在 MHz 范圍內(nèi)。這種高頻開關(guān)會(huì)導(dǎo)致集成轉(zhuǎn)換器在 CISPR 32 頻譜頻帶中出現(xiàn)輻射發(fā)射。較大的 PCB 和長(zhǎng)連接電纜也會(huì)加劇集成式直流/直流轉(zhuǎn)換器的隔離式電源解決方案的整體輻射。憑借獲得專利的對(duì)稱設(shè)計(jì)架構(gòu)和時(shí)鐘抖動(dòng)，ISOW7741 優(yōu)化了輻射發(fā)射性能。通過遵循推薦去耦電容器和鐵氧體磁珠的放置指南并保留建議的排除區(qū)域，該器件可進(jìn)一步改善輻射發(fā)射。上述建議可減少較大 PCB 和長(zhǎng)電纜對(duì)輻射發(fā)射結(jié)果的影響，并使終端設(shè)備符合 CISPR 32 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射限制。