Как уменьшить излучение с помощью полностью интегрированной развязки по шинам данных и питания

В большинстве случаев требуется обеспечить гальваническое разделение источников питания и данных разных подсистем. Источники питания традиционно реализуются с помощью обратноходовых, изолированных понижающих или двухтактных (пушпульных) DC/DC-преобразaователей с трансформатором, который установлен после выпрямительной цепи во вторичной стороне. Однако к настоящему времени на рынке появились компактные, эффективные и полностью интегрированные кристаллы, в которых комбинируется изоляция данных и питания. На рис. 1–2 показана структурная схема такого устройства.

Рис. 1. Полностью интегрированное решение с изоляцией шин данных и питания

Как правило, трансформатор с драйвером применяется для преобразования напряжения питания. Использование трансформатора в одной ИС позволяет интегрировать изолированный силовой преобразователь в небольшой корпус. У этих очень компактных трансформаторов всего несколько витков (что позволяет уменьшить последовательное сопротивление), а магнитный сердечник часто отсутствует. Таким образом, DC/DC-преобразователь работает на очень высокой частоте величиной в несколько десятков МГц и выше.

Рис. 2. Однокристальное решение с развязкой цепей данных и питания

В то же время, поскольку первичная и вторичная обмотки таких трансформаторов расположены очень близко друг к другу внутри корпуса, между двумя катушками возникает большая паразитная емкость, через которую на вторичную сторону проникают импульсы с крутыми фронтами (рис. 3). Поскольку две стороны трансформатора полностью развязаны, синфазный ток образует большой обратный контур через паразитные емкости платы. Этот ток является причиной излучения помех в изолированные системах. Две изолированных части платы можно рассматривать как передающую дипольную антенну.

Рис. 3. Синфазные токи через изолирующий барьер образуют большой обратный контур

В дискретных реализациях излучаемые помехи ниже благодаря применению высокоиндуктивных трансформаторов с магнитными сердечниками и намного меньших коммутационных частот.

Мы обсудим несколько методов, позволяющих уменьшить излучаемые помехи в системах с помощью полностью интегрированных решений по развязке цепей передачи данных и питания.

Выбор интегрального устройства

Предлагаемые на рынке интегральные устройства для развязки цепей передачи данных и питания различаются по излучаемым электромагнитным помехам. Хорошо продуманная схема и цепь по управлению тактовыми сигналами позволяют уменьшить эти помехи на уровне устройства. На рис. 4 представлен пример излучаемых помех установленным на оценочную плату изолятором ISOW7841, который отвечает требованиям стандарта CISPR22 Class B, и устройством, которое этим требованиям неотвечает. Сравнения выполнены на уровне кристалла.

Рис. 4. Уровень излучения изолятора ISOW7841 и конкурирующих устройств при входном напряжении 5 В и нагрузке 80 мА

Работа при меньшем входном напряжении

Изолированные силовые устройства работают в относительно широком диапазоне входного напряжения (как правило, в пределах 3,3–5,5 В), обеспечивая совместимость со стандартными источниками питания. По сравнению с устройствами, работающими от 5 В, у устройств с входным напряжением 3,3 В скорость нарастания напряжения встроенного DC/DC-преобразователя меньше благодаря более низкому управляющему напряжению силовых транзисторов. В результате уменьшается синфазный ток через изолирующий барьер, что, в свою очередь, позволяет сократить уровень излучения. Из рис. 5 видно, что излучение при использовании питающего напряжения величиной 3,3 В намного меньше, чем при 5 В.

Рис. 5. Уровень излучения устройства ISOW7841 при входном напряжении величиной 5 и 3,3 В

Развязывающие конденсаторы, балластный резистор, ферритовые бусины

Как уже упоминалось, в устройствах с полностью интегрированной изолированной цепью питания используются высокие коммутационные частоты. В этих устройствах регулирование выходного напряжения осуществляется с помощью коэффициента заполнения. При включенном преобразователе потребляется большой ток с вывода питания V_CC (рис. 6). У этого тока имеется низкочастотная составляющая, которая, грубо говоря, прямо пропорциональна регулировочной полосе пропускания с обратной связью, и ВЧ-составляющая на коммутационной частоте и гармониках DC/DC-преобразователя.

Рис. 6. Развязывающие конденсаторы и входной балластный резистор в цепи питания

Входные конденсаторы разной емкости (C1 = 100 нФ, C2 = 1 мкФ, C3 = 100 нФ) на входе микросхемы фильтруют ВЧ-состав­ляющие и предупреждают их распространение по цепям питания основной платы. Необходимо установить эти конденсаторы как можно ближе к ИС, чтобы ограничить площадь контура 1. Непосредственно с этой микросхемой следует также установить конденсатор с наименьшей емкостью. Схожий банк конденсаторов, установленный в выходной части схемы, фильтрует переключающий ток во вторичной стороне DC/DC-преобразователя. Необходимо минимизировать площадь контура 2.

Несмотря на развязывающие конденсаторы, цепи питания основной платы по-прежнему потребляют некоторое количество ВЧ- и НЧ-тока (импульсы пикового тока величиной 100–500 мА продолжительностью в несколько микросекунд) в зависимости от выходного импеданса питающей сети. Если длина проводников входного источника питания велика, балластный резистор R_S и дополнительный конденсатор большей емкости C_F позволяют предотвратить протекание тока в цепь входного источника питания, что уменьшает уровень излучаемых помех. При этом уменьшается и ток в контуре 3.

Рекомендуемые значения резистора R_S находятся в диапазоне от 1 Ом при полной нагрузке (130 мА) до 5 Ом при малых нагрузках (<10 мА) на выводе V_ISO. Рекомендуемое значение емкости C_F составляет 100 мкФ. Эти значения можно скорректировать или удалить второстепенные компоненты с учетом уровня излучаемых помех. Установка в схему ферритовой бусины L₁ предотвращает поступление ВЧ-шума в основную плату.

На рис. 7 показана топология платы с развязывающими конденсаторами. В такой компоновке массив переходных отверстий по краям платы, предназначенных для объединения полигонов земли на разных слоях, создает экран Фарадея. В результате предотвращается воздействие излучаемых помех от внутренних шумящих проводников или плоскостей.

Рис. 7. Оценочный модуль для изолятора ISOW7841

Использование межслоевого конденсатора

Как уже упоминалось, синфазный ток между первичной и вторичной сторонами, а также большой обратный контур — главные причины излучаемых помех в изолированных системах. Один из способов минимизировать токовый контур состоит в использовании высоковольтного конденсатора между сторонами 1 и 2. При этом конденсатор устанавливается как можно ближе к ИС (рис. 8).

Рис. 8. Высоковольтный конденсатор между сторонами 1 и 2 уменьшает площадь контура синфазного тока

К конденсаторам, которые используются в источниках питания в таких случаях, относятся высоковольтные компоненты Y2 (для поверхностного монтажа или с выводами с соответствующими значениями длины пути утечки и воздушных зазоров). Из-за индуктивности выводов и собственной паразитной индуктивности конденсаторы Y2 оказываются неэффективными на частотах выше 200 МГц. Чтобы обеспечить малоиндуктивную емкость, внутренние слои печатной платы должны перекрывать друг друга.

Рассмотрим пример с четырехслойной платой, у которой верхний слой является сигнальным, второй — заземляющим, третий слой используется для питания VCC, четвертый — тоже сигнальный. Поскольку система изолирована, слои печатной платы разделены на две группы: слои стороны 1 (Signal1, GND1 и V_CC1) и слои стороны 2 (Signal2, GND2 и V_CC2). При увеличении длины внутренних слоев GND и V_CC в направлении другой стороны изолирующего барьера возникает перекрытие между слоями (рис. 9).

Рис. 9. Поперечное сечение слоев печатной платы с межслойной емкостью

Стеклотекстолитовая область перекрытия, образованная в результате удлинения слоев GND1 и V_CC2, обладает свойствами диэлектрика, создавая емкость между этими слоями. В быстрых переходных процессах, когда протекают синфазные токи, слои GND и V_CC рассматриваются как опорные. Следовательно, между опорными слоями стороны 1 и 2 возникает межслойная емкость. На рис. 10 иллюстрируется объемное представление межслойной емкости, образованной в четырехслойной печатной плате.

Рис. 10. Объемное представление слоев печатной платы с межслойной емкостью

С помощью уравнения рассчитывается эквивалентная емкость, образованная между сторонами 1 и 2:

где ε = ε₀ε_r; C_i — межслойная емкость; ε₀ — абсолютная диэлектрическая проницаемость воздуха равная 8,854 пФ/м; ε_r — относительная диэлектрическая проницаемость стеклотекстолита равная 4,2; A — величина области перекрытия; d — расстояние между слоями GND и V_CC.

Из уравнения выходит, что величина межслойной емкости C_i для печатной платы, изображенной на рис. 9, составляет около 30 пФ (см. исходные значения в таблице).

Межслойная емкость между двумя сторонами изолирующего барьера при соответствующем зазоре позволяет реализовать требования, предъявляемые к развязке системы. Стандарты электробезопасности, действующие в отношении конечного оборудования, и требования к рабочему напряжению определяют величину этого зазора. Большинство стандартов, определяющих требования к функциональной или базовой изоляции, не устанавливают значения минимального зазора между слоями сторон 1 и 2 одной плоскости или для разных плоскостей. В таких случаях целесообразно задавать наименьший зазор между перекрывающимися слоями, чтобы обеспечить наибольшее значение образованной емкости. Кроме того, необходимо учесть величину приложенного к барьеру рабочего напряжения и электрическую прочность изолирующего материала.

При необходимости обеспечить усиленную изоляцию при минимальном расстоянии между слоями сторон 1 и 2, находящимися на одной или разных плоскостях, в большинстве случаев допускается зазор величиной 0,4 мм в системах, работающих с напряжениями меньше 300 В_СКЗ, и расстояние 0,6 мм для диапазона напряжения 300–600 В_СКЗ. Помимо требований к минимальному зазору регламентируется и величина выбросов напряжения. Например, в соответствии со стандартом IEC 66010-1 изделия должны выдержать испытание напряжением 3510 В_СКЗ в течение 5 с и импульсное испытание напряжением 6400 В для эксплуатации в системах с усиленной изоляцией в диапазоне сетевого напряжения 300–600 В_СКЗ. Чтобы устройства успешно прошли эти испытания, необходимо предусмотреть соответствующий межслойный зазор с учетом диэлектрической прочности изоляции. Например, у стеклотекстолита ее величина составляет 20 кВ/мм.

На рис. 11 показано, как уменьшаются излучаемые помехи при использовании межслойной емкости. Если ее величина между двумя сторонами составляет 30 пФ, уровень помех падает до 10–20 дБ в зависимости от их частоты. При более высоких значениях емкости это ослабление увеличивается в еще большей мере.

Рис. 11. Уровень помех устройства ISOW7841 при использовании межслойной емкости 30 пФ и без нее при входном напряжении 5 В и нагрузке 80 мА

Следует не только предусмотреть необходимый зазор для изолирующего барьера, но и уделить должное внимание краям печатной платы, где проходят проводники с разными напряжениями, которые в иных случаях имеют разную полярность. Острые углы и края проводников могут способствовать ионизации воздуха, поскольку они увеличивают напряженность электрического поля и становятся причиной появления канала пробоя при высоком напряжении. Во избежание этих нежелательных явлений на краю платы следует располагать внутренние слои, а вместо острых краев использовать края треугольной формы, на которых плотность заряда распределена более равномерно (рис. 12–14). Закругление углов и краев плоскостей позволяет улучшить конечное решение.

Рис. 12. Острые края проводников у края платы

Рис. 13. Объединяющая плоскость удалена от краев платы

Рис. 14. Края треугольной формы позволяют улучшить работу платы при высоких напряжениях

Несмотря на то, что внутренние слои печатной платы, полностью окруженные диэлектриком, допускают относительно малый зазор (что было установлено выше), верхний и нижний сигнальные слои должны поддерживать использование намного больших зазоров. При расчете величины зазора необходимо учитывать возникающее перенапряжение, импульсы напряжения, а также условия эксплуатации, к которым относятся высота над уровнем моря и степень загрязнения воздуха.

Прямое соединение с защитным заземлением и соединение через конденсатор

Контроллер, или «холодная сторона» большинства изолированных систем, подключается к системному шасси, которое, в свою очередь, соединено с защитным заземлением. Благодаря этому соединению обеспечивается устойчивость заземления контроллерной стороны и уменьшается доля преобразования синфазного шума в электромагнитное излучение. Таким образом, контроллерная сторона изолированной системы должна быть прочно соединена с защитным заземлением.

Изолированное заземление таких интерфейсов, как аналоговые и цифровые модули ввода/вывода, изолированный интерфейс RS‑485 и CAN, может соединяться по переменному току с защитной землей через высоковольтные конденсаторы. Такая связь через емкость применяется, чтобы обеспечить возвратный тракт к защитному заземлению в случае электростатического разряда, бросков и кратковременных выбросов напряжения на шине и в кабелях системы ввода/вывода. Кроме того, это соединение позволяет уменьшить синфазный шум на изолированном заземлении, сократив, таким образом, излучаемые помехи, которые распространяются через интерфейс и кабели ввода/вывода.

На рис. 15 приведен пример изолированной системы с интерфейсом RS‑485, в которой применяется интегрированное устройство для развязки шин питания и сигнальных цепей. Заземление микроконтроллера напрямую подключено к земле, а вторичная сторона — к защитному заземлению через емкость, что минимизирует электромагнитное излучение от кабелей входного электропитания, а также от шины RS‑485.

Рис. 15. Прямое и емкостное подключение к защитному заземлению в изолированной системе RS-485

Синфазные дроссели

Длинные кабели или провода, подключенные к системе с DC/DC-преобра­зователем, могут собирать ВЧ-помехи при коммутации преобразователя и работать как антенны передатчиков. Таким образом, использование длинных кабелей приводит к появлению излучаемых помех высокого уровня. Во избежание этого следует делать контур синфазного тока как можно меньше, а кабели — как можно короче. Если же кабели по какой-то причине должны быть длинными и нельзя обеспечить хорошее подключение шасси и заземляющего контакта источника питания к заземлению, рекомендуется использовать дроссели (рис. 16) для ослабления синфазного шума. В случае применения силовых интегрированных изолированных решений дроссели уменьшают синфазный ток, а также уровень излучаемых помех. Синфазные дроссели устанавливаются на вход и выход источников питания или кабелей, подключенных к оборудованию.

Рис. 16. Синфазные дроссели уменьшают излучаемые помехи на входе и выходе источника питания, а также в линиях ввода/вывода

Измерения с помощью испытательной установки

При измерении уровня излучаемых помех следует убедиться в том, что измеряется только излучение от испытуемого оборудования, а не от других частей испытательной установки.

Главной причиной излучения является появление антенн на печатной плате. Длинные кабели, которые применяются для питания системы, или зонды для измерения параметров могут работать как излучающие антенны. Во избежание этого нежелательного явления испытательная установка должна как можно точнее моделировать условия эксплуатации системы. Необходимо с помощью экрана Фарадея защитить от излучения все вспомогательные средства, кроме испытуемой системы. Все контейнеры должны быть отделаны проводящим металлом — медью или алюминием. Подключаемые к системе кабели должны быть как можно короче, а модуль, с которым они соединены, должен находиться в клетке Фарадея.

Если силовые кабели должны быть достаточно длинными, рекомендуется устанавливать синфазные дроссели рядом с испытуемым устройством. При этом измеренный уровень излучения испытательной установки показывает, как нивелируется влияние длинных кабелей. При необходимости модифицировать плату при тестировании, например при добавлении в нее компонентов, их следует устанавливать непосредственно на плату, а не подключать к ней с помощью длинных проводов.

Согласно стандартам, уровень излучаемых помех указывается как предельное квазипиковое значение, хотя можно использовать квазипиковый детектор для оперативного получения результатов.

Выводы

Применение устройств, изолирующих цепи данных и питания, упрощает проектирование системы и позволяет сократить занимаемое на плате место. Использование встроенных трансформаторов с малой индуктивностью в этих устройствах приводит к необходимости задействовать высокие коммутационные частоты, что приводит к росту излучаемых помех по сравнению с системами на дискретных трансформаторах. Для уменьшения этих помех на системном уровне применяется меньшее напряжение питания, межслойные объединяющие емкости, фильтры и синфазные дроссели. При измерении уровня излучения необходимо убедиться в том, что испытуемое устройство или система не защищены, а входные кабели и кабели зонда полностью экранированы.