AN-1109: iCoupler器件的辐射控制建议 (Rev. 0)

AN-1109
应用笔记
One Technology Way • P.O. Box 9106 • Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. • Tel: 781.329.4700 • Fax: 781.461.3113 • www.analog.com
iCoupler器件的辐射控制建议
作者:Brian Kennedy、Mark Cantrell
简介
如果PCB设计选择得当,iCoupler®数据隔离产品很容易满
足CISPR 22 Class A(和FCC Class A)辐射标准,甚至能够满
足更严格的无屏蔽环境CISPR 22 Class B(和FCC Class B)标
准。本应用笔记将考察与PCB相关的抗电磁辐射技术,包
括电路板布局和堆叠问题。
关于辐射的标准有多种。在美国,联邦通信委员会(FCC)
负责管理辐射标准及测试方法。在欧洲,国际电工委员会
(IEC)制定标准,采用CISPR测试方法来评估辐射。这两种
标准规定的测试方法及合格/不合格界定稍有不同。虽然本
应用笔记参照IEC标准,但所有结果对这两种标准均适
用。
iCoupler数字隔离器输入端的数据跃迁编码为较窄的脉
冲,用以将信息发送到隔离栅的另一端。这种1 ns脉冲具
有高达70 mA的峰值电流,如果在印刷电路板(PCB)布局布
线和构建期间不加以重视,可能会引起辐射和传导噪声。
本应用笔记
将阐明相关辐射机制,并提供有关通过高频PCB设计技术
来解决辐射问题的具体建议。
信号电缆的辐射控制和机壳屏蔽技术不在本文讨论范围
内。
抗电磁辐射概述
抗电磁辐射的最佳做法是综合运用多种技术,包括输入至
输出接地层拼接电容、边缘防护,以及通过降低电源电压
来降低噪声。为了撰写本应用笔记,我们用业界常规材料
和结构设计并制作了一个4层电路板。
本应用笔记所用的抗电磁辐射实例基于4通道iCoupler产
品,但所述信息与所有iCoupler产品系列都相关,图1给出
了一些例子。
有关isoPower(集成隔离电源)产品的抗辐射信息,请参考
应用笔记AN-0971,其中包括一些其它的建议和技术。
ADuM14xx, ADuM24xx,
ADuM34xx, ADuM44xx,
ADuM744x
ADuM13xx, ADuM33xx
ADuM12xx, ADuM22xx,
ADuM32xx
09713-001
ADuM1100, ADuM3100
图1. iCoupler器件系列示例
Rev. 0 | Page 1 of 20
AN-1109
目录
简介.................................................................................................... 1
内层电容.....................................................................................8
抗电磁辐射概述.............................................................................. 1
3.3 V电源 ...................................................................................9
修订历史 ........................................................................................... 2
设计规程建议............................................................................10
辐射源 ............................................................................................... 3
满足隔离标准............................................................................10
边缘辐射....................................................................................... 3
示例板 .........................................................................................11
输入至输出偶极子辐射 ............................................................ 3
结论..................................................................................................14
传导噪声源....................................................................................... 5
附录A—PCB示例..........................................................................15
抗电磁辐射技术.............................................................................. 6
低噪声PCB示例 ........................................................................15
输入至输出拼接 ......................................................................... 6
浮动拼接电容.............................................................................. 7
边缘防护....................................................................................... 8
间隙PCB示例.............................................................................17
参考资料 .........................................................................................19
修订历史
2011年4月—修订版0:初始版
Rev. 0 | Page 2 of 20
AN-1109
辐射源
PCB中有两种潜在的辐射源:边缘辐射和输入至输出的偶
输入至输出偶极子辐射
极子辐射。
当驱动电流源通过接地层之间的间隙时,便会产生输入至
输出的偶极子辐射,这是辐射的主要机制。根据其自身特
边缘辐射
当非预期的电流达到接地层和电源层的边缘时,便发生边
缘辐射。这些非预期的电流可能源自:
性,隔离器需要驱动电流通过接地层之间的间隙。与传输
的电流相关的高频镜像电荷无法跨越边界返回,导致间隙
上出现差分信号,从而形成偶极子天线。在某些情况下,
• 电源旁路不充分所产生的接地和电源噪声。
这可能是一个很大的偶极子,如图4所示。当高频信号线
• 感性过孔所产生的圆柱形辐射磁场,它在电路板
路跨过接地层和电源层中的间隙时,类似的机制也会导致
各层之间辐射,最终在电路板边缘会合。
它产生辐射。这类辐射多数是与接地层垂直。
• 承载高频信号的带状线镜像电荷电流与电路板边
缘靠得太近。
当各种来源产生的差分噪声在电路板边缘会合并从层间空
9
1
09713-002
8
GROUND
POWER
16
间泄漏出来,形成一个波导时,便会产生边缘辐射(图2)。
09713-004
图2. 边缘匹配的接地电源对产生的边缘辐射
图4. 输入与输出之间的偶极子辐射
GROUND
h
SIGNAL
以ADuM140x器件为例可以很好地说明辐射产生与抑制问
09713-003
POWER
20h
题。
图3. 边缘不匹配的接地电源对产生的边缘辐射
在5 V VDD电源电压下工作时,发送器脉冲的峰值电流约为
在边界处,有两种限制情况:接地层和电源层的边缘对
齐,如图2所示;或者一个边缘缩回一定的量,如图3所
示。在第一种情况下,边缘对齐,有些辐射反射回PCB,
有些则从PCB透射出去。在第二种情况下,板的边缘形成
一个与贴片天线边缘类似的结构。当边缘不匹配量达到
20h时(h为层间距),电磁场在PCB之外有效耦合,产生高
辐射(参见“参考资料”部分的“Minimizing EMI Caused by
Radially Propagating Waves Inside High Speed Digital Logic
PCBs”)。这两种限制情况十分重要,参见“边缘防护”部分
关于PCB边缘处理的说明。
70 mA,这些脉冲是具有快速边沿速率的1 ns宽脉冲。
旁路电容应当能提供这一高频电流。该电容必须提供很大
的电荷储存能力,同时在100 MHz至1 GHz范围的高频时应
具有非常低的串联电阻。即使在引脚附近使用多个低ESR
电容,感性限制的旁路也会产生电压瞬变,噪声可能会进
入接地层和电源层。应当考虑电容的自谐振频率。使用多
个大小不同的电容,例如100 nF、10 nF和1 nF,有助于减
小这种效应。
图5显示了在一个消声腔中对4通道ADuM1402进行测试所
收集到的辐射数据,采用5 V电源供电,信号速率为
1 Mbps,使用标准四层PCB,但没有输入至输出接
地 层 拼 接电容。
Rev. 0 | Page 3 of 20
AN-1109
CHAMBER EN55022, CLASS B, RADIATED EMISSIONS PRESCAN
ACTV DET: PEAK
REF LEVEL
MEAS DET: PEAK
60.0dBµV
MKR 873.3MHz
38.56dBµV
CHAMBER EN55022, CLASS B, RADIATED EMISSIONS PRESCAN
REF LEVEL
ACTV DET: PEAK
50.0dBµV
MEAS DET: PEAK
MKR 682.7MHz
23.38dBµV
PREAMP ON
REF 60.0dBµV
REF 50.0dBµV
LOG
5
dB/
#ATN
0dB
LOG
5
dB/
#ATN
0dB
40dBµV
PREAMP ON
47dBµV
CISPR 22 CLASS A
47dBµV
40dBµV
37dBµV
CISPR 22 CLASS A
30dBµV
CISPR 22 CLASS B
37dBµV
CISPR 22 CLASS B
30dBµV
STOP
AVG BW 300kHz
1.0000GHz
SWP 909ms
VA SB
SC FC
ACORR
START 30.0MHz
L
#1F BW 120kHz
图5. 标准四层电路板的消声腔辐射:采用4通道
ADuM1402、信号速率1 Mbps
STOP
AVG BW 300kHz
1.0000GHz
SWP 909ms
09713-006
START 30.0MHz
L
#1F BW 120kHz
09713-005
VA SB
SC FC
ACORR
图6. 低噪声四层电路板的消声腔辐射:采用300 pF拼接电容
和4通道ADuM1402、信号速率1 Mbps
如图5所示,在30 MHz至230 MHz范围内,此板的辐射数
据通过CISPR 22 Class A辐射标准(要求40 dBμV)并留有约6
dBμV的裕量。图6所示为使用300pF拼接电容的低噪声四层
板的测试结果,以供对比。其测试条件与标准板相同,但
结果通过CISPR 22 Class A和CISPR 22 Class B要求并留有一
大截裕量。“抗电磁辐射技术”部分说明了如何利用像低噪
声板所用的那些推荐PCB布局技术来控制辐射。
Rev. 0 | Page 4 of 20
AN-1109
传导噪声源
大电流和高频率也会在接地层和电源层上产生传导噪声。
100 nF的理想旁路电容应当足以提供该电流的交流分量。
这一问题同样可以利用针对辐射问题的技术来解决,因为
然而,旁路电容不是理想电容,它们可能会通过感性过孔
通过采用同样的PCB接地和电源结构,这两类电磁干扰都
连接到接地层或电源层。此外,接地层和电源层之间的较
可以得到改善。
大距离会在其间产生较大电感,限制接地层/电源层快速提
VDD噪声的产生原因是旁路电容和接地层/电源层无力向
供电流的能力。这些因素都会导致V DD 层上出现高频噪
iCoupler器件提供足够的高频电流。iCoupler隔离器在1 ns
声,占了1单位噪声的很大一部分。
突发脉冲内将数据传输到变压器的另一端,脉冲的幅度为
70 mA。
Rev. 0 | Page 5 of 20
AN-1109
抗电磁辐射技术
有许多抗电磁辐射技术可供设计师参考,本节将说明几种
可以直接应用于iCoupler器件的技术。需要权衡考虑如何
解决强电磁辐射问题才能符合IEC或FCC辐射标准,以及
至少有三种方案可用来形成拼接电容。
• 在隔离栅两端接一个安规电容。
• 里层上的接地和电源层可以延伸到PCB的隔离间
隙中,形成一个交叠拼接电容。
成本和性能等设计要求。
为了充分利用PCB相关的抗电磁辐射技术,PCB应依赖于
• 在里层的隔离侧与非隔离侧之间的间隙可以设置
一个浮动金属层,如图8所示。
相对连续的接地层和电源层,并且能够指定它们在堆叠中
的相对位置和距离。这意味着至少应使用三层:接地层、
就有效性和所需的实施面积而言,每种方案都有优点和缺
电源层和信号层。
点。请注意,针对医疗应用,隔离地与大地之间的容许总
在电路板制造中,从实用角度考虑,四层电路板为最小堆
隔离电容可能只有10 pF到20 pF。
叠。可以设计更多层,以便大大增强建议技术的有效性。
安全拼接电容
如果使用两层板,可以利用以一个安全拼接电容来降低辐
在隔离栅两端连接一个简单的陶瓷电容便可实现拼接电
射,如“输入至输出拼接”部分所述。
容。大部分知名电容制造商都提供具有保证爬电距离、电
气间隙和耐受电压的电容。视目标用途不同,这些安规电
下列技术可以有效降低电磁辐射和板上噪声:
容分为多种等级。Y2级用于存在触电危险的线路到地应
• 输入至输出接地层拼接
用,安全应用中的拼接电容建议使用这种类型的安规电
• 边缘防护
容。此类电容提供表贴和径向引脚圆片两种封装。表1列
• 内层容性旁路
出了一些Y2级安规电容。
• 功率控制(3.3 V电源)
为了利用ADuM140x评估以上每种抗电磁辐射技术,我们
准备了具有测试结构的电路板。每块电路板布局的差异应
尽可能小,以使结果具有可比性。测试是根据
CISPR22 Class B标准认证条件,在一家电磁辐射测试机构
执行的。结果如图14至图17所示,表4至表7概括了测试结
果。
安规电容是分立器件,必须利用焊盘或通孔将其安装到
PCB上。因此,除了电容本身的电感外,还会增加与电容
串联的寄生电感。此外,这还会使拼接电容局部化,要求
电流流到电容,从而产生不对称的镜像电荷路径,并且会
增加噪声。这些分立电容在最高200 MHz的频率范围内有
效。超过200 MHz时,PCB本身的电容变得非常有效。
PCB本身的电容
输入至输出拼接
当电流沿PCB走线流动时,镜像电荷也会沿走线下方的接
地层随之移动。如果走线跨过接地层中的间隙,镜像电荷
将无法跟随。这就在PCB中产生差分电流和电压,导致辐
射和传导噪声。解决办法是提供一条通路,使镜像电荷能
PCB本身也能通过多种方式形成拼接电容结构。当PCB中
的两层交叠时,就会形成一个电容。此类电容具有一些非
常有用的特性,平行板电容的电感极低,而且电容分布在
相对较大的面积上。
跟随信号移动。标准做法是在信号跨过接地层中的间隙附
这些结构必须构建在PCB的里层上。表层的爬电距离和电
近放置一个拼接电容(参见“参考资料”部分的“PCB Design
气间隙要求最小,因此不适合用来构建此类结构。
for Real-World EMI Control”)。这一技术也可用来将由
于iCoupler隔离器工作而在接地层之间产生的辐射降至最
低。
表1. 安全电容
安全额定值
X1/Y2
X1/Y2
X1/Y2
工作电压额定值
(VAC)
250
250
300
隔离电压额定值
(VAC)
1500
2000
2600
封装类型/尺寸
SMT/1808
径向/5 mm
径向/7.5 mm
值 (pF)
150
150
150
Rev. 0 | Page 6 of 20
制造厂商
Johanson Dielectrics
Murata
Vishay
产品型号
502R29W151KV3E-SC
DE2B3KY151KA2BM01
VY2151K29Y5SS63V7
AN-1109
交叠拼接电容
图8所示为一个浮动拼接电容示例。参考层显示为蓝色和
有一种简单的方法可实现良好的拼接电容,这就是将一个
绿色,浮动耦合层显示为黄色。这种结构的电容形成两个
参考层从原边和副边延伸到PCB表面上用于爬电的区域。
容性区域(阴影部分),非交叠部分将这两个区域连在一
起。为了确保耦合层上不会累积直流电压,原边和副边上
W
的面积应大致相等。
I
09713-009
d
W2
W1
I
图7所示结构的容性耦合通过下列关于平行板电容的基本
关系进行计算:
Aε
和 ε = ε0 × εr
C
d
其中:
d
图8. 浮动拼接电容
图8所示结构的容性耦合通过下列关于平行板电容的基本
关系进行计算:
C为总拼接电容。
Cx 
Ax ε
c × c2
, ε = ε0 x εr, C  1
c1  c 2
d
A为拼接电容的交叠面积。
其中:
ε0为自由空间的介电常数8.854 × 10−12 F/m。
C为总拼接电容。
εr为PCB绝缘材料的相对介电常数,FR4约为4.5,如表2所
A为拼接电容的交叠面积。
示。
C
09713-008
图7. 交叠层拼接电容
lwε
d
( 1)
其中,w、d和l是原边与副边参考层的交叠部分的尺寸,
如图7所示。
ε0为自由空间的介电常数8.854 × 10−12 F/m。
εr为PCB绝缘材料的相对介电常数,FR4约为4.5,如表2所
示。
这种结构的主要优势是电容产生于隔离器下方的间隙中,
为了满足爬电距离和电气间隙要求,此处不得有顶层和底
层。多数设计不会利用电路板的这一区域。而且,该电容
lε  w1 × w2 

×
(2)
d  w1  w2 
其中,w1、w2、d和l是浮动层与原边和副边参考层的交叠
C=
部分的尺寸,如图8所示。
个FR4层。它非常适合只需要基本绝缘的较小电路板。
如果w1 = w2,则上式可简化为:
lw ε
C 1
(3)
2d
在实际应用中,这种结构既有优点,也有缺点。主要优点
表2. 电气特性
是有两个隔离间隙,一个在原边,一个在副边。这些间隙
的单位面积值是浮动层的两倍。
在原边和副边参考层之间,此结构只有一个粘合接头和一
类型
FR4
GETEK
BT-Epoxy
1 MHz时的介电常数
4.5
3.6 至 4.2
4.0
介电强度
(V/mil)
1000 至 1500
1000 至 1200
750
称为粘合接头,FR4各层之间的焊接可提供隔离效果。
沿PCB材料的厚度方向相继还有两条路径。依据某些隔离
标准创建加强隔离栅时,这些间隙和厚度会非常有利。此
类结构的缺点是电容形成在有源电路区域下方,可能会有
浮动拼接电容
过孔和走线跨过间隙。公式2还说明,两个电容串联所产
一个较好的方案是使用电路板里层上的浮动金属结构来连
生的净电容只有使用相同PCB面积形成的一个电容的一半
接原边与副边电源层。请注意,本应用笔记将专用于接地
大小。因此,就单位面积电容而言,这种技术的效率较
或电源的层称为参考层,因为从交流噪声角度看,它们具
低。总体而言,它最适合于有大量电路板面积可用或需要
有相同的行为特征,对于拼接电容是可以通用的。
加强绝缘的应用。
Rev. 0 | Page 7 of 20
AN-1109
边缘防护
抗电磁辐射测试板所用的堆叠形式为“信号-接地-电源-
到达电路板边缘的电源层与接地层上的噪声可以像图2和
信号”,如图11所示。一个较薄的核心层用于电源层和接
图3所示那样辐射。如果采用屏蔽结构对边缘进行处理,
地层。这些紧密耦合层提供内层电容层,以补充隔离器正
则噪声将反射回内层空间中(参见“参考资料”部分的“Mini-
常工作所需的旁路电容。
mizing EMI Caused by Radially Propagating Waves Inside High
GROUND
POWER
BURIED
CAPACITOR
LAYER
声,但也会降低边缘辐射。
可以在PCB上进行固体导电边缘处理,但该工艺成本较
SIGNAL/GROUND
09713-012
SIGNAL/POWER
Speed Digital Logic PCBs”)。这会增加这些层上的电压噪
图11. PCB堆叠提供内层电容
高。成本较低且效果不错的方案是采用保护环结构处理电
除了接地层和电源层外,还可以用接地和电源填料交替填
路板边缘,保护环结构通过过孔联系在一起。图9所示的
充信号层,以进一步提高电容。为了说明这一情况,图11
结构是针对典型的四层板。图10显示如何在电路板原边的
中的顶层和底层分别被标示为“信号/电源”和“信号/接地”。
电源和接地层上实现该结构。
这些填料还能带来额外的好处,即形成额外的辐射屏蔽,
把过孔护栏结构边缘周围的辐射泄漏保持在PCB中。填充
GROUND
接地和电源填料时应小心,填料应再连接到完整的参考
POWER
层,因为浮动的填料可能会成为贴片天线,造成电磁辐射
GROUND VIA EDGE FENCE
AND GUARD RINGS
09713-010
而不是起到屏蔽作用。有关填充的一些推荐做法包括:
图9. 过孔护栏结构侧视图
•
每隔10mm,填料应通过过孔沿着边缘连接到相应的参
考层。
•
填料的少量溢出部分应予以移除。
•
如果填料的形状不规则,应将过孔安排在填料的最外
缘。
09713-011
POWER FILL
图10. 显示在原边电源层上的过孔护栏与保护环
AVOID SMALL
FILL ISLANDS
构建边缘防护有两个目标。第一个目标是将柱形辐射从过
孔反射回内层空间,不让它从边缘逃逸。第二个目标是将
里层上流动的边缘电流(由走线上流动的噪声或大电流引
起)屏蔽起来。
如果不采用繁琐的建模,将难以确定用于创建边缘防护的
此间隔非常小,足以衰减18 GHz以下的信号。
VIA TO REFERENCE
PLANE
内层电容
GROUNDED
VIA FENCE
09713-013
过孔间隔。ADI公司的评估板测试板使用4 mm过孔间隔,
内层电容旁路技术旨在通过改善高频时的旁路完整性来降
图12. 填料特征
低电路板的传导噪声和辐射。它有两个优点:第一,缩短
内层电容的有效性如图13所示,图中显示了ADuM140x系
高频噪声在接地层-电源层对中的扩散距离;第二,通过提
列器件的编码脉冲在VDD电源上产生的噪声。上图显示,
供在300 MHz至1 GHz频率范围有效的旁路电容,降低进入
一个两层板上VDD1引脚的噪声约为0.17 V p-p。下图显示,
电源层和接地层中的初始噪声(参见“参考资料”部分的“PCB
对于一个具有电源层和接地层(内核间隔0.1 mm)的PCB,
Design for Real-World EMI Control”)。电源和接地噪声的降
噪声大幅降低到仅0.03 V p-p。这说明,如果使用间距甚小
低可以为靠近iCoupler隔离器的噪声敏感元件提供更好的
的接地层和电源层,电源噪声将显著降低。
工作环境。辐射和传导噪声的降低均与电源和接地噪声的
降低成比例。辐射降低不如拼接或边缘防护技术那样显
著,但它仍可明显改善电路板的电源环境。
Rev. 0 | Page 8 of 20
STANDARD BOARD 5V V DD
GUARD BOARD 5V V DD
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
4 LAYER: 4 MIL SPACING GND
TO PWR PLANE
0
2
4
6
8
10
12
TIME (µs)
14
16
18
20
STANDARD BOARD 3.3V V DD
50
X
40
30
X
20
10
0
50
100
150
200
250
300
STITCHING CAPACITANCE (pF)
3.3 V电源
60
400
STANDARD BOARD 5V V DD
许多iCoupler产品可以采用3.3 V输入和输出电源工作。以
GUARD BOARD 5V V DD
示使用3.3 V电源相对于使用5 V电源的辐射降低情况,测
试采用4通道ADuM1402的标准四层评估板。
60
STANDARD BOARD 5V V DD
GUARD BOARD 5V V DD
STANDARD BOARD 3.3V V DD
GUARD BOARD 3.3V V DD
PEAK EMISSIONS (dBµV/m)
较低电压工作可以减少噪声及辐射的产生。图14至图17显
STANDARD BOARD 3.3V V DD
50
GUARD BOARD 3.3V V DD
40
30
20
40
10
0
50
30
100
150
200
250
300
STITCHING CAPACITANCE (pF)
350
400
09713-017
PEAK EMISSIONS (dBµV/m)
350
图15. 拼接电容和防护选项的峰值辐射:频率范围
230 MHz至1000 MHz、信号速率1 Mbps
图13. 不同PCB布局的VDD 电压噪声
50
GUARD BOARD 3.3V V DD
09713-016
5.10
5.08
5.06
5.04
5.02
5.00
4.98
4.96
4.94
4.92
4.90
60
2 LAYER: NO GND AND PWR PLANES
PEAK EMISSIONS (dBµV/m)
5.10
5.08
5.06
5.04
5.02
5.00
4.98
4.96
4.94
4.92
4.90
09713-014
VDD (V)
AN-1109
图16. 拼接电容和防护选项的峰值辐射:频率范围
30 MHz至230 MHz、信号速率10 Mbps
20
60
STANDARD BOARD 5V V DD
100
150
200
250
300
STITCHING CAPACITANCE (pF)
350
400
图14. 拼接电容和防护选项的峰值辐射:频率范围30
MHz至230 MHz、信号速率1 Mbps
图14至图17还显示了原边到副边拼接电容量和防护选项不
同的多种四层评估板的辐射情况。“示例板”部分的表4至表
7使用了这些图中的数据,用以说明如何应用布局技术来
降低辐射,以满足CISPR 22 Class B辐射标准要求。
STANDARD BOARD 3.3V V DD
50
X
GUARD BOARD 3.3V V DD
40
30
X
20
10
0
50
100
150
200
250
300
STITCHING CAPACITANCE (pF)
350
400
图17. 拼接电容和防护选项的峰值辐射:频率范围
230 MHz至1000 MHz、信号速率10 Mbps
Rev. 0 | Page 9 of 20
09713-018
50
PEAK EMISSIONS (dBµV/m)
0
09713-015
GUARD BOARD 5V V DD
10
AN-1109
设计规程建议
CREEPAGE/
CLEARANCE
可以考虑下列常规做法:
•
至少使用四层堆叠。
•
GND层应尽可能靠近VDD层,以提供最大的旁路电容
值。
电源线上的所有过孔应尽可能大。小过孔电感较
大,且会产生噪声。使用多个小过孔在降低过孔
CEMENTED
JOINT
电感方面不如一个大过孔有效,因为即使存在多
图18. PCB设计中的关键距离
条路径,大部分电流仍只会通过距离最近的过
关于PCB绝缘,认证机构关注的是材料是否有足够的电介
孔。
•
09713-034
•
THROUGH
INSULATION
质击穿强度来满足瞬态测试要求,以及其结构是否能保证
布线时务必要考虑信号的参考层。保证镜像电荷
绝缘不会随着时间推移而失效。表3比较了四种标准,每
路径至关重要,镜像电荷不应迂回绕行甚至与另
种标准都对如何在PCB内部形成基本或加强绝缘隔离栅提
一层上的原始信号会合。
出了不同的解决方案。
•
切勿将高速信号布线靠近PCB边缘排放。
•
数据或电源线路离开电路板时,特别是通过电缆
在IEC 60950标准中,对于PCB的功能性绝缘或基本绝缘标
离开电路板时,会引起额外的辐射问题。可以利
准没有最小绝缘距离要求,因此设计师在电路板布局方面
用穿心滤波电容或类似的滤波器结构使电缆辐射
享有很大的自由度。为了满足产品的终生过压要求,FR4
降至最低程度。
等材料必须足够厚。
满足隔离标准
如果要求加强绝缘,则沿焊接表面的绝缘,例如内部PCB
除拼接电容技术外,本应用笔记描述的大多数技术不会影
层上铜皮之间的间隙或直接穿过层间绝缘的间隙,多数情
响电路板隔离。当用安规电容实现拼接时,安规电容有额
况下必须保证0.4 mm(约16 mil)的最小绝缘距离。此外,除
定工作电压和瞬态电压,以及额定爬电距离和电气间隙,
非有效结构之间采用多层绝缘,否则可能还有电路板类型
因此从认证角度看,安规电容相对更容易处理。然而,它
测试要求。虽然满足这一要求需要对电路板进行精心设
作为抗电磁辐射元件的性能是有限的。
计,并且可能需要四层以上,但如果从设计一开始便予以
当导体彼此尽可能靠近时,PCB拼接电容自然是最有效的
考虑,则并不麻烦。
手段。为了利用这些元件实现最高性能,需要尽可能提高
隔离栅上的容性耦合会造成交流泄漏及瞬变从一个接地层
内部间距要求,同时应保持安全性。内部间距的限制主要
耦合至另一个接地层。300 pF电容看似很小,但高压高速
取决于系统构建标准。标准不同,PCB构建方法可能完全
瞬变通过此电容可以将大量电流注入。如果应用在这些环
不同。
境下,则必须考虑这一点。
认证机构以不同方式对待多层PCB的表层和里层。表层有
爬电距离和电气间隙要求,这些要求由空气离子化和污秽
表面的击穿电压决定。里层则被当作固体绝缘物或固体绝
缘之间的永久粘合接头。
表3. 不同隔离标准的隔离爬电距离比较
IEC 60950
沿粘合接头的
绝缘距离(2.10.6.4)
距离(2.10.6.3)
IEC 61010第二版
沿粘合接头
绝缘距离
的距离(6.7.2.2.3)
(6.7.2.2.3)
IEC 61010第三版
沿粘合接头
绝缘距离(6.7)
的距离(6.7)
功能性绝缘
无要求
无要求
无要求
无要求
最小值0.4 mm
最小值0.4 mm 通过测试验证
基本绝缘
无要求
无要求
无要求
无要求
最小值0.4 mm
最小值0.4 mm
补充/加强绝缘
最小值0.4 mm或多
层绝缘,预硬化
最小值0.4 mm
(2.10.5.2)
无要求
无要求
最小值0.4 mm或多
层绝缘,预硬化
最小值0.4 mm 通过测试验证
绝缘类型
Rev. 0 | Page 10 of 20
IEC 60601
粘合和固体
绝缘
通过测试验证
AN-1109
示例板
第一个示例使用无拼接电容的标准PCB板,四个通道以1
精心选择PCB结构与技术的组合可以实现要求的系统抗电
磁辐射目标,而不必使用机壳屏蔽。本例选择一个基于
ADuM140x的系统,它通过了CISPR 22 Class B认证。
Mbps输入信号频率工作,需要满足CISPR 22 Class B标准。
表4给出了ADuM1402的四个通道在1 Mbps数据速率下的测
试结果。使用3.3 V V DD 电源时,用作参考的四层板符合
本例的出发点是一个四层PCB板,里层上有接地层和电源
CISPR 22 Class B辐射要求。在5 V VDD电源和1 Mbps数据速
层。所有电磁辐射降低均是相对于这一四层电路板所产生
率下,ADuM1402符合CISPR 22 Class A要求,但超过
的辐射和噪声而言。之所以选择CISPR 22 Class B标准,是
CISPR 22 Class B限值4 dBμV/m(30 MHz至230 MHz范围)和2
因为它只涉及两个频率范围,但也可以使用FCC Class B标
dBμV/m(230 MHz至1000 MHz范围)。
准,如图19所示。为了满足CISPR 22 Class B要求(绿线),
按照归一化10 m天线距离计算,30 MHz至230 MHz频率范
围内的辐射必须低于30 dBμV/m,230 MHz至1000 MHz频
率范围内的辐射必须低于37 dBμV/m。为了达到这些辐射
要求,可以运用一些抗电磁辐射技术。
Class B限值,我们针对不同的电路板布局下使用抗辐射技
术并获取了ADuM1402的测试数据,如表5所示。5 V VDD和
1 Mbps条件下的数据显示,要符合CISPR 22 Class B限值,
只需降低2 dB到4 dB。因此,添加一个150 pF拼接电容,将
辐射降低5 dB到10 dB,便能很好地符合Class B的辐射限
60
值。
55
50
45
40
35
30
FCC CLASS B
FCC CLASS A
CISPR 22 CLASS B
CISRR 22 CLASS A
25
20
10
100
1000
FREQUENCY (MHz)
10000
09713-019
EMISSIONS LIMITS (dBµV/m)
为了降低辐射以符合四个数据通道、1 Mbps时的 CISPR 22
图19. 归一化10 m天线距离的CISPR 22和FCC限值
表4. CISPR 22 Class A和Class B辐射限值,标准四层PCB、4通道、1 Mbps
要求
四层PCB板的辐射
CISPR 22 Class A限值
CISPR 22 Class B限值
满足CISPR 22 Class B所需的辐射降幅
3.3 V VDD, 30 MHz
至 230 MHz
28 dB
40 dB
30 dB
0 dB
3.3 V VDD, 230 MHz
至 1000 MHz
36 dB
47 dB
37 dB
0 dB
5 V VDD, 30 MHz
至 230 MHz
34 dB
40 dB
30 dB
4 dB
5 V VDD, 230 MHz
至 1000 MHz
39 dB
47 dB
37 dB
2 dB
3.3 V VDD, 230 MHz
至 1000 MHz
−7 dB
0 dB
0 dB
−7 dB
5 V VDD, 30 MHz
至 230 MHz
−7 dB
−6 dB
−1 dB
−14 dB
5 V VDD, 230 MHz
至 1000 MHz
−10 dB
0 dB
0 dB
−10 dB
表5. 降低辐射的技术,四层PCB增加拼接电容,4通道、1 Mbps
技术
添加150 pF拼接电容
再添加150 pF拼接电容
添加护栏和保护环
电磁辐射总降幅
3.3 V VDD, 30 MHz
至 230 MHz
−5 dB
−5 dB
−1 dB
−11 dB
Rev. 0 | Page 11 of 20
AN-1109
表6. CISPR 22 Class A和Class B辐射限值,标准四层PCB、4通道、10 Mbps
要求
四层PCB板的辐射
CISPR 22 Class A限值
CISPR 22 Class B限值
满足CISPR 22 Class B所需的辐射降幅
3.3 V VDD, 30 MHz
至 230 MHz
45 dB
40 dB
30 dB
15 dB
3.3 V VDD, 230 MHz
至 1000 MHz
53 dB
47 dB
37 dB
16 dB
5 V VDD, 30 MHz
至 230 MHz
54 dB
40 dB
30 dB
24 dB
5 V VDD, 230 MHz
至 1000 MHz
57 dB
47 dB
37 dB
20 dB
3.3 V VDD, 230 MHz
至 1000 MHz
−24 dB
0 dB
0 dB
−24 dB
5 V VDD, 30 MHz
至 230 MHz
−11 dB
−10 dB
−1 dB
−22 dB
5 V VDD, 230 MHz
至 1000 MHz
−25 dB
−3 dB
0 dB
−28 dB
表7. 降低辐射的技术,四层PCB增加拼接电容,4通道、10 Mbps
技术
添加150 pF拼接电容
再添加150 pF拼接电容
添加护栏和保护环
电磁辐射总降幅
3.3 V VDD, 30 MHz
至 230 MHz
−8 dB
−7 dB
−1 dB
−16 dB
第二个示例的四个通道以10 Mbps输入信号频率工作,需
何实施拼接电容和原边护栏技术。它没有显示内层电容旁
要满足CISPR 22 Class B标准。如表6所示,无拼接电容的标
路技术,因为这种结构太精细,无法显示在此图中。
准四层ADuM1402评估板在更高数据速率10 Mbps下对4个
图中显示拼接电容与电源共用一层。这是一种精致而紧凑
通道进行测试,结果显示标准布局不能满足CISPR 22 Class
A和Class B辐射要求。使用拼接电容,以及将电源电压
降至3.3 V,有助于降低辐射水平。
的解决方案,但它会限制可用来创建电容的空间,因为它
分割了电源层。如果此层上的空间不足以用来创建足够大
的电容,可以将拼接结构移至其自己的板层,或使拼接结
表7显示了运用抗电磁辐射技术可获得的电磁辐射降低幅
构与信号共用一层。如果使用信号层,应注意避免拼接结
度。在3.3 V VDD下使用所有技术时,可满足CISPR 22 Class
构中出现孤岛。无论使用哪一层,拼接结构均应靠近
B要求。在5 V V DD 下使用所有技术时,可满足CISPR22
iCoupler隔离器,可能的情况下应填充间隙。
Class A要求,但仍然超过30 MHz至230 MHz时的限值2 dBμ
FENCE STRUCTURE
V/m。要满足10 Mbps、4个通道时的CISPR 22 Class B限
POWER
板、5 V)延伸到400 pF,使辐射再降低5 dBμV/m至6 dBμ
POWER
STITCHING
CAPACITOR
V/m。
辐射取决于发送器侧接地层的大小,以及接地层与电源层
GROUND PLANES
09713-020
值,需再添加一个100 pF拼接电容,将图16中的蓝线(标准
图20. 容性拼接和过孔护栏技术
之间的间隔。可能的话,建议使用较大的发送器侧内层电
容区域。距离电路板边缘较远,以及接地层与电源层之间
关于在ADuM140x评估板上实现PCB结构的说明,请参考
的间隔较近,均会限制电磁辐射。对于较小的发送器侧接
“附录A—PCB示例”部分。附录说明了此处所述的结构图,
地层,使用过孔护栏和内层电容有助于降低辐射。
以及所实现的耦合与旁路电容值。
Class A容许的辐射水平比Class B高出约10 dB,这使设计人
间隙板布局结果
员在选择抗电磁辐射技术时有更大的灵活性。采用该示例
在某些应用中,输入至输出拼接布局会引起一个问题,这
板,只需添加拼接电容便可满足Class A要求。
就是当应用的PCB认证标准要求PCB一层内的各平面之间
图20显示了PCB相关技术。它是一个剖视图,为了更清楚
存在较宽的间隙时,拼接电容的性能会下降。解决办法是
地显示底层结构,某些结构已被移除。图20清楚显示了如
利用内部接地和电源层中的较宽阻挡区域来创建拼接电容。
Rev. 0 | Page 12 of 20
AN-1109
为了对此进行测试,先执行辐射腔测量,以便比较一个里
TRACKS + GND1
TRACKS + GND2
LAYER 1: CU
层之间具有4 mm宽间隙的四层板,如图21、图22和图23所
示。测试四片不同的电路板:标准板、添加防护和护栏的
0.55mm
GND1
标准板、间隙板、添加防护和护栏的间隙板。所用的间
VDD1
VDD2
0.15mm
隙为
LAYER 2: CU
FR4 0.15mm
LAYER 3: CU
FR4 0.55mm
0.55mm
4 mm宽,但对于大多数应用,间隙距离可以小得多。结果
如图24和图25所示,标准板与间隙板之间有1
FR4 0.55mm
GND2
LAYER 4: CU
dB或更小
TRACKS + GND1
TRACKS + GND2
图23. 具有0.15 mm电介质的ADuM1xxx间隙板布局
截面:显示GND层2和VDD 层3
的差异,因此,利用间隙板布局可以控制辐射。在30 MHz
至230 MHz的辐射频率范围内,防护板比标准板有2 dB的
60
X
改善,这可能意味着防护降低了间隙处的边缘辐射,因为
布局图和交叠区域中过孔和器件的间隙区域。
50
X
40
X
30
0.1
STANDARD BOARD
150pF STITCHING
GUARD BOARD
150pF STITCHING
GAP BOARD
150pF STITCHING
GUARD GAP BOARD
150pF STITCHING
1
10
SIGNAL FREQUENCY (Mbps)
100
09713-024
有关间隙板的更多信息,请参考“附录A—PCB示例”,包括
PEAK EMISSIONS (dBµV/m)
它有助于消除“边缘辐射”部分所述的20h效应。
图24. 用于比较间隙板的5 V VDD 峰值辐射,辐射频
率范围30 MHz至230 MHz
40
30
20
0.1
X
STANDARD BOARD
150pF STITCHING
GUARD BOARD
150pF STITCHING
GAP BOARD
150pF STITCHING
GUARD GAP BOARD
150pF STITCHING
X
X
1
10
SIGNAL FREQUENCY (Mbps)
100
图22. 具有4 mm间隙的ADuM1xxx间隙板布局:显示VDD 层3
09713-022
图25. 用于比较间隙板的5 V VDD 峰值辐射,辐射
频率范围230 MHz至1000 MHz
Rev. 0 | Page 13 of 20
09713-025
图21. 具有4 mm间隙的ADuM1xxx间隙板布局:显示GND层2
PEAK EMISSIONS (dBµV/m)
09713-021
50
09713-023
层间距为标准值0.4 mm的四层板,与一个内部GND和VDD
AN-1109
结论
在医疗等要求低交流泄漏的应用中,拼接电容可能不是一
本应用笔记所概述的每种方法可以用于特定辐射源,并可
个可行的方案。在其它应用中,拼接电容可能会将噪声从
以与所介绍的其它技术合并使用,以根据需要降低相关辐
高噪声端耦合到低噪声端。这种情况下,使用内层电容旁
射。在无外部屏蔽情况下,利用拼接电容和边缘防护,测
路、边缘防护、电源和接地填料等技术可能有助于降低传
试板很容易符合CISPR 22 Class B标准。此外,在接地层和
导噪声。在无法使用拼接电容并且其它技术无效的应用
电源层中使用内层去耦电容可以为精密测量应用提供非常
中,为使辐射降至最小,金属机壳接地可能是最可行的方
安静的环境。
案。
虽然本应用笔记所依赖的数据是在四通道ADuM140x器件
上收集到的,但这些技术适用于全部iCoupler数据隔离器
产品。有关如何抑制isoPower(集成隔离电源)产品电磁辐
射的更多信息,请参考应用笔记AN-0971:“isoPower器件
的辐射控制”。
Rev. 0 | Page 14 of 20
AN-1109
附录A—PCB示例
低噪声PCB示例
已经证明,标准评估板布局符合CISPR 22 Class A限值(以及
FCC Class A限值,如图19所示)。像标准板一样,低噪声板
使用四层堆叠,第一层到第四层分别是信号层、接地层、
电源层和信号层。接地层和电源层相隔0.1 mm,因而在第
拼接电容可通过下式计算:
A
C  εr ε 0
d
其中:
εr = 4.5(依据表2)。
二层与第三层之间创建一个内层电容,它有助于旁路用来
ε0为自由空间的介电常数8.85 × 10−12 F/m−1。
驱动内部变压器的1 ns宽脉冲。GND1与GND2之间相隔大
A为拼接电容的交叠面积。
约8 mm,这些接地层形成一个有效的偶极子。该偶极子由
d为接地层与电源层的间距。
高频变压器脉冲在接地层上产生的电源噪声驱动,可以引
起RF辐射。
已经证明,低噪声评估板布局符合CISPR 22 Class B限值(以
及FCC Class B限值,如图19所示)。为了降低辐射,低噪声
评估板布局既能屏蔽辐射,又能在隔离接地层两端提供一
个小的高频旁路电容。请记住,此拼接电容位于PCB里
层,避免涉及到板表面的电气间隙和爬电距离问题。低噪
声评估板使用与标准评估板相似的四层堆叠,但改变了接
当间距为0.1 × 10−3 m、面积为8 mm × 100 mm (0.0008 m−2)
时,拼接电容约为300 pF。至少150 pF的跨隔离栅电容能够
有效地降低辐射(参见图14)。
隔离电压的限制因素是第二层与第三层3之间的0.1 mm FR4
V隔离,足以满足多数应用的
电介质间隔,它提供4000
要求。如果需要更高的隔离电压,可以加厚第二层与第三
层之间的电介质,提高隔离效果,直接减小电介质电容。
地 层 和 电 源 层 的 间 距 和 位 置 。 如 图 27所 示 , GND层 2
接下来计算评估板原边上的内层电容。应用PCB原边上的
(GND1层)延伸以覆盖ADuM140x下方的间隙。在层2中,
接地层和电源层彼此非常靠近,因而形成该电容。本例
GND1到GND2有0.4 mm的间隙(FR4材料)。依据表2,该间
中,56 cm2的接地层与电源层构成一个2.2 nF的低电感电
隙的介电强度为40 kV/mm (1000 V/mil),提供16 kV以上的
容。为利用这一旁路,器件焊盘与电源层之间的过孔连接
隔离。与接地层相似,图28显示VDD2层延伸到ADuM140x
必须尽可能大,使得器件与内层电容之间的寄生电感最
以下,VDD1与VDD2之间有0.4mm的间隙(FR4材料)。
小。
C INTERPLANE 
C INTERPLANE 
ε 0 × εr
A PRIMARY ( )
d
−3
5.6 × 10 m 2 (8.854 × 10 −12 F/m × 4.5)
0.1 × 10 − 3 m
CINTERPLANE = 2.2 nF
图30给出了一个低噪声PCB原理示意图。
Rev. 0 | Page 15 of 20
图26. 四层低噪声PCB布局的第一层(顶层)
09713-028
09713-026
AN-1109
图27. 四层低噪声PCB布局的第二层(GND层)
09713-029
09713-027
图28. 四层低噪声PCB布局的第三层(VDD 层)
图29. 四层低噪声PCB布局的第四层(底层)
Rev. 0 | Page 16 of 20
AN-1109
VDD1
2 3
POWER SUPPLY BYPASSING
4 5
C1
10µF
GND1
C4
0.1µF
C3
0.01µF
GND1
INPUT
2 3
+
R3
100Ω
4 5
R4
100Ω
VDD1
GND1
VDD2
POWER SUPPLY BYPASSING
C5
0.01µF
ADuM1402
1
16
2
15
CH_1A
3
14
CH_2A
CH_1B
4
13
CH_2B
CH_1C
5
12
CH_2C
CH_1D
6
11
CH_2D
EN1
7
10
EN2
8
9
+ C2
C6
0.1µF
2 3
10µF
4 5
GND2
GND2
VDD2
GND1
09713-030
GND1
GND2
图30. 低噪声PCB原理示意图
间隙PCB示例
图32显示了第一侧和第二侧的位置,器件可以放在交叠区
如“间隙板布局结果”部分所述,当应用的PCB认证标准要
域中。建议不要将过孔放在交叠区域中,过孔周围需有空
求PCB一层内的各平面之间存在较宽的间隔时,可能需要
隙。
较宽的间隙布局。解决办法是利用内部接地和电源层中的
较宽阻挡区域来创建拼接电容。建议的布局使用150 pF交
叠电容,VDD层3中的间隙可以为4 mm;为使板面积最小,
该布局使用推荐的0.15 mm厚FR4电介质,由此可获得合理
大小的交叠板面积,并为其它器件留下空间。交叠电容和
对于过孔放在交叠区域中的PCB布局,过孔周围需有阻挡
区域。图33给出了过孔在交叠区域中的空隙示例,其中C
表示空隙间距(同间隙距离),r表示过孔和空隙总面积的半
径。
所需的电路板面积可通过计算得出。150 pF交叠电容所需
面积的限制因素是第二层与第三层之间的FR4电介质间
4mm
距。电介质电容可通过下式计算:
其中:
A
d
εr = 4.5(FR4的介电常数)。
5mm
d为接地层与电源层的间距。
对于150 pF的交叠电容,面积为:
150 pF
ε r ε0
W
4mm
ε0为自由空间的介电常数8.854 × 10−12 F/m−1。
A
4mm
4mm
d  3.75 ×10 3 × d
其中,d为电介质厚度(单位mm)。
图31中,电介质厚度为0.15 mm,计算可得面积A = 560 mm2。
垂直板尺寸因两个4 mm阻挡区域和连接都ADuM1xxx的区
. .. . .. . .. .
.......
.......
.......
.......
.......
.......
.......
.......
.......
.......
.......
.......
.......
4mm
W
PC BOARD OVERLAP LAYOUT WITH VDD TO GND
DIELECTRIC d = 0.15mm
域而缩短,剩下的区域分为两个区域,宽度为W,如图31
所示。
4mm
GND LAYER2
4mm
GND LAYER3
..
..
.
.
.
.
. ..
..
OVERLAP AREA A = 2 × L × W
09713-031
C  εr ε 0
. .. . .. . .. .
.......
.......
.......
.......
.......
.......
.......
.......
. . . L. . . .
.......
.......
.......
.......
图31. ADuM1xxx的布局,VDD 至GND的电介质厚度为0.15 mm
Rev. 0 | Page 17 of 20
AN-1109
OVERLAP AREA:
SIDE 2 COMPONENTS
TRACKS + GND2
TRACKS + GND1
LAYER 1: CU
FR4 0.55mm
GND1
GND2
VDD1
LAYER 2: CU
FR4 0.15mm
LAYER 3: CU
VDD2
FR4 0.55mm
LAYER 4: CU
TRACKS + GND2
09713-032
TRACKS + GND1
OVERLAP AREA:
SIDE 1 COMPONENTS
图32. 建议的ADuM1xxx PCB布局截面:第一侧和第二侧器件位于交叠区域上,VDD 至GND电介质厚度为0.15 mm
C
C
C
C
FOUR 1mm VIAS OF
DIFFERENT SIGNALS
C
C
d1 = 0.5mm + 2°C
r1 = d1/2
d2 = 0.5mm + 2°C
r2 = d2/2
d3 = 0.5mm + 2°C
r3 = d3/2
TOTAL VIA AND CLEARANCE
AREA = 3.14 × r1 2 (mm2)
TOTAL VIA AND CLEARANCE
AREA = 3.14 × r2 2 (mm2)
TOTAL VIA AND CLEARANCE
AREA = 3.14 × r3 2 (mm2)
0.5mm HOLE
1.5mm TWO HOLES
2.6mm FOUR HOLES
图33. 交叠区域中的过孔周围需有空隙
Rev. 0 | Page 18 of 20
09713-033
TWO 0.5mm HOLES IN
VIAS OF SAME SIGNAL
ONE 0.5mm DIAMETER
HOLE IN ONE VIA
AN-1109
参考资料
Archambeault, Bruce R. and James Drewniak. 2002. PCB Design
for Real-World EMI Control. Boston: Kluwer Academic
Publishers.
Gisin, Franz and Zorica Pantic-Tanner. 2001. “Minimizing EMI
Caused by Radially Propagating Waves Inside High Speed
Digital Logic PCBs.” Telecommunications in Modern Satellite,
Cable and Broadcasting Service. Nis, Yugoslavia.
Rev. 0 | Page 19 of 20
AN-1109
注释
©2011 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and
registered trademarks are the property of their respective owners.
AN09713sc-0-8/11(0)
Rev. 0 | Page 20 of 20
Similar pages