隔离系统设计的隐藏成本 - Analog Devices...典型的隔离设计权衡...
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隔离系统设计的隐藏成本 1
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隔离系统设计的隐藏成本
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议题
►简介
►推动隔离系统设计要求变化的市场趋势
►最新的隔离趋势
►隐藏成本——新趋势对项目风险和上市时间有何影响
►可用的解决方案及其缺点
►一种新的隔离式电源解决方案
►结论
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对隔离的需求
► 许多应用都需要实施电气隔离§ 安全性——由标准管控§ 防止用户触电§ 防止设备受到电击
§ 性能——无标准合规性§ 消除接地环路§ 提供容错能力§ 隔离噪声
► 电路必须跨越隔离栅通信和/或供电§ 保持隔离 § 无电流（或电流极小）
§ 高性能§ 电压额定值、功耗、时序、稳定性
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► 工业和消费电子领域很多地方存在危险电压
► 必须采取措施保护人员和设备，以免受到长期电位差和暂时过压条件（故障）损害
► 地方和国际法规要求必须保障安全
市场趋势
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► 更小更轻的电气系统► 更高的电压——例如，400 VDC电池组 ► 检测和连接——更多传感器和节点► 提高性能和产品兼容性
汽车电气化 行业/工业4.0
技术融合 消费电子物联网
隔离趋势：EMC（辐射发射规范的融合）
► 技术的融合迫使电磁兼容性(EMC)标准发生变化
► 标准不断变化为组合各种设备类型——各种要求的超集更难以满足
► 示例：CISPR32将CISPR22（信息技术）和CISPR11（工业、科学和医疗设备）要求结合在一起
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工业信息技术
融合
► 示例：IEC 60601-1-2第4版（医疗电子）考虑了传统受控医疗环境之外的威胁§ EMS、家庭、飞机§ 电磁兼容被认为是类似于温度、湿度和压力的“正
常”事件§ 要求变得更加难以满足
隔离趋势：EMC（辐射发射规范的融合）
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EN55011：第1组-A类
EN55022：A类
EN55032：A类
频率(MHz)
辐射
发射
(dBµ
V/m
)
技术的融合迫使电磁兼容性(EMC)标准发生变化。标准不断变化为组合各种设备类型——各种要求的超集更难以满足。
隐藏成本# 1：安全认证
多个系统级和组件级安全认证增加了额外的复杂性，即使使用已知的或以前经过认证的系统和电路也是如此► 不同的地域性要求► 不同的机构参与其中，有时对标准有不同的解释
► 标准机构针对系统或元件制定主要标准§ IEC—国际电气委员会—全球§ UL—美国保险商实验室—北美§ VDE—欧洲§ 对于电气安全性，各种规则似乎都与IEC一致
► 地区性标准机构 § 解读全球标准以应用到本地区域§ 本地线路电压要求§ 特定基础设施的修改（电能质量）§ 环境差异（中国的海拔高度、巴西的湿度） § 政治压力
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隐藏成本# 2：密度增加
迫使在性能和功能上进行权衡，可能会由于解决方案的可用性有限而影响计划
► 工厂自动化密度增加
► 电子器件的体积必须缩小§ 集成度更高§ 封装更小§ 印刷电路板更小，密度更高
► 仪器仪表领域存在类似趋势§ 功能更多§ 封装/外壳更小
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隐藏成本# 3：减少辐射发射
EMI抑制技术增加了组件的数量，扩展了设计，并且可能需要多次电路板制作来满足目标要求
► 传统的EMC抑制技术§ 铁氧体§ 电容（去耦和跨越隔离栅）§ 磁珠§ 金属屏蔽体/外壳
► 尺寸更小、密度更高的印刷电路板§ 供抑制技术使用的空间更小
► 抑制技术通常是通过试错来实现的§ 测试周期长，成本高昂
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隐藏成本# 4：隔离的复杂性
可能需要专业知识，会增加项目耗费的成本和时间
► 跨越隔离栅传输电源和数据
► 使用多个电源
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期盼全新的解决方案：管理项目成本和风险
典型的隔离设计权衡
► 保持小应用尺寸
► 满足EMC目标
► 减少电路板制作次数，满足截止期限 …
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需要一种能够帮助加快上市时间、减少评估时间、降低风险和降低项目成本的解决方案
► 更多集成组件
► 预测试和预认证功能 ► 在项目早期实施EMC抑制技术
► 简化设计
资料来源：电磁兼容工程，第一版，作者：Henry W. Ott
传统隔离电源解决方案：分立式方案
► 隔离反激式转换器是满足隔离电源需求的常用方法
► 它们有一些好处，包括较低的物料清单成本，但也有缺点
► 误差放大器需要开发补偿网络的设计工程以稳定电压回路§ 受到光耦合器性能变化的影响§ 电流传输比的差异限制了性能和工作温度范围
► 从成本的角度来看，这种方法似乎更好，但需要权衡工程工作量和技术风险
► 这也给EMC性能和获得安全认证的能力带来了风险
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一个新的解决方案
► 简化EMC认证§ 采用2层印刷电路板，全负载条件下低于EN 55022/CISPR 22 B类
辐射限制要求
► 最小封装尺寸§ 8引脚SOIC_IC封装，最小爬电距离8.3 mm，隔离输出功率300
mW
► 500 mW集成隔离输出功率§ ADuM5020 16引脚SOIC_W封装，爬电距离7.8 mm§ ADuM6020 16引脚SOIC_IC封装，爬电距离8.3 mm
► 安全认证
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ADuM5020/ADuM5028和ADuM6020/ADuM6028基于ADI在数字隔离
电源解决方案方面的领先专业技术
集成低辐射isoPower®的隔离式DC-DC转换器
优点：简单、小尺寸的2层PCB
14节省超过70%的PCB面积
利用isoPower®测量辐射发射
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ADuM5020
16引脚SOIC_W最大负载100 mA
CISPR 22/EN 55022 B类测试爱尔兰CEI的10 m暗室
ADuM5028
8引脚SOIC_IC最大负载60 mA
简化的两层PC板布局
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ADuM5020和ADuM5028评估板具有2层PCB，VISO和GNDISO引脚使用铁氧体，满足CISPR 22 B类标准要求，无需拼接电容
ADuM5020 16引脚SOIC的11 GNDISO引脚和12 VISO引脚的放大示例
铁氧体E2、E3和旁路电容C4、C6
铁氧体E2、E3
Murata BLM15HD182SN1
在100 MHz至1000 MHz条件下，阻抗为1800阻抗为1800 Ω
引脚12引脚11
ADuM5028：满足CISPR 22 B类标准要求
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ADuM5028负载为50 mA
频率(MHz) 角度(°) 高度(m) 准峰值测量(dBμV/m)
B类限值(dBμV/m)
B类规格的准峰值裕量(dB)
308.9 180 3.5 25.3 37 -11.7396.956 0 2 27.7 37 -9.3428.668 0 2 27 37 -10920.04 0 1 30.7 37 -6.3
30 MHz至1000 MHz的结果
使用2层PCB：准峰值满足CISPR 22 B类标准要求，920 MHz时的裕量为–6.3 dBμV
ADuM5020：满足CISPR 22 B类标准要求
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ADuM5020负载为50 mA
30 MHz至1000 MHz的结果
使用2层PCB：准峰值满足CISPR 22 B类标准要求，935 Mhz时的裕量为-6.9 dBμV
频率(MHz) 角度(°) 高度(m) 准峰值测量(dBμ V/m)
B类限值(dBμ V/m)
B类规格的准峰值裕量(dB)
310.2 180 3 24.1 37 -12.9426.256 0 3 26.7 37 -10.3359.004 180 1 23.7 37 -13.3935.76 0 1 30.1 37 -6.9
ADuM5020：负载为100 mA，满足CISPR 22 B类标准
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ADuM5020负载为100 mA
30 MHz至1000 MHz的结果
100 mA时使用2层PCB：准峰值满足CISPR 22 B类标准要求，915 Mhz时的裕量为-5.1 dBμV
频率(MHz) 角度(°) 高度(m) 准峰值测量(dBμ V/m)
B类限值(dBμ V/m)
B类规格的准峰值裕量(dB)
305.656 180 3 28.3 37 -8.7336.892 180 2.5 27.3 37 -9.7396.532 180 2 28.5 37 -8.5426.456 180 2 25.3 37 -11.7915.264 0 1 31.9 37 -5.1
安全、低噪声隔离设计
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电池监控和逆变器
精密测量
紧凑、高密度、高电压的新兴应用
► 法规认证满足CISPR 22 B类标准要求
► 降低复杂性无需旁路电容
► 降低材料成本在2层PCB上高达30%
► 更小应用尺寸最多节省70% PCB空间
► 加速产品上市缩短PCB设计和测试时间
生命体征监测
可编程逻辑控制器(PLC)
结论
► 汽车电气化和工业4.0等市场趋势正在增加许多应用中包含的电气组件数量§ 这种趋势急速推高了对高性能、高密度隔离电路的需求
► 技术趋势导致隔离系统设计的难度和风险大大提高
► 随着设备类型的融合，EMC规范变得越来越难以满足
► 全球系统级和组件级安全认证要求进一步增加了复杂性和风险
► 完全集成的、经过安全认证并且EMC性能经过备案的隔离式DC-DC转换器，为系统设计人员提供了更好的解决方案
► 它们可以显著降低设计复杂性并确保更好的EMC测试效果和合规性
► 由于在重新设计、重新表征和重新测试方面耗费的时间更少，设计人员可以更加专注于如何减小电路板空间、减少风险、降低成本并缩短产品上市时间
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谢谢观看！
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