阻止 EMI 在 EV 設(shè)計(jì)中傳播

長期以來，電磁兼容性 (EMC) 一直是設(shè)計(jì)工程師的禍根，它仍然是電動(dòng)汽車 (EV) 和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和 (HEV) 系統(tǒng)的主要關(guān)注點(diǎn)。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī) (ICE) 車輛本質(zhì)上主要是機(jī)械式的，電子設(shè)備用螺栓固定在機(jī)械動(dòng)力裝置上。然而，電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車有很大不同。

使用高壓電池、電機(jī)和充電器將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)。這些高壓汽車系統(tǒng)很容易引起 EMC 問題。幸運(yùn)的是，有幾種經(jīng)過驗(yàn)證的真正技術(shù)可用于降低隔離系統(tǒng)中的 EMC，其中許多技術(shù)無需額外成本。

EMI 的語言

在解決 EMI 改進(jìn)問題之前，必須了解標(biāo)準(zhǔn)和測試中使用的基本術(shù)語。EMC 指的是設(shè)備的抗擾度和輻射，而電磁干擾 (EMI) 僅關(guān)注設(shè)備的輻射。CISPR 25 是車輛最常用的 EMC 標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了 EMI 和抗擾度要求。

抗擾性是設(shè)備在存在干擾的情況下正確運(yùn)行的能力。降低設(shè)備的 EMI 通常會(huì)提高其對外部干擾的免疫力，因此許多設(shè)計(jì)人員主要關(guān)注降低 EMI 并讓免疫力自行解決。

在 CISPR 25 中，EMI 分為傳導(dǎo)和輻射發(fā)射限值。兩者之間的區(qū)別相當(dāng)直觀。傳導(dǎo) EMI 通過電源、信號(hào)或其他連接的電纜從一個(gè)設(shè)備傳播到另一個(gè)設(shè)備。另一方面，輻射 EMI 會(huì)穿過電磁場干擾另一臺(tái)設(shè)備。CISPR 25 的 EMI 標(biāo)準(zhǔn)確保在特定測試條件下傳導(dǎo)和輻射發(fā)射低于指定閾值，以減少車輛系統(tǒng)相互干擾的機(jī)會(huì)。

共模是共同的敵人

任何 EMI 討論的核心都是差模和共模電流。由于共模電流通常會(huì)導(dǎo)致 EMI，因此絕大多數(shù)電路使用差模電流運(yùn)行。平衡差分信號(hào)，其中包括用于返回電流的專用導(dǎo)體。不幸的是，返回電流通常會(huì)找到一條替代的、更長的路徑返回源頭并產(chǎn)生共模電流。

共模電流在導(dǎo)致輻射發(fā)射的兩個(gè)導(dǎo)體中產(chǎn)生不平衡。幸運(yùn)的是，通過一些設(shè)計(jì)改進(jìn)可以減少許多共模電流。然而，在探索這些方法之前，還存在與高壓車輛系統(tǒng)相關(guān)的額外隔離挑戰(zhàn)。

隔離有助于和傷害 EMI

隔離，尤其是數(shù)字隔離，是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車革命的基礎(chǔ)技術(shù)之一。隔離器件允許跨越分隔高壓和低壓域的高阻抗屏障進(jìn)行安全通信和信號(hào)傳輸。這些電源域的分離在兩個(gè)電路之間創(chuàng)建了一條高阻抗路徑。

這種高阻抗路徑對僅在一側(cè)存在的電壓的大變化引起的共模電流產(chǎn)生了問題。這些感應(yīng)電流必須找到返回其源頭的路徑，并且由于隔離柵，它們所走的路徑通常很長、定義不明確且具有高阻抗。這些路徑的大環(huán)路面積會(huì)導(dǎo)致輻射發(fā)射增加。值得慶幸的是，通過使用傳統(tǒng)的 EMI 最佳實(shí)踐并針對數(shù)字隔離器進(jìn)行一些修改，可以減少此問題和其他 EMI 問題。

降低 EMI 的三種簡單方法

方法 1：選擇最小化傳輸?shù)母綦x器

數(shù)字隔離器利用 CMOS 技術(shù)創(chuàng)建隔離屏障并在其間傳輸信號(hào)。使用高頻射頻信號(hào)通過這些屏障傳輸信號(hào)。在許多數(shù)字隔離器中，默認(rèn)輸出配置決定了射頻發(fā)射器何時(shí)激活。如果隔離器發(fā)送的信號(hào)通常為高電平或低電平，只需選擇匹配的默認(rèn)輸出狀態(tài)即可最大限度地減少傳輸，從而降低 EMI 和功耗。說明了 SPI 總線配置的默認(rèn)低電平和默認(rèn)高電平隔離器之間的區(qū)別。選擇合適的數(shù)字隔離器后，隔離設(shè)備周圍的組件現(xiàn)在可以針對 EMI 進(jìn)行優(yōu)化。

方法二：選擇正確的旁路電容

幾乎每個(gè)數(shù)字隔離器都指定在電源引腳上使用旁路電容器，這些對系統(tǒng)的 EMI 性能有巨大影響。旁路電容器通過在瞬態(tài)負(fù)載期間向器件提供額外電流來幫助減少電源軌上的噪聲尖峰。此外，旁路電容器將交流噪聲短接到地，并防止其進(jìn)入數(shù)字隔離器。

理想情況下，電容器的阻抗隨頻率降低。然而，在現(xiàn)實(shí)世界中，由于有效串聯(lián)電感 (ESL)，電容器的阻抗在自諧振頻率處開始增加。降低電容器的 ESL 會(huì)提高自諧振頻率和電容器阻抗開始增加的頻率。

一般來說，較小尺寸的電容器，例如 0402，將具有較低的 ESL，因?yàn)?ESL 取決于兩個(gè)電容器端之間的距離。反向幾何電容器提供更低的 ESL。然而，即使 ESL 盡可能低，旁路電容器的放置也起著至關(guān)重要的作用。

方法 3：優(yōu)化旁路電容布局

正確放置旁路電容與選擇低 ESL 的電容同樣重要，因?yàn)?PCB 上的走線和過孔會(huì)引入串聯(lián)電感。走線的串聯(lián)電感隨著長度的增加而增加，因此適合短而寬的走線。此外，數(shù)字隔離器接地引腳的返回路徑長度增加了額外的串聯(lián)電感。

簡單地將電容器旋轉(zhuǎn)到靠近電源和接地引腳的位置通常會(huì)縮短返回路徑長度。說明了旁路電容器的理想和非理想位置。使用這些技術(shù)來選擇低 ESL 電容器并優(yōu)化 PCB 設(shè)計(jì)將最大限度地降低旁路電容器的 EMI。

這些基本的 EMI 降低原理和技術(shù)為設(shè)計(jì)能夠滿足 CISPR 25 及更高標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求的汽車系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。隨著越來越多的車輛系統(tǒng)添加了復(fù)雜的電子設(shè)備以及電動(dòng)汽車變得更加先進(jìn)，EMI 將繼續(xù)成為主要問題。

隨著 EV 系統(tǒng)采用更高的電壓來提高效率，對隔離的需求也將繼續(xù)增加。通過預(yù)先考慮 EMI 并應(yīng)用最佳實(shí)踐，高壓隔離式汽車系統(tǒng)將準(zhǔn)備好滿足當(dāng)今和未來的 EMI 要求。