電磁兼容性 (EMC) 長期以來一直是設(shè)計工程師的禍根，仍然是電動汽車 (EV) 和混合動力電動汽車和 (HEV) 系統(tǒng)的主要關(guān)注點。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī) (ICE) 車輛本質(zhì)上主要是機(jī)械的，電子設(shè)備通過螺栓固定在機(jī)械動力裝置上。然而，電動汽車和混合動力汽車有很大不同。
使用高壓電池、電機(jī)和充電器將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動。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)過驗證的可靠技術(shù)可以降低隔離系統(tǒng)中的 EMC，而且許多技術(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 是車輛最常見的 EMC 標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了 EMI 和抗擾度要求。
抗擾度是指設(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?？梢蕴岣咂鋵ν獠扛蓴_的免疫力，因此許多設(shè)計人員主要關(guān)注降低 EMI，讓免疫力自然發(fā)揮作用。
在 CISPR 25 中，EMI 分為傳導(dǎo)發(fā)射限值和輻射發(fā)射限值。兩者之間的差異是相當(dāng)直觀的。傳導(dǎo) EMI 通過電源、信號或其他連接電纜從一個設(shè)備傳播到另一設(shè)備。另一方面，輻射 EMI 會穿過電磁場干擾其他設(shè)備。 CISPR 25 的 EMI 標(biāo)準(zhǔn)可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。
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引起 EMI，因此絕大多數(shù)電路都使用差模電流來工作。平衡差分信號，其中包括用于返回電流的專用導(dǎo)體。不幸的是，返回電流通常會找到一條更長的替代路徑返回源并產(chǎn)生共模電流。
共模電流會在兩個導(dǎo)體中產(chǎn)生不平衡，從而導(dǎo)致輻射發(fā)射。幸運(yùn)的是，通過一些設(shè)計改進(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)。
隔離對 EMI 有幫助，也有壞處
隔離，尤其是數(shù)字隔離，是實現(xiàn)電動汽車革命的基本技術(shù)之一。隔離設(shè)備允許跨越分隔高壓域和低壓域的高阻抗屏障進(jìn)行安全通信和信號傳輸。這些電源域的分離在兩個電路之間創(chuàng)建了一條高阻抗路徑。
這種高阻抗路徑會產(chǎn)生僅一側(cè)存在的電壓大幅變化引起的共模電流問題。這些感應(yīng)電流必須找到一條返回源頭的路徑，并且由于隔離柵的存在，它們所采用的路徑通常很長、定義不明確且阻抗較高。這些路徑的環(huán)路面積較大，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：選擇可最大限度減少傳輸?shù)母綦x器
數(shù)字隔離器利用 CMOS 技術(shù)創(chuàng)建隔離屏障并通過它們傳輸信號。使用高頻射頻信號跨越這些障礙物傳輸信號。在許多數(shù)字隔離器中，默認(rèn)輸出配置決定射頻發(fā)射器何時激活。如果隔離器發(fā)送的信號通常為高或低，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。
SPI 總線配置的默認(rèn)低隔離器和默認(rèn)高隔離器之間的差異。選擇正確的數(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 2：選擇正確的旁路電容
事實上，每個數(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 性能產(chǎn)生巨大影響。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，幫助減少電源軌上的噪聲尖峰。此外，旁路電容器會將交流噪聲接地短路，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而降低。然而，在現(xiàn)實世界中，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會提高自諧振頻率以及電容器阻抗開始增加的頻率。
一般來說，尺寸較小的電容器(例如 0402)的 ESL 較低，因為 ESL 取決于電容器兩端之間的距離。反向幾何電容器可提供更低的 ESL。然而，即使 ESL 盡可能最低，旁路電容器的放置也起著至關(guān)重要的作用。
方法 3：優(yōu)化旁路電容器放置
正確放置旁路電容器與選擇低 ESL 的旁路電容器同樣重要，因為 PCB 上的走線和過孔會引入串聯(lián)電感。走線的串聯(lián)電感隨著長度的增加而增加，因此短而寬的走線是理想的選擇。此外，數(shù)字隔離器接地引腳的返回路徑的長度會增加額外的串聯(lián)電感。
只需將電容器旋轉(zhuǎn)到靠近電源和接地引腳通常會縮短返回路徑長度。旁路電容器的理想和非理想放置。使用這些技術(shù)來選擇低 ESL 電容器并優(yōu)化 PCB 設(shè)計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)計滿足 CISPR 25 及更高標(biāo)準(zhǔn)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)添加復(fù)雜的電子設(shè)備以及電動汽車變得更加先進(jìn)，EMI 將繼續(xù)成為主要問題。
隨著電動汽車系統(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)用最佳實踐，高壓隔離汽車系統(tǒng)將能夠滿足當(dāng)今和未來的 EMI 要求。
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