阻止 EMI 在 EV 設(shè)計(jì)中傳播

電磁兼容性 (EMC) 長(zhǎng)期以來(lái)一直是設(shè)計(jì)工程師的禍根，仍然是電動(dòng)汽車(chē) (EV) 和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)和 (HEV) 系統(tǒng)的主要關(guān)注點(diǎn)。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī) (ICE) 車(chē)輛本質(zhì)上主要是機(jī)械的，電子設(shè)備通過(guò)螺栓固定在機(jī)械動(dòng)力裝置上。然而，電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)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(dòng)。這些高壓汽車(chē)系統(tǒng)很容易引起 EMC 問(wèn)題。幸運(yùn)的是，有幾種經(jīng)過(guò)驗(yàn)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(wú)需額外成本。

EMI的語(yǔ)言

在解決 EMI 改進(jìn)問(wèn)題之前，必須了解標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試中使用的基本術(shù)語(yǔ)。 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(chē)輛最常見(jiàn)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?duì)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，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(guò)電源、信號(hào)或其他連接電纜從一個(gè)設(shè)備傳播到另一設(shè)備。另一方面，輻射 EMI 會(huì)穿過(guò)電磁場(chǎng)干擾其他設(shè)備。 CISPR 25 的 EMI 標(biāo)準(zhǔn)可確保在特定測(cè)試條件下傳導(dǎo)和輻射發(fā)射低于指定閾值，以減少車(chē)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)引起 EMI，因此絕大多數(shù)電路都使用差模電流來(lái)工作。平衡差分信號(hào)，其中包括用于返回電流的專(zhuān)用導(dǎo)體。不幸的是，返回電流通常會(huì)找到一條更長(zhǎng)的替代路徑返回源并產(chǎn)生共模電流。

共模電流會(huì)在兩個(gè)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(guò)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(chē)輛系統(tǒng)相關(guān)的額外隔離挑戰(zhàn)。

隔離對(duì) EMI 有幫助，也有壞處

隔離，尤其是數(shù)字隔離，是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)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(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。

這種高阻抗路徑會(huì)產(chǎn)生僅一側(cè)存在的電壓大幅變化引起的共模電流問(wèn)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(zhǎng)、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(guò)使用傳統(tǒng)的 EMI 最佳實(shí)踐并針對(duì)數(shù)字隔離器進(jìn)行一些修改，可以減少此問(wèn)題和其他 EMI 問(wèn)題。

降低 EMI 的三種簡(jiǎn)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(guò)它們傳輸信號(hào)。使用高頻射頻信號(hào)跨越這些障礙物傳輸信號(hào)。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(shí)激活。如果隔離器發(fā)送的信號(hào)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?chē)慕M件現(xiàn)在可以針對(duì) EMI 進(jìn)行優(yōu)化。

方法 2：選擇正確的旁路電容

事實(shí)上，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(duì)系統(tǒng)的 EMI 性能產(chǎn)生巨大影響。旁路電容器通過(guò)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(huì)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(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(kāi)始增加。降低電容器的ESL會(huì)提高自諧振頻率以及電容器阻抗開(kāi)始增加的頻率。

一般來(lái)說(shuō)，尺寸較小的電容器(例如 0402)的 ESL 較低，因?yàn)?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?yàn)?PCB 上的走線和過(guò)孔會(huì)引入串聯(lián)電感。走線的串聯(lián)電感隨著長(zhǎng)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(zhǎng)度會(huì)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(huì)縮短返回路徑長(zhǎng)度。旁路電容器的理想和非理想放置。使用這些技術(shù)來(lái)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)滿足 CISPR 25 及更高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格要求的汽車(chē)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。隨著越來(lái)越多的車(chē)輛系統(tǒng)添加復(fù)雜的電子設(shè)備以及電動(dòng)汽車(chē)變得更加先進(jìn)，EMI 將繼續(xù)成為主要問(wèn)題。

隨著電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)采用更高的電壓來(lái)提高效率，對(duì)隔離的需求也將繼續(xù)增加。通過(guò)預(yù)先考慮 EMI 并應(yīng)用最佳實(shí)踐，高壓隔離汽車(chē)系統(tǒng)將能夠滿足當(dāng)今和未來(lái)的 EMI 要求。