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如何在電動(dòng)汽車(chē)設計最小化EMI?

發(fā)布時(shí)間:2021-01-13 來(lái)源:Charlie Ice,Silicon Labs的高級產(chǎn)品經(jīng)理 責任編輯:lina

【導讀】長(cháng)期以來(lái),電磁兼容(EMC)一直是電動(dòng)汽車(chē)(EV)以及混合電動(dòng)汽車(chē)和(HEV)系統關(guān)注的主要問(wèn)題。傳統的內燃機(ICE)車(chē)輛本質(zhì)上是機械的,而電子設備屬于機械動(dòng)力裝置的配套。但是,EV和HEV卻大不相同。
 
長(cháng)期以來(lái),電磁兼容(EMC)一直是電動(dòng)汽車(chē)(EV)以及混合電動(dòng)汽車(chē)和(HEV)系統關(guān)注的主要問(wèn)題。傳統的內燃機(ICE)車(chē)輛本質(zhì)上是機械的,而電子設備屬于機械動(dòng)力裝置的配套。但是,EV和HEV卻大不相同。
 
使用高壓電池,電動(dòng)機和充電器將電能轉換為機械運動(dòng)。這些高壓汽車(chē)系統很容易引起EMC問(wèn)題。幸運的是,有多種減少隔離系統中的EMC的可靠技術(shù)。
 
EMI的基礎
 
在著(zhù)手改善EMI之前,必須了解標準和測試中使用的基本術(shù)語(yǔ)。 EMC指的是設備的抗擾性和發(fā)射特征,而電磁干擾(EMI)僅關(guān)注設備的發(fā)射數值。CISPR 25是用于車(chē)輛的最常見(jiàn)的EMC標準,同時(shí)規定了EMI和抗擾性要求。
 
抗干擾能力是設備在存在干擾的情況下正確運行的能力。降低設備的EMI通??梢蕴岣咂鋵ν饨绲母蓴_,因此許多設計人員主要致力于降低EMI并讓抗擾性得到優(yōu)化。
 
在CISPR 25中,EMI分為傳導和輻射發(fā)射限值。兩者之間的區別非常直觀(guān)。EMI通過(guò)電源,信號線(xiàn)或其他線(xiàn)纜從一個(gè)設備傳導到另一個(gè)設備。另一方面,輻射EMI穿過(guò)電磁場(chǎng)傳播,從而干擾另一個(gè)設備。CISPR 25的EMI標準可確保在特定的測試條件下傳導和輻射的發(fā)射低于指定的閾值,以減少車(chē)輛系統彼此干擾的機會(huì )。
 
共模是最大麻煩
 
任何EMI討論的中心都是差模電流和共模電流。由于共模電流通常會(huì )引起EMI,因此絕大多數電路都使用差模電流工作。圖1說(shuō)明了平衡差分信號,其中包括用于返回電流的專(zhuān)用導體。不幸的是,返回電流通常會(huì )找到一條替代的,更長(cháng)的返回源的路徑,并產(chǎn)生一個(gè)共模電流。
 
如何在電動(dòng)汽車(chē)設計最小化EMI?
圖1平衡差模電流返回電流的路徑。資料來(lái)源:Silicon Labs

 
共模電流在兩個(gè)路徑中造成不平衡,從而導致發(fā)射輻射,如圖2所示。幸運的是,可以通過(guò)一些設計改進(jìn)來(lái)減少共模電流。然而,在探索這些方法之前,高壓車(chē)輛系統還存在其他隔離挑戰。
 
如何在電動(dòng)汽車(chē)設計最小化EMI?
圖2平衡差分信號系統中顯示的共模電流。資料來(lái)源:Silicon Labs
 
隔離有助于減輕EMI
 
隔離,尤其是數字隔離,是推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)革命的基本技術(shù)之一。隔離設備允許跨越分隔高電壓域和低電壓域的高阻抗勢壘進(jìn)行安全通信和信號發(fā)射。這些電源域的分離在兩個(gè)電路之間創(chuàng )建了高阻抗路徑,如圖3所示。
 
如何在電動(dòng)汽車(chē)設計最小化EMI?
圖3隔離在系統中的兩個(gè)接地之間產(chǎn)生了很高的阻抗,有效地消除了彼此之間的電氣連接。資料來(lái)源:Silicon Labs
 
這種高阻抗路徑會(huì )給共模電流帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題,該共模電流是由僅在一側的電壓變化引起的。這些感應電流必須找到返回其源極的路徑,并且由于存在隔離柵,它們所選擇的路徑通常較長(cháng),無(wú)法準確定義且具有高阻抗。這些路徑的較大環(huán)路面積導致輻射發(fā)射增加。值得慶幸的是,可以通過(guò)使用傳統的EMI實(shí)踐并針對數字隔離器進(jìn)行一些修改來(lái)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:選擇傳輸最小化的隔離器
 
數字隔離器利用CMOS技術(shù)創(chuàng )建隔離屏障并在隔離屏障上傳輸信號。使用高頻RF信號跨越這些屏障傳輸信號,在許多數字隔離器中,默認輸出配置確定何時(shí)激活RF發(fā)射機。如果隔離器發(fā)送的信號通常為高電平或低電平,則只需選擇匹配的默認輸出狀態(tài)將使傳輸最小化,從而降低EMI和功耗。
 
如何在電動(dòng)汽車(chē)設計最小化EMI?
圖4對于所示的總線(xiàn)傳輸,默認的高數字隔離器具有較少的內部RF傳輸。資料來(lái)源:Silicon Labs
 
圖4說(shuō)明了通過(guò)SPI總線(xiàn)配置,默認的低隔離器和默認的高隔離器之間的區別。選擇適當的數字隔離器后,隔離設備周?chē)慕M件現在可以針對EMI進(jìn)行優(yōu)化。
 
方法2:選擇正確的旁路電容
 
幾乎每個(gè)數字隔離器都規定在電源引腳上使用旁路電容器,這會(huì )對系統的EMI性能產(chǎn)生巨大影響。旁路電容器通過(guò)在瞬態(tài)負載期間向器件提供額外的電流來(lái)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對地短路,并防止其進(jìn)入數字隔離器。
 
理想情況下,電容器的阻抗隨頻率降低。然而,在現實(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。如圖5所示,降低電容器的ESL會(huì )提高自諧振頻率,并且電容器的阻抗開(kāi)始增加。
 
如何在電動(dòng)汽車(chē)設計最小化EMI?
圖5實(shí)際電容器模型以及非理想電容器中的阻抗與頻率的關(guān)系 資料來(lái)源:Silicon Labs
 
通常,較小尺寸的電容器(例如0402)具有較低的ESL,因為ESL取決于兩個(gè)電容器末端之間的距離。如圖6所示,反向幾何電容器提供了更低的ESL,盡管如此,即使采用最低的ESL,旁路電容器的放置也起著(zhù)至關(guān)重要的作用。
 
如何在電動(dòng)汽車(chē)設計最小化EMI?
圖6反向幾何電容器(右)提供的ESL低于標準電容器(左)。資料來(lái)源:Silicon Labs
 
方法3:優(yōu)化旁路電容器的位置
 
正確放置旁路電容器與選擇低ESL電容器一樣重要,因為PCB上的走線(xiàn)和過(guò)孔會(huì )引入串聯(lián)電感。跡線(xiàn)的串聯(lián)電感隨長(cháng)度增加,因此理想的是短跡線(xiàn)和寬跡線(xiàn)。同樣,到數字隔離器的接地引腳的返回路徑的長(cháng)度會(huì )增加額外的串聯(lián)電感。
 
只需改變電容器使其靠近電源和接地引腳,通常會(huì )減小返回路徑的長(cháng)度。圖7說(shuō)明了旁路電容器的理想位置和非理想位置。使用這些技術(shù)選擇低ESL電容器并優(yōu)化PCB設計將最大程度地降低旁路電容器的EMI。
 
如何在電動(dòng)汽車(chē)設計最小化EMI?
圖7比較了旁路電容器的理想位置和非理想位置 資料來(lái)源:Silicon Labs
 
這些基本的降低EMI原理和技術(shù)為設計可滿(mǎn)足CISPR 25及更高要求的汽車(chē)系統提供了基礎。隨著(zhù)越來(lái)越多的車(chē)輛系統添加復雜的電子設備以及電動(dòng)汽車(chē)變得越來(lái)越先進(jìn),EMI仍將是主要關(guān)注的問(wèn)題。
 
隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)系統采用更高的電壓來(lái)提高效率,對隔離的需求還將繼續增長(cháng)。通過(guò)考慮EMI并預先應用最佳實(shí)踐,高壓隔離汽車(chē)系統將可以滿(mǎn)足當今和未來(lái)的EMI要求。
 
(來(lái)源:Silicon Labs,作者:Charlie Ice,Silicon Labs的高級產(chǎn)品經(jīng)理)
 
 
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