圖1平衡差模電流返回電流的路徑。資料來源:Silicon Labs
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如何在電動汽車設(shè)計最小化EMI?
發(fā)布時間:2021-01-13 來源:Charlie Ice,Silicon Labs的高級產(chǎn)品經(jīng)理 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】長期以來,電磁兼容(EMC)一直是電動汽車(EV)以及混合電動汽車和(HEV)系統(tǒng)關(guān)注的主要問題。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)(ICE)車輛本質(zhì)上是機(jī)械的,而電子設(shè)備屬于機(jī)械動力裝置的配套。但是,EV和HEV卻大不相同。
長期以來,電磁兼容(EMC)一直是電動汽車(EV)以及混合電動汽車和(HEV)系統(tǒng)關(guān)注的主要問題。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)(ICE)車輛本質(zhì)上是機(jī)械的,而電子設(shè)備屬于機(jī)械動力裝置的配套。但是,EV和HEV卻大不相同。
使用高壓電池,電動機(jī)和充電器將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械運動。這些高壓汽車系統(tǒng)很容易引起EMC問題。幸運的是,有多種減少隔離系統(tǒng)中的EMC的可靠技術(shù)。
EMI的基礎(chǔ)
在著手改善EMI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)備的抗擾性和發(fā)射特征,而電磁干擾(EMI)僅關(guān)注設(shè)備的發(fā)射數(shù)值。CISPR 25是用于車輛的最常見的EMC標(biāo)準(zhǔn),同時規(guī)定了EMI和抗擾性要求。
抗干擾能力是設(shè)備在存在干擾的情況下正確運行的能力。降低設(shè)備的EMI通??梢蕴岣咂鋵ν饨绲母蓴_,因此許多設(shè)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(dǎo)和輻射發(fā)射限值。兩者之間的區(qū)別非常直觀。EMI通過電源,信號線或其他線纜從一個設(shè)備傳導(dǎo)到另一個設(shè)備。另一方面,輻射EMI穿過電磁場傳播,從而干擾另一個設(shè)備。CISPR 25的EMI標(biāo)準(zhǔn)可確保在特定的測試條件下傳導(dǎo)和輻射的發(fā)射低于指定的閾值,以減少車輛系統(tǒng)彼此干擾的機(jī)會。
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引起EMI,因此絕大多數(shù)電路都使用差模電流工作。圖1說明了平衡差分信號,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替代的,更長的返回源的路徑,并產(chǎn)生一個共模電流。
圖1平衡差模電流返回電流的路徑。資料來源:Silicon Labs
共模電流在兩個路徑中造成不平衡,從而導(dǎo)致發(fā)射輻射,如圖2所示。幸運的是,可以通過一些設(shè)計改進(jìn)來減少共模電流。然而,在探索這些方法之前,高壓車輛系統(tǒng)還存在其他隔離挑戰(zhàn)。
圖2平衡差分信號系統(tǒng)中顯示的共模電流。資料來源:Silicon Labs
隔離有助于減輕EMI
隔離,尤其是數(shù)字隔離,是推動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電路之間創(chuàng)建了高阻抗路徑,如圖3所示。
圖3隔離在系統(tǒng)中的兩個接地之間產(chǎn)生了很高的阻抗,有效地消除了彼此之間的電氣連接。資料來源:Silicon Labs
這種高阻抗路徑會給共模電流帶來一個問題,該共模電流是由僅在一側(cè)的電壓變化引起的。這些感應(yīng)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,無法準(zhǔn)確定義且具有高阻抗。這些路徑的較大環(huán)路面積導(dǎo)致輻射發(fā)射增加。值得慶幸的是,可以通過使用傳統(tǒng)的EMI實踐并針對數(shù)字隔離器進(jìn)行一些修改來減少此問題和其他EMI問題。
降低EMI的三種簡單方法
方法1:選擇傳輸最小化的隔離器
數(shù)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(shù)字隔離器中,默認(rèn)輸出配置確定何時激活RF發(fā)射機(jī)。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(rèn)輸出狀態(tài)將使傳輸最小化,從而降低EMI和功耗。
圖4對于所示的總線傳輸,默認(rèn)的高數(shù)字隔離器具有較少的內(nèi)部RF傳輸。資料來源:Silicon Labs
圖4說明了通過SPI總線配置,默認(rèn)的低隔離器和默認(rèn)的高隔離器之間的區(qū)別。選擇適當(dāng)?shù)臄?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
幾乎每個數(shù)字隔離器都規(guī)定在電源引腳上使用旁路電容器,這會對系統(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的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對地短路,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。如圖5所示,降低電容器的ESL會提高自諧振頻率,并且電容器的阻抗開始增加。
圖5實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至關(guān)重要的作用。
圖6反向幾何電容器(右)提供的ESL低于標(biāo)準(zhǔn)電容器(左)。資料來源: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上的走線和過孔會引入串聯(lián)電感。跡線的串聯(lián)電感隨長度增加,因此理想的是短跡線和寬跡線。同樣,到數(shù)字隔離器的接地引腳的返回路徑的長度會增加額外的串聯(lián)電感。
只需改變電容器使其靠近電源和接地引腳,通常會減小返回路徑的長度。圖7說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(shè)計將最大程度地降低旁路電容器的EMI。
圖7比較了旁路電容器的理想位置和非理想位置 資料來源:Silicon Labs
這些基本的降低EMI原理和技術(shù)為設(shè)計可滿足CISPR 25及更高要求的汽車系統(tǒng)提供了基礎(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越來越先進(jìn),EMI仍將是主要關(guān)注的問題。
隨著電動汽車系統(tǒng)采用更高的電壓來提高效率,對隔離的需求還將繼續(xù)增長。通過考慮EMI并預(yù)先應(yīng)用最佳實踐,高壓隔離汽車系統(tǒng)將可以滿足當(dāng)今和未來的EMI要求。
(來源:Silicon Labs,作者:Charlie Ice,Silicon Labs的高級產(chǎn)品經(jīng)理)
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