長期以來，電磁兼容性 (EMC) 一直是設(shè)計工程師的禍根，它仍然是電動汽車 (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 (ICE) 車輛本質(zhì)上主要是機械式的，電子設(shè)備用螺栓固定在機械動力裝置上。然而，電動汽車和混合動力汽車有很大不同。

使用高壓電池、電機和充電器將電能轉(zhuǎn)換為機械運動。這些高壓汽車系統(tǒng)很容易引起 EMC 問題。幸運的是，有幾種經(jīng)過驗證的真正技術(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 改進問題之前，必須了解標準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 標準，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行的能力。降低設(shè)備的 EMI 通常會提高其對外部干擾的免疫力，因此許多設(shè)計人員主要關(guān)注降低 EMI 并讓免疫力自行解決。

在 CISPR 25 中，EMI 分為傳導和輻射發(fā)射限值。兩者之間的區(qū)別相當直觀。傳導 EMI 通過電源、信號或其他連接的電纜從一個設(shè)備傳播到另一個設(shè)備。另一方面，輻射 EMI 會穿過電磁場干擾另一臺設(shè)備。CISPR 25 的 EMI 標準確保在特定測試條件下傳導和輻射發(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導致 EMI，因此絕大多數(shù)電路使用差模電流運行。平衡差分信號，其中包括用于返回電流的專用導體。不幸的是，返回電流通常會找到一條替代的、更長的路徑返回源頭并產(chǎn)生共模電流。

共模電流在導致輻射發(fā)射的兩個導體中產(chǎn)生不平衡。幸運的是，通過一些設(shè)計改進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，是實現(xiàn)電動汽車革命的基礎(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)路面積會導致輻射發(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。使用高頻射頻信號通過這些屏障傳輸信號。在許多數(shù)字隔離器中，默認輸出配置決定了射頻發(fā)射器何時激活。如果隔離器發(fā)送的信號通常為高電平或低電平，只需選擇匹配的默認輸出狀態(tài)即可最大限度地減少傳輸，從而降低 EMI 和功耗。說明了 SPI 總線配置的默認低電平和默認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 進行優(yōu)化。

方法二：選擇正確的旁路電容

幾乎每個數(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 性能有巨大影響。旁路電容器通過在瞬態(tài)負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。降低電容器的 ESL 會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，因為 ESL 取決于兩個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)計能夠滿足 CISPR 25 及更高標準的嚴格要求的汽車系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。隨著越來越多的車輛系統(tǒng)添加了復雜的電子設(shè)備以及電動汽車變得更加先進，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。通過預先考慮 EMI 并應(yīng)用最佳實踐，高壓隔離式汽車系統(tǒng)將準備好滿足當今和未來的 EMI 要求。