减少高压汽车系统中的电磁干扰
文章：查理冰
在高压汽车系统中减少电磁干扰有几种经过试验和真实的技术，许多都不需要额外的成本。
长期以来，电磁兼容性(EMC)一直是设计工程师的心病，一直是电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)系统的主要关注点。传统的内燃机(ICE)汽车本质上主要是机械的，电子设备被固定在机械动力装置上。然而，电动汽车和混合动力汽车是非常不同的。
使用高压电池，电动机和充电器将电力转换为机械运动。这些高压汽车系统可以很容易地引起EMC问题。幸运的是，还有几种用于减少孤立系统中的EMC的经过几种尝试和真实的技术，许多人都没有额外的成本。
EMI的语言
在解决EMI改进之前，必须理解标准和测试中使用的基本术语。EMC是指设备的免疫和排放，而电磁干扰（EMI）仅重点关注设备的排放。CISPR 25是用于车辆的最常见的EMC标准，指定了EMI和免疫要求。
免疫力是指设备在干扰存在时正确运行的能力。降低设备的电磁干扰通常可以提高其对外界干扰的免疫力，因此许多设计师主要关注降低电磁干扰，让免疫力自行发挥作用。
在CISPR 25中，EMI被分为导电和辐射排放限制。两者之间的差异相当直观。通过电源，信令或其他连接的电缆，进行EMI从一个设备到另一个设备。另一方面，辐射的EMI通过电磁场行进以干扰另一个设备。CISPR 25的EMI标准确保在特定的测试条件下，在特定的测试条件下，进行的和辐射的排放低于指定阈值，以减少彼此干扰的车辆系统的机会。
共同模式是一个共同的敌人
任何EMI讨论的核心是差分模式和共模电流。由于共模电流通常导致EMI，因此绝大多数电路使用差模电流来操作。图1示出了平衡差分信令，其包括用于返回电流的专用导体。不幸的是，返回电流通常会发现替代，更长的路径返回到源，并创建共模电流。
图1平衡差模电流具有用于返回电流的专用导体。来源：硅实验室
共模电流在两个导体中产生不平衡，导致辐射发射，如图所示图2。幸运的是，可以通过一些设计改进来减少许多共模电流。然而，在探索这些方法之前，还有与高压车辆系统相关的额外隔离挑战。
图2平衡差分信令系统中的共模电流。资料来源：硅实验室
隔离有助于和伤害EMI
特别是隔离和数字隔离，是能够实现电动车革命的基本技术之一。隔离装置允许在分离高压和低压域的高阻抗屏障上安全通信和信令。这些功率域的分离在两个电路之间产生高阻抗路径，如图所示图3.。
图3.隔离在系统中的两个场地之间产生非常高的阻抗，有效地消除了它们之间的电连接。资料来源：硅实验室
该高阻抗路径为仅在一侧存在的电压的大变化引起的共模电流产生问题。这些诱导的电流必须找到返回其来源的路径，并且由于隔离屏障，他们所采取的路径通常很长，定义差，阻抗很大。这些路径的大环区域导致增加辐射发射。值得庆幸的是，通过使用特定于数字隔离器的一些修改的传统EMI最佳实践，可以减少此和其他EMI问题。
降低电磁干扰的三种简单方法
方法1：选择最小化变速器的隔离器
数字隔离器利用CMOS技术创建隔离障碍并在它们上传输信号。信号通过使用高频RF信号横跨这些屏障传输。在许多数字隔离器中，默认输出配置确定RF发射器将处于活动状态。如果隔离器发送的信号通常是高或低，则只需选择匹配的默认输出状态将最小化传输，降低EMI和功耗。
图4.对于显示的总线活动，默认的高数字隔离器具有更少的内部RF传输。资料来源：硅实验室
图4.说明了用于SPI总线配置的默认低电平和默认高隔离器之间的差异。通过选择适当的数字隔离器，现在可以针对EMI优化隔离装置周围的组件。
方法2:选择正确的旁路电容
实际上，每个数字隔离器指定在供电引脚上使用旁路电容，对系统的EMI性能产生巨大影响。旁路电容器通过在瞬态负载期间通过向设备提供额外电流来帮助减少电源轨上的噪声尖峰。此外，旁路电容器还短路噪声接地并防止其进入数字隔离器。
理想情况下，电容器的阻抗随频率降低。然而，在现实世界中，由于有效的串联电感（ESL），电容器的阻抗开始以自谐振频率增加。如图所示图5.，降低电容的ESL会提高自谐振频率和电容阻抗开始增加的频率。
图5.真实的电容模型和阻抗与频率在非理想的电容。资料来源：硅实验室
通常，较小尺寸的电容器（例如0402）将具有较低的ESL，因为ESL取决于两个电容器端之间的距离。反向几何电容提供均匀的ESL，如图所示图6.。然而，即使具有尽可能低的ESL，旁路电容的放置也起着关键作用。
图6.反向几何电容器（右）提供比标准电容器更低的ESL（左）。资料来源：硅实验室
方法3：优化旁路电容展示位置
旁路电容的适当放置与选择低ESL的选择同样重要，因为PCB上的迹线和通孔引入串联电感。迹线的系列电感随长度而增加，制造短而宽阔的痕迹。而且，数字隔离器的接地销的返回路径的长度增加了额外的串联电感。
简单地旋转电容器接近电源，接地引脚通常会降低返回路径长度。图7.说明了旁路电容的理想和非理想布置。使用这些技术来选择低ESL电容器和优化PCB设计将最大限度地降低旁路电容器的EMI。
图7.旁路电容器理想和非理想放置的比较。资料来源：硅实验室
这些基本的EMI缩减原则和技术为设计了可以满足CISPR 25及以后的严格要求的汽车系统提供了基础。随着更多车辆系统增加复杂的电子产品，随着电动汽车变得更先进，EMI将继续成为主要关注点。
随着EV系统采用更高的电压来推动更高的效率，对隔离的需求也将继续增加。通过考虑EMI并应用最佳实践，高压，隔离的汽车系统将准备好满足今天和明天的EMI要求。
本文最初发布edn.。
Charlie Ice是硅实验室的高级产品经理，专注于公司对以太网（PoE）产品线的电源。
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