Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）電源隔離高級產(chǎn)品經(jīng)理Charlie Ice近期針對電動汽車的EMI設(shè)計撰寫了一篇技術(shù)文章，概要說明三種通過隔離產(chǎn)品有助于降低電磁干擾（EMI）的設(shè)計方法，歡迎參考應(yīng)用。

EMI的基礎(chǔ)

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(yùn)動。

這些高壓汽車系統(tǒng)很容易引起EMC問題。幸運(yùn)的是，有多種減少隔離系統(tǒng)中的EMC的可靠技術(shù)。 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(yùn)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。 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(yùn)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。

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。 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(shí)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。 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(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(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。 通常，較小尺寸的電容器（例如0402）具有較低的ESL，因?yàn)镋SL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）。

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?yàn)?a target="_blank">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。

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(shí)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。

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