電磁兼容性 (EMC) 長期以來一直是設(shè)計工程師的禍根，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)上主要是機械的，電子設(shè)備通過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)化為機械運動。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)過驗證的可靠技術(shù)可以降低隔離系統(tǒng)中的 EMC，而且許多技術(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 是車輛最常見的 EMC 標準，規(guī)定了 EMI 和抗擾度要求。

抗擾度是指設(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獠扛蓴_的免疫力，因此許多設(shè)計人員主要關(guān)注降低 EMI，讓免疫力自然發(fā)揮作用。

在 CISPR 25 中，EMI 分為傳導(dǎo)發(fā)射限值和輻射發(fā)射限值。兩者之間的差異是相當直觀的。傳導(dǎo) EMI 通過電源、信號或其他連接電纜從一個設(shè)備傳播到另一設(shè)備。另一方面，輻射 EMI 會穿過電磁場干擾其他設(shè)備。 CISPR 25 的 EMI 標準可確保在特定測試條件下傳導(dǎo)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引起 EMI，因此絕大多數(shù)電路都使用差模電流來工作。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更長的替代路徑返回源并產(chǎn)生共模電流。

共模電流會在兩個導(dǎo)體中產(chǎn)生不平衡，從而導(dǎo)致輻射發(fā)射。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)。

隔離對 EMI 有幫助，也有壞處

隔離，尤其是數(shù)字隔離，是實現(xiàn)電動汽車革命的基本技術(shù)之一。隔離設(shè)備允許跨越分隔高壓域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。

這種高阻抗路徑會產(chǎn)生僅一側(cè)存在的電壓大幅變化引起的共模電流問題。這些感應(yīng)電流必須找到一條返回源頭的路徑，并且由于隔離柵的存在，它們所采用的路徑通常很長、定義不明確且阻抗較高。這些路徑的環(huán)路面積較大，導(dǎo)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：選擇可最大限度減少傳輸?shù)母綦x器

數(shù)字隔離器利用 CMOS 技術(shù)創(chuàng)建隔離屏障并通過它們傳輸信號。使用高頻射頻信號跨越這些障礙物傳輸信號。在許多數(shù)字隔離器中，默認輸出配置決定射頻發(fā)射器何時激活。如果隔離器發(fā)送的信號通常為高或低，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。

SPI 總線配置的默認低隔離器和默認高隔離器之間的差異。選擇正確的數(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 2：選擇正確的旁路電容

事實上，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 性能產(chǎn)生巨大影響。旁路電容器通過在瞬態(tài)負載期間向器件提供額外電流，幫助減少電源軌上的噪聲尖峰。此外，旁路電容器會將交流噪聲接地短路，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而降低。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會提高自諧振頻率以及電容器阻抗開始增加的頻率。

一般來說，尺寸較小的電容器(例如 0402)的 ESL 較低，因為 ESL 取決于電容器兩端之間的距離。反向幾何電容器可提供更低的 ESL。然而，即使 ESL 盡可能最低，旁路電容器的放置也起著至關(guān)重要的作用。

方法 3：優(yōu)化旁路電容器放置

正確放置旁路電容器與選擇低 ESL 的旁路電容器同樣重要，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，因此短而寬的走線是理想的選擇。此外，數(shù)字隔離器接地引腳的返回路徑的長度會增加額外的串聯(lián)電感。

只需將電容器旋轉(zhuǎn)到靠近電源和接地引腳通常會縮短返回路徑長度。旁路電容器的理想和非理想放置。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)計滿足 CISPR 25 及更高標準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)添加復(fù)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，對隔離的需求也將繼續(xù)增加。通過預(yù)先考慮 EMI 并應(yīng)用最佳實踐，高壓隔離汽車系統(tǒng)將能夠滿足當今和未來的 EMI 要求。