如何在電動車設計中最小化EMI
2021-04-14
作者
Charlie Ice，Silicon Labs資深產品經理
高壓汽車系統很容易引起EMC問題，幸運的是，有多種減少隔離系統中的EMC的可靠技術…
長期以來，電磁相容(EMC)一直是電動車(EV)，以及混合電力車(HEV)系統關注的主要焦點。傳統的內燃機(ICE)車輛本質上是機械的，而電子設備屬於機械動力裝置的配套。但是，EV和HEV卻截然不同。
使用高壓電池、馬達和充電器將電能轉換為機械運動。這些高壓汽車系統很容易引起EMC問題，幸運的是，有多種減少隔離系統中的EMC的可靠技術。
電磁干擾(EMI)的基礎
在著手改善EMI之前，必須瞭解標準和測試中使用的基本術語。EMC指的是設備的抗擾性和發射特徵，而EMI僅關注設備的發射數值。CISPR 25是用於車輛的最常見的EMC標準，同時規定了EMI和抗擾性要求。
抗干擾能力是設備在存在干擾的情況下正確運作的能力。降低設備的EMI通常可以提高其對外界的干擾，因此許多設計人員主要致力於降低EMI並讓抗擾性得到最佳化。
在CISPR 25中，EMI分為傳導和輻射發射限值。兩者之間的區別是非常直覺性的，EMI透過電源、訊號線或其他線纜從一個設備傳導到另一個設備；
另一方面，輻射EMI穿過電磁場傳播，從而干擾另一個設備。CISPR 25的EMI標準可確保在特定的測試條件下傳導和輻射的發射低於指定的閾值，以減少車輛系統彼此干擾的機會。
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。由於共模電流通常會引起EMI，因此絕大多數電路都使用差模電流工作。圖1說明了平衡差分訊號，其中包括用於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性、更長的返回源路徑，並產生一個共模電流。
圖1：平衡差模電流返回電流的路徑。
(來源：Silicon Labs)
共模電流在兩個路徑中造成不平衡，從而導致發射輻射，如圖2所示。幸運的是，可以透過一些設計改進來減少共模電流。然而，在探索這些方法之前，高壓車輛系統還存在其他隔離挑戰。
圖2：平衡差分訊號系統中顯示的共模電流。
(來源：Silicon Labs)
隔離有助於減輕EMI
隔離，尤其是數位隔離，是推動EV革命的基本技術之一。隔離設備允許跨越分隔高電壓域和低電壓域的高阻抗壁壘進行安全通訊和訊號發射，這些電源域的分離在兩個電路之間創建了高阻抗路徑，如圖3所示。
圖3：隔離在系統中的兩個接地之間產生了很高的阻抗，有效地消除了彼此之間的電氣連接。
(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的電壓變化引起。這些感應電流必須找到返回其源極的路徑，並且由於存在隔離閘，其所選擇的路徑通常較長，無法準確定義且具有高阻抗。這些路徑的較大迴路面積導致輻射發射增加，值得慶幸的是，可以透過傳統的EMI實踐方案並針對數位隔離器進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
數位隔離器利用CMOS技術創建隔離屏障並在隔離屏障上傳輸訊號。使用高頻RF訊號跨越這些屏障傳輸訊號，在許多數位隔離器中，預設輸出配置決定何時啟動RF發射機，如果隔離器發送的訊號通常為高電平或低電平，則只需選擇匹配的預設輸出狀態將使傳輸最小化，從而降低EMI和功耗。
圖4：對於所示的匯流排傳輸，預設為高的數位隔離器具有較少的內部RF傳輸。
(來源：Silicon Labs)
圖4說明了透過SPI匯流排配置，預設為低的隔離器和預設為高的隔離器之間的區別。選擇適當的數位隔離器後，隔離設備周圍的元件現在可以針對EMI進行最佳化。
方法2：選擇正確的旁路電容
幾乎每個數位隔離器都規定在電源引腳上使用旁路電容，這會對系統的EMI性能產生巨大影響。旁路電容透過在瞬態負載期間向元件提供額外的電流來協助減少電源軌上的雜訊突波。此外，旁路電容將交流雜訊對地短路，並防止其進入數位隔離器。
理想情況下，電容的阻抗隨頻率降低。然而，在現實世界中，由於等效串聯電感(ESL)，電容的阻抗在自諧振頻率處開始增加。如圖5所示，降低電容的ESL會提高自諧振頻率，並且提高電容阻抗開始增加的頻率點。
圖5：實際電容模型，以及非理想電容中的阻抗與頻率的關係。
(來源：Silicon Labs)
通常，較小尺寸的電容(例如0402)具有較低的ESL，因為ESL取決於兩個電容末端之間的距離。如圖6所示，反向幾何電容提供了更低的ESL，儘管如此，即使採用最低的ESL，旁路電容的放置也發揮著相當重要的作用。
圖6：反向幾何電容(右)提供的ESL低於標準電容(左)。
(來源：Silicon Labs)
方法3：最佳化旁路電容的位置
正確放置旁路電容與選擇低ESL電容一樣重要，因為PCB上的佈線和通孔會引入串聯電感。佈線的串聯電感會隨長度增加，因此理想的是短佈線和寬佈線。同樣，到數位隔離器的接地引腳的返回路徑的長度會增加額外的串聯電感。
只需改變電容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說明了旁路電容的理想位置和非理想位置。使用這些技術選擇低ESL電容並最佳化PCB設計將最大程度地降低旁路電容的EMI。
圖7：比較了旁路電容的理想位置和非理想位置。
(來源：Silicon Labs)
這些基本的降低EMI原理和技術為設計可滿足CISPR 25及更高要求的汽車系統提供了基礎。隨著越來越多的車輛系統添加複雜的電子裝置，以及EV變得越來越先進，EMI仍將是主要關注的問題。
隨著EV系統採用更高的電壓來提高效率，對隔離的需求還將繼續成長。透過考慮EMI並預先應用最佳實踐方案，高壓隔離汽車系統將可以滿足當今和未來的EMI要求。
