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如何在电动汽车设计最小化EMI?

发布时间:2021-01-13 来源:Charlie Ice,Silicon Labs的高级产品经理 责任编辑:lina

【导读】长期以来,电磁兼容(EMC)一直是电动汽车(EV)以及混合电动汽车和(HEV)系统关注的主要问题。传统的内燃机(ICE)车辆本质上是机械的,而电子设备属于机械动力装置的配套。但是,EV和HEV却大不相同。
 
长期以来,电磁兼容(EMC)一直是电动汽车(EV)以及混合电动汽车和(HEV)系统关注的主要问题。传统的内燃机(ICE)车辆本质上是机械的,而电子设备属于机械动力装置的配套。但是,EV和HEV却大不相同。
 
使用高压电池,电动机和充电器将电能转换为机械运动。这些高压汽车系统很容易引起EMC问题。幸运的是,有多种减少隔离系统中的EMC的可靠技术。
 
EMI的基础
 
在着手改善EMI之前,必须了解标准和测试中使用的基本术语。 EMC指的是设备的抗扰性和发射特征,而电磁干扰(EMI)仅关注设备的发射数值。CISPR 25是用于车辆的最常见的EMC标准,同时规定了EMI和抗扰性要求。
 
抗干扰能力是设备在存在干扰的情况下正确运行的能力。降低设备的EMI通常可以提高其对外界的干扰,因此许多设计人员主要致力于降低EMI并让抗扰性得到优化。
 
在CISPR 25中,EMI分为传导和辐射发射限值。两者之间的区别非常直观。EMI通过电源,信号线或其他线缆从一个设备传导到另一个设备。另一方面,辐射EMI穿过电磁场传播,从而干扰另一个设备。CISPR 25的EMI标准可确保在特定的测试条件下传导和辐射的发射低于指定的阈值,以减少车辆系统彼此干扰的机会。
 
共模是最大麻烦
 
任何EMI讨论的中心都是差模电流和共模电流。由于共模电流通常会引起EMI,因此绝大多数电路都使用差模电流工作。图1说明了平衡差分信号,其中包括用于返回电流的专用导体。不幸的是,返回电流通常会找到一条替代的,更长的返回源的路径,并产生一个共模电流。
 
如何在电动汽车设计最小化EMI?
图1平衡差模电流返回电流的路径。资料来源:Silicon Labs

 
共模电流在两个路径中造成不平衡,从而导致发射辐射,如图2所示。幸运的是,可以通过一些设计改进来减少共模电流。然而,在探索这些方法之前,高压车辆系统还存在其他隔离挑战。
 
如何在电动汽车设计最小化EMI?
图2平衡差分信号系统中显示的共模电流。资料来源:Silicon Labs
 
隔离有助于减轻EMI
 
隔离,尤其是数字隔离,是推动电动汽车革命的基本技术之一。隔离设备允许跨越分隔高电压域和低电压域的高阻抗势垒进行安全通信和信号发射。这些电源域的分离在两个电路之间创建了高阻抗路径,如图3所示。
 
如何在电动汽车设计最小化EMI?
图3隔离在系统中的两个接地之间产生了很高的阻抗,有效地消除了彼此之间的电气连接。资料来源:Silicon Labs
 
这种高阻抗路径会给共模电流带来一个问题,该共模电流是由仅在一侧的电压变化引起的。这些感应电流必须找到返回其源极的路径,并且由于存在隔离栅,它们所选择的路径通常较长,无法准确定义且具有高阻抗。这些路径的较大环路面积导致辐射发射增加。值得庆幸的是,可以通过使用传统的EMI实践并针对数字隔离器进行一些修改来减少此问题和其他EMI问题。
 
降低EMI的三种简单方法
 
方法1:选择传输最小化的隔离器
 
数字隔离器利用CMOS技术创建隔离屏障并在隔离屏障上传输信号。使用高频RF信号跨越这些屏障传输信号,在许多数字隔离器中,默认输出配置确定何时激活RF发射机。如果隔离器发送的信号通常为高电平或低电平,则只需选择匹配的默认输出状态将使传输最小化,从而降低EMI和功耗。
 
如何在电动汽车设计最小化EMI?
图4对于所示的总线传输,默认的高数字隔离器具有较少的内部RF传输。资料来源:Silicon Labs
 
图4说明了通过SPI总线配置,默认的低隔离器和默认的高隔离器之间的区别。选择适当的数字隔离器后,隔离设备周围的组件现在可以针对EMI进行优化。
 
方法2:选择正确的旁路电容
 
几乎每个数字隔离器都规定在电源引脚上使用旁路电容器,这会对系统的EMI性能产生巨大影响。旁路电容器通过在瞬态负载期间向器件提供额外的电流来帮助减少电源轨上的噪声尖峰。此外,旁路电容器将交流噪声对地短路,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,由于有效串联电感(ESL),电容器的阻抗在自谐振频率处开始增加。如图5所示,降低电容器的ESL会提高自谐振频率,并且电容器的阻抗开始增加。
 
如何在电动汽车设计最小化EMI?
图5实际电容器模型以及非理想电容器中的阻抗与频率的关系 资料来源:Silicon Labs
 
通常,较小尺寸的电容器(例如0402)具有较低的ESL,因为ESL取决于两个电容器末端之间的距离。如图6所示,反向几何电容器提供了更低的ESL,尽管如此,即使采用最低的ESL,旁路电容器的放置也起着至关重要的作用。
 
如何在电动汽车设计最小化EMI?
图6反向几何电容器(右)提供的ESL低于标准电容器(左)。资料来源:Silicon Labs
 
方法3:优化旁路电容器的位置
 
正确放置旁路电容器与选择低ESL电容器一样重要,因为PCB上的走线和过孔会引入串联电感。迹线的串联电感随长度增加,因此理想的是短迹线和宽迹线。同样,到数字隔离器的接地引脚的返回路径的长度会增加额外的串联电感。
 
只需改变电容器使其靠近电源和接地引脚,通常会减小返回路径的长度。图7说明了旁路电容器的理想位置和非理想位置。使用这些技术选择低ESL电容器并优化PCB设计将最大程度地降低旁路电容器的EMI。
 
如何在电动汽车设计最小化EMI?
图7比较了旁路电容器的理想位置和非理想位置 资料来源:Silicon Labs
 
这些基本的降低EMI原理和技术为设计可满足CISPR 25及更高要求的汽车系统提供了基础。随着越来越多的车辆系统添加复杂的电子设备以及电动汽车变得越来越先进,EMI仍将是主要关注的问题。
 
随着电动汽车系统采用更高的电压来提高效率,对隔离的需求还将继续增长。通过考虑EMI并预先应用最佳实践,高压隔离汽车系统将可以满足当今和未来的EMI要求。
 
(来源:Silicon Labs,作者:Charlie Ice,Silicon Labs的高级产品经理)
 
 
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