長(zhǎng)期以來(lái)，設(shè)計(jì)兼容性一直困擾著電磁兼容性（EMC），這一直是電動(dòng)汽車（EV）以及混合電動(dòng)汽車和（HEV）系統(tǒng)的主要問(wèn)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)備則通過(guò)螺栓固定在機(jī)械動(dòng)力裝置上。但是，EV和HEV卻大不相同。

使用高壓電池，電動(dòng)機(jī)和充電器將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)。這些高壓汽車系統(tǒng)很容易引起EMC問(wèn)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)，而且其中許多都是免費(fèi)的。

EMI的語(yǔ)言

在著手改善EMI之前，必須先了解標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試中使用的基本術(shù)語(yǔ)。EMC指的是設(shè)備的抗擾性和發(fā)射，而電磁干擾（EMI）僅關(guān)注設(shè)備的發(fā)射。CISPR 25是用于車輛的最常見的EMC標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)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通常可以提高其對(duì)外界干擾的抗擾性，因此許多設(shè)計(jì)人員主要致力于降低EMI并讓抗擾性得到照顧。

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。傳導(dǎo)的EMI通過(guò)電源，信號(hào)線或其他連接的電纜從一臺(tái)設(shè)備傳播到另一臺(tái)設(shè)備。另一方面，輻射EMI穿過(guò)電磁場(chǎng)傳播，從而干擾另一個(gè)設(shè)備。CISPR 25的EMI標(biāo)準(zhǔn)確保在特定測(cè)試條件下傳導(dǎo)和輻射的發(fā)射低于指定閾值，以減少車輛系統(tǒng)相互干擾的機(jī)會(huì)。

共模是共同的敵人

任何EMI討論的核心都是差模電流和共模電流。由于共模電流通常會(huì)引起EMI，因此絕大多數(shù)電路都使用差模電流工作。圖1說(shuō)明了平衡差分信號(hào)，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(huì)找到一條替代的，更長(zhǎng)的返回源的路徑，并產(chǎn)生一個(gè)共模電流。

圖1平衡差模電流具有用于返回電流的專用導(dǎo)體。資料來(lái)源：Silicon Labs

共模電流在兩個(gè)導(dǎo)體中造成不平衡，從而導(dǎo)致輻射發(fā)射，如圖2所示。幸運(yùn)的是，可以通過(guò)一些設(shè)計(jì)改進(jìn)來(lái)減少許多共模電流。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(hào)系統(tǒng)中顯示的共模電流。資料來(lái)源：Silicon Labs

隔離有助于并減輕EMI

隔離，尤其是數(shù)字隔離，是推動(dòng)電動(dòng)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(shì)壘進(jìn)行安全通信和發(fā)信號(hào)。這些電源域的分離在兩個(gè)電路之間創(chuàng)建了高阻抗路徑，如圖3所示。

圖3隔離會(huì)在系統(tǒng)中的兩個(gè)接地之間產(chǎn)生非常高的阻抗，從而有效消除了它們之間的電氣連接。資料來(lái)源：Silicon Labs

這種高阻抗路徑會(huì)給共模電流帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，該共模電流是由僅在一側(cè)存在的較大電壓變化引起的。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，它們所采用的路徑通常較長(zhǎng)，定義不清且具有高阻抗。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(guò)使用傳統(tǒng)的EMI最佳實(shí)踐并針對(duì)數(shù)字隔離器進(jìn)行一些修改來(lái)減少此問(wèn)題和其他EMI問(wèn)題。

降低EMI的三種簡(jiǎn)單方法

方法1：選擇使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(hào)。使用高頻RF信號(hào)跨這些屏障傳輸信號(hào)。在許多數(shù)字隔離器中，默認(rèn)輸出配置確定何時(shí)激活RF發(fā)射機(jī)。如果隔離器發(fā)送的信號(hào)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(duì)于所示的總線活動(dòng)，默認(rèn)的高數(shù)字隔離器具有較少的內(nèi)部RF傳輸。資料來(lái)源：Silicon Labs

圖4說(shuō)明了SPI總線配置的默認(rèn)低隔離器和默認(rèn)高隔離器之間的差異。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(duì)EMI進(jìn)行優(yōu)化。

方法2：選擇正確的旁路電容器

幾乎每個(gè)數(shù)字隔離器都指定在電源引腳上使用旁路電容器，這些旁路電容器對(duì)系統(tǒng)的EMI性能產(chǎn)生巨大影響。旁路電容器通過(guò)在瞬態(tài)負(fù)載期間向器件提供額外的電流來(lái)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(duì)地短路，并防止其進(jìn)入數(shù)字隔離器。

理想情況下，電容器的阻抗會(huì)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，減小電容器的ESL會(huì)提高自諧振頻率，并且電容器的阻抗開始增加。

圖5實(shí)際電容模型以及非理想電容中的阻抗與頻率的關(guān)系。資料來(lái)源：Silicon Labs

通常，較小尺寸的電容器（例如0402）將具有較低的ESL，因?yàn)镋SL取決于兩個(gè)電容器末端之間的距離。反幾何電容器可提供更低的ESL，如圖6所示。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反幾何電容器（右）提供的ESL低于標(biāo)準(zhǔn)電容器（左）。資料來(lái)源：Silicon Labs

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 href="http://m.1cnz.cn/v/tag/82/" target="_blank">PCB上的走線和過(guò)孔會(huì)引入串聯(lián)電感。走線的串聯(lián)電感會(huì)隨著長(zhǎng)度的增加而增加，因此理想的是短走線和寬走線。同樣，到數(shù)字隔離器的接地引腳的返回路徑的長(zhǎng)度會(huì)增加附加的串聯(lián)電感。

簡(jiǎn)單地旋轉(zhuǎn)電容器使其靠近電源引腳和接地引腳，通常會(huì)減小返回路徑的長(zhǎng)度。圖7說(shuō)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(jì)將最大程度地降低旁路電容器的EMI。

圖7比較理想和非理想旁路電容器的位置。資料來(lái)源：Silicon Labs

這些基本的EMI降低原理和技術(shù)為設(shè)計(jì)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(lái)越多的車輛系統(tǒng)添加復(fù)雜的電子設(shè)備以及電動(dòng)汽車變得越來(lái)越先進(jìn)，EMI將繼續(xù)成為主要關(guān)注的問(wèn)題。

隨著電動(dòng)汽車系統(tǒng)采用更高的電壓來(lái)提高效率，對(duì)隔離的需求還將繼續(xù)增加。通過(guò)考慮EMI并預(yù)先應(yīng)用最佳實(shí)踐，高壓隔離汽車系統(tǒng)將隨時(shí)可以滿足當(dāng)今和未來(lái)的EMI要求。

Charlie Ice是Silicon Labs的高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理，專注于該公司的以太網(wǎng)供電（PoE）產(chǎn)品線。

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