汽車(chē)電子系統中的電磁干擾緩解技術(shù)如何部署？

電磁干擾 (EMI) 緩解技術(shù)與車(chē)輛系統架構的最佳性能息息相關(guān)。車(chē)輛中的關(guān)鍵區域可能會(huì )受到 EMI 的嚴重影響并導致電子電路性能不佳，尤其是在汽車(chē)電源中，這是整個(gè)車(chē)輛電氣/電子系統的核心。

這里將介紹 EMI 濾波和其他系統技術(shù)，這些技術(shù)可以集成到系統架構中，以最大限度地減少傳導和輻射的 RF EMI 干擾。這些應該有助于設計人員通過(guò)各自地區的 EMI 標準測試。

排放標準

汽車(chē)行業(yè)和個(gè)別汽車(chē)制造商必須滿(mǎn)足各種電磁兼容性 (EMC) 要求。符合 EMC 標準（汽車(chē)應用的 CISPR 25）在產(chǎn)品設計中至關(guān)重要。例如，兩個(gè)要求是確保電子系統不會(huì )發(fā)出過(guò)多的 EMI 或噪聲，并且不受其他系統發(fā)出的噪聲的影響。

實(shí)現合規性所需的努力會(huì )影響產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本和上市時(shí)間。CISPR 25 是針對無(wú)線(xiàn)電干擾特性的車(chē)輛和設備的國際排放標準之一。這些限制和測量方法旨在保護板載接收器免受組件產(chǎn)生的干擾，例如電源設計中的開(kāi)關(guān)穩壓器。

設計人員在開(kāi)始電源設計之前需要充分了解 CISPR 和其他發(fā)射標準。

電磁干擾的類(lèi)型

為了降低設計中的 EMI，工程師首先必須了解 EMI 如何傳播到設計中。EMI 有兩個(gè)主要類(lèi)別——傳導和輻射——這會(huì )導致更長(cháng)的設計上市時(shí)間和增加的成本。將 EMI 降低到能夠通過(guò)產(chǎn)品使用地區或國家/地區的 EMI 標準的設計工作對于創(chuàng )建成功的功能設計至關(guān)重要。

傳導 EMI 通常通過(guò)電纜和物理導體耦合，例如電源連接、寄生阻抗以及接地連接。由于電場(chǎng)（電容耦合）或磁場(chǎng)（磁耦合），輻射 EMI 通過(guò)空氣通過(guò)無(wú)線(xiàn)電傳輸源耦合。

開(kāi)關(guān)穩壓器通常是汽車(chē)系統內部或外部產(chǎn)生 EMI 的罪魁禍首之一。

電磁干擾的起源

電子電路通常有電流從電源流向負載并在回路中返回電源。環(huán)路具有電感和通過(guò)組件、電線(xiàn)或 PCB 走線(xiàn)的變化電流。當電流在回路內變化時(shí)，它會(huì )產(chǎn)生一個(gè)成比例的電壓。該環(huán)路具有自感，并且由于負載中的電流需求，電流變化率為 di/dt。當電流在回路中快速變化時(shí)，會(huì )產(chǎn)生電壓尖峰。

為了最大限度地減少尖峰，設計人員可以縮小環(huán)路面積，這將降低環(huán)路電感。電源 IC 可以并聯(lián)使用兩個(gè)輸入回路，從而有效地減少了一半的寄生回路電感5 （圖 1）。設計人員可以使用戰略性地靠近 IC 和其他設備放置的旁路電容器，以最大限度地減少 EMI。

圖1. 此示意圖顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的同步降壓轉換器，其中包含針對 EMI 識別的關(guān)鍵環(huán)路和跡線(xiàn)。

良好的接地層將為旁路電容器等組件提供低阻抗路徑。設計人員可以使嘈雜的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)或振蕩器盡可能遠離 PCB 上的敏感節點(diǎn)。良好的接地區域或平面還可以用作與噪聲區域或元件（如開(kāi)關(guān)節點(diǎn)/功率晶體管、高 di/dt 電容器和電感器）的屏蔽或物理隔離。

其他一些方法也將有助于減少回路中的輻射。一個(gè)例子是使用帶有開(kāi)關(guān)功率 FET 的分立降壓穩壓器的設計。通過(guò)添加柵極電阻器可以減慢到 FET 的驅動(dòng)信號，這可能有助于滿(mǎn)足嚴格的汽車(chē)輻射標準。這種方法的缺點(diǎn)是設計現在失去了一些效率，增加了一個(gè)組件，并增加了電路板占用空間。

汽車(chē)線(xiàn)束中的 EMI

先進(jìn)的汽車(chē)電子控制技術(shù)導致車(chē)輛中增加了電子設備。車(chē)輛中的頻率和功率逐漸增加，營(yíng)造出更密集的電磁波氛圍。這將極大地促進(jìn)車(chē)輛中的 EMI，從而干擾電氣/電子設備并可能損壞電氣/電子組件。

汽車(chē)線(xiàn)束是汽車(chē)中 EMI 的最大貢獻者之一，也可能受到 EMI 的影響。

設計人員可以采取一些措施，通過(guò)屏蔽源設備及其各自的線(xiàn)束來(lái)最小化 EMI 影響。通過(guò)添加改進(jìn)的濾波器，可以將較長(cháng)線(xiàn)束中的傳導和輻射 EMI 降至。仔細規劃線(xiàn)束也有助于將低功率電路布置在靠近信號源的位置，將高功率干擾電路布置在靠近負載的位置。

改進(jìn)的接地技術(shù)也將有助于降低汽車(chē)線(xiàn)束中的 EMI。屏蔽線(xiàn)束并連接到車(chē)身是減少EMI干擾的好方法。

減少汽車(chē)中的輻射和傳導 EMI

圖 2顯示了感興趣的 EMI 頻帶和緩解技術(shù)。

圖2. 該圖像說(shuō)明了感興趣的 EMI 頻帶以及可能的緩解技術(shù)。

汽車(chē)非隔離電源轉換器中的輻射 EMI

輻射 EMI 是由車(chē)輛電源電纜中的共模噪聲引起的，它會(huì )輻射到車(chē)輛空間中。這種噪聲主要由非隔離式電源轉換器通過(guò)該電源轉換器內的開(kāi)關(guān)電源設備輻射?，F代電源中更高的開(kāi)關(guān)頻率以及減小電源轉換器物理尺寸的努力是汽車(chē)中 EMI 的主要貢獻者。

汽車(chē)降壓轉換器中的傳導 EMI

設計人員可能會(huì )發(fā)現，通過(guò) CISPR 25 Class 5 中的 FM 頻段限制非常具有挑戰性。那是因為 EMI 濾波器在高頻下會(huì )變差。近場(chǎng)耦合也會(huì )降低 EMI 濾波器的性能，因為高頻噪聲會(huì )產(chǎn)生強大的磁場(chǎng)和電場(chǎng)，這些磁場(chǎng)和電場(chǎng)會(huì )耦合到 EMI 濾波器的輸入端。

設計師可能想嘗試的一些解決方案包括：

通過(guò)添加啟動(dòng)電阻或緩沖器，或降低開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減少噪聲源（這將減少噪聲源的高頻諧波）。

通過(guò)盡可能少地放置 PCB SW 銅來(lái)減少電源開(kāi)關(guān) (SW) 電容寄生效應，同時(shí)還要考慮散熱。

添加屏蔽外殼將減少電場(chǎng)耦合。

添加濾波器組件——可以加入共模扼流圈，但這會(huì )增加系統成本。

在降壓轉換器的輸入端使用 EMI 濾波器以及仔細的布局也會(huì )有所幫助。鐵屏蔽箱可以作為最后的手段。

有助于最小化 EMI 的組件

通常，的組件是最重要的?？梢詫⑵瑺铊F氧體磁珠設計到電子系統中，實(shí)現高達 85°C 的全電流處理。鐵氧體磁珠的小尺寸使它們即使在人口最密集的 PCB 中也能提供 EMI 保護。

EMI 抑制薄膜電容器符合 AEC-Q200（修訂版 D）和 IEC 60384-14：2013/AMD1：2016 級 IIB 質(zhì)量標準，可用作汽車(chē)電源逆變器的 EMC 濾波器。

電動(dòng)汽車(chē)中的 EMI

電動(dòng)動(dòng)力系統 (EPT) 是寬帶、高電平 EMI 的主要貢獻者。它將侵入易受影響的電子和射頻系統，例如聯(lián)網(wǎng)車(chē)輛、信息娛 樂(lè )、高級駕駛輔助系統 (ADAS) 和自動(dòng)駕駛系統中的系統。EMI 管理在這些系統中尤為重要。

車(chē)聯(lián)網(wǎng) (V2X) 中的EMI

通過(guò)使用 5G 和 V2X 技術(shù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，未來(lái)的電動(dòng)汽車(chē)將通過(guò)低壓網(wǎng)絡(luò )傳輸、通信和處理比今天的車(chē)輛更多的數據。汽車(chē)行業(yè)正在推動(dòng)電池容量、續航里程、發(fā)動(dòng)機功率和快速充電技術(shù)的發(fā)展，所有這些技術(shù)都使用高電流和功率水平。這些高功率/電流水平將發(fā)出強大的電磁場(chǎng)，需要在所有電氣組件的架構中加以解決。

由于 EPT 中存在電源逆變器，EMI 緩解對于具有潛在敏感電子和射頻單元的低壓網(wǎng)絡(luò )的可靠和安全運行至關(guān)重要。逆變器以高功率和快速開(kāi)關(guān)頻率運行，會(huì )產(chǎn)生快速的電壓和電流瞬變，這是傳導和輻射 EMI 的主要來(lái)源。

在 V2X 汽車(chē)通信應用中，無(wú)源元件也發(fā)揮著(zhù)重要作用。無(wú)論半導體多么復雜，如果沒(méi)有 EMC 組件、瞬態(tài)保護、高頻連接器和天線(xiàn)，V2X 都不可能實(shí)現。

總結

汽車(chē)中的開(kāi)關(guān)電源需要某種形式的輸入濾波才能通過(guò) EMI 標準，例如 CISPR 25 或其他地區的 EMI 法規。本文還討論了將汽車(chē)中的 EMI 降至的其他形式，并且很可能需要將其整合到許多設計架構中才能獲得標準批準。

有很多方法可以幫助抑制 EMI 對汽車(chē)電子產(chǎn)品的侵蝕。大多數設計師會(huì )使用不止一種方法，有些會(huì )使用多種或所有方法。上市時(shí)間對于這些汽車(chē)電源設計至關(guān)重要，必須在整體設完成后進(jìn)行 EMI 測試。

隨著(zhù)我們從汽油動(dòng)力汽車(chē)發(fā)展到電動(dòng)汽車(chē)，再到自動(dòng)駕駛汽車(chē)，我們需要修改和添加新的和創(chuàng )新的 EMI 緩解技術(shù)，以及時(shí)通過(guò)合規性測試。隨著(zhù)我們涉足汽車(chē)電子的未來(lái)，更多的創(chuàng )新技術(shù)將會(huì )出現。