如何在电动汽车设计最小化EMI

2021-01-12来源: EEWORLD关键字:EMI  EMC  隔离

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。


image.png

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。


image.png

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。


image.png

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。


image.png

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。


image.png

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。


image.png

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。


image.png

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。


Charlie Ice是Silicon Labs的高级产品经理,专注于该公司的以太网供电(PoE)产品线。


关键字:EMI  EMC  隔离 编辑:冀凯 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/qcdz/ic522589.html

上一篇:Mobileye:继续开发创新科技,助力自动驾驶汽车畅行世界
下一篇:NXP联手RTI,为自动驾驶车辆提供新一代架构

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

Diodes推出同步降压转换器,具备EMI 减缓噪音技术
Diodes 公司 (Nasdaq:DIOD) 宣布推出两款高集成度的同步降压转换器,透过电源稳定 (Power Good) 输出及为噪音敏感产品应用而开发的创新 EMI 减缓噪音技术,简化汽车电源系统的电路设计。AP63356Q 及 AP63357Q 皆为 3.5A 降压转换器,输入电压范围为 3.8V 至 32V 间。利用峰值电流控制模式及高端与低端电源的晶载金属氧化物半导体场效晶体管 (MOSFET),降压转换器将所需的外部零件降至最低,以减少材料清单 (BOM) 成本及电路板体积。以上两产品皆配有电源稳定指标,内含 5MΩ 上拉电阻,有助电源排序。为更有效帮助电源排序,降压转换器的使能引脚具
发表于 2020-12-15
Diodes推出同步降压转换器,具备<font color='red'>EMI</font> 减缓噪音技术
简化汽车车身电机控制器设计,快速实现轻量化
无论是调整座椅至最佳位置还是能够轻松打开行李箱,车身电子设备系统都可使用电机来提高驾乘人员的舒适性和便利性。金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)控制这些应用的电动装置。但将MOSFET用作开关给电子控制模块设计(包括电磁干扰(EMI)和热管理、电流感应、断电制动以及诊断与保护)带来了新的技术性挑战。德州仪器开发的集成电路(IC)电机驱动器产品集成了模拟功能,可帮助电子控制模块设计人员应对这些挑战,同时减小解决方案尺寸并缩短开发时间。本文中,我们将讨论可帮助应对这些设计挑战、集成到电机驱动集成电路中的特定模拟功能。降低电磁干扰(EMI)降低EMI可通过在芯片级和PCB级的功能和解决方案来实现。降低EMI的一种关键方法是控制
发表于 2020-12-14
简化汽车车身电机控制器设计,快速实现轻量化
采用DC/DC降压稳压器优化汽车的EMI
本文编译自EDN,作者 TI 汽车电子市场经理Zachary Imm随着汽车配备越来越多的传感器和功能,汽车中的电子含量不断增加,功率水平也不断提高。过去依赖低压差线性稳压器(LDO)的工程师现在可能需要使用降压拓扑来满足系统的高效率要求。降压器在更高的效率下可以提供比典型LDO更大的功率,但有一个明显缺点——它的开关特性会产生电磁干扰(EMI),这对于汽车应用而言可能是一个严重的问题。幸运的是,工程师可以使用许多技巧和工具来降低EMI,包括优化电路板布局,利用IC功能以及增加电路。DC / DC转换器会因输入纹波,附近电路的电磁耦合以及电磁辐射而产生EMI。EMI会干扰AM / FM无线电接收器和其他敏感设备,例如主机
发表于 2020-11-30
采用DC/DC降压稳压器优化汽车的<font color='red'>EMI</font>
EMC系列案例13||可视对讲门铃EMI解决方案
可视对讲门铃 EMI 解决方案客户介绍:珠海某电子科技有限公司是一家专门从事智能家居和楼宇对讲生产、研发、销售为一体的科技型企业,经客户转介绍认识,因其有一个新研发的高端出口可视对讲系统在深圳宝安某检测公司进行空间(RE)辐射测试 EN55022 标准时,辐射超过限值,无法通过测试。后经运用我司提供的 EMI 滤波器进行整改后,通过测试。 测试数据 - 整改前:   测试数据 - 整改后: 解决方案:1、时钟晶振串联 RU 滤波器进行窄带噪声衰减处理,减弱其发射强度  2、使用 EMI 电源专用滤波器对电源供电线路进行宽频噪声进行抑制。 
发表于 2020-11-09
EMC系列案例13||可视对讲门铃<font color='red'>EMI</font>解决方案
岭纬科技为无人驾驶打造高性能激光雷达
。同时,电源系统必须在任何工况下保证稳定的输出,保证系统的续航能力和系统的最优设计,尽可能节省有限的设计空间,兼具抗 EMC 和 EMI 的特性。   目前,岭纬科技在 Titan M1 高端系列产品中已全面采用了 Vicor PI3740 电源转换模块。PI3740 是一款高转换效率、功率密度的电源模块,PI3740 可将 8~60V 的供电电压转换为 12V 电压供系统使用,能够以高达 96%的效率提供高达 140W 的功率及高达 8A 的输出电流,若系统中还需要其它如 5V、3.3V 的电压轨,再通过 POL 电源芯片进行二级转换。Vicor 电源模块的集成度高,外围
发表于 2020-10-19
岭纬科技为无人驾驶打造高性能激光雷达
如何用示波器来做电磁兼容测试?
用示波器检测ECU的EMI干扰在做电磁兼容(EMC)测试时,通常想到的是用频谱分析仪做的辐射测试。但示波器也可以用来做电磁兼容测试。在电磁兼容测试中没有充分利用示波器的一个应用是实时功能性性能评估,包括待测设备(DUT)在受到干扰时做的偏差检测。示波器可以帮助你记录电磁干扰如何影响你产品的工作。我们经常使用示波器,但需要与测试室内的待测设备做到电气上的隔离。术语“偏差”指的是一个待测设备对干扰的响应,此时可能有一个或多个功能超过允许的容差。这些功能和容差被定义在针对特定设备单独开发的电磁兼容测试计划文档中,并且在测试开始之前得到了所有相关方的一致认可。汽车行业中的标准做法是通过元件级的测试来判断一个器件对静态放电(ESD)、电源
发表于 2020-09-18
如何用示波器来做电磁兼容测试?
小广播
换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2021 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved