【導(dǎo)讀】電磁干擾 (EMI) 緩解技術(shù)與車輛系統(tǒng)架構(gòu)的最佳性能息息相關(guān)。車輛中的關(guān)鍵區(qū)域可能會(huì)受到 EMI 的嚴(yán)重影響并導(dǎo)致電子電路性能不佳，尤其是在汽車電源中，這是整個(gè)車輛電氣/電子系統(tǒng)的核心。
這里將介紹 EMI 濾波和其他系統(tǒng)技術(shù)，這些技術(shù)可以集成到系統(tǒng)架構(gòu)中，以最大限度地減少傳導(dǎo)和輻射的 RF EMI 干擾。這些應(yīng)該有助于設(shè)計(jì)人員通過各自地區(qū)的 EMI 標(biāo)準(zhǔn)測試。
排放標(biāo)準(zhǔn)
汽車行業(yè)和個(gè)別汽車制造商必須滿足各種電磁兼容性 (EMC) 要求。符合 EMC 標(biāo)準(zhǔn)（汽車應(yīng)用的 CISPR 25）在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。例如，兩個(gè)要求是確保電子系統(tǒng)不會(huì)發(fā)出過多的 EMI 或噪聲，并且不受其他系統(tǒng)發(fā)出的噪聲的影響。
實(shí)現(xiàn)合規(guī)性所需的努力會(huì)影響產(chǎn)品開發(fā)成本和上市時(shí)間。CISPR 25 是針對無線電干擾特性的車輛和設(shè)備最嚴(yán)格的國際排放標(biāo)準(zhǔn)之一。這些限制和測量方法旨在保護(hù)板載接收器免受組件產(chǎn)生的干擾，例如電源設(shè)計(jì)中的開關(guān)穩(wěn)壓器。
設(shè)計(jì)人員在開始電源設(shè)計(jì)之前需要充分了解 CISPR 和其他發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)。
電磁干擾的類型
為了降低設(shè)計(jì)中的 EMI，工程師首先必須了解 EMI 如何傳播到設(shè)計(jì)中。EMI 有兩個(gè)主要類別——傳導(dǎo)和輻射——這會(huì)導(dǎo)致更長的設(shè)計(jì)上市時(shí)間和增加的成本。將 EMI 降低到能夠通過產(chǎn)品使用地區(qū)或國家/地區(qū)的 EMI 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)工作對于創(chuàng)建成功的功能設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
傳導(dǎo) EMI 通常通過電纜和物理導(dǎo)體耦合，例如電源連接、寄生阻抗以及接地連接。由于電場（電容耦合）或磁場（磁耦合），輻射 EMI 通過空氣通過無線電傳輸源耦合。
開關(guān)穩(wěn)壓器通常是汽車系統(tǒng)內(nèi)部或外部產(chǎn)生 EMI 的罪魁禍?zhǔn)字弧?/div>
電磁干擾的起源
電子電路通常有電流從電源流向負(fù)載并在回路中返回電源。環(huán)路具有電感和通過組件、電線或 PCB 走線的變化電流。當(dāng)電流在回路內(nèi)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(fù)載中的電流需求，電流變化率為 di/dt。當(dāng)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)人員可以使用戰(zhàn)略性地靠近 IC 和其他設(shè)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)簡化的同步降壓轉(zhuǎn)換器，其中包含針對 EMI 識(shí)別的關(guān)鍵環(huán)路和跡線。
良好的接地層將為旁路電容器等組件提供低阻抗路徑。設(shè)計(jì)人員可以使嘈雜的開關(guān)節(jié)點(diǎn)或振蕩器盡可能遠(yuǎn)離 PCB 上的敏感節(jié)點(diǎn)。良好的接地區(qū)域或平面還可以用作與噪聲區(qū)域或元件（如開關(guān)節(jié)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)例子是使用帶有開關(guān)功率 FET 的分立降壓穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)。通過添加?xùn)艠O電阻器可以減慢到 FET 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這可能有助于滿足嚴(yán)格的汽車輻射標(biāo)準(zhǔn)。這種方法的缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)現(xiàn)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。
汽車線束中的 EMI
先進(jìn)的汽車電子控制技術(shù)導(dǎo)致車輛中增加了電子設(shè)備。車輛中的頻率和功率逐漸增加，營造出更密集的電磁波氛圍。這將極大地促進(jìn)車輛中的 EMI，從而干擾電氣/電子設(shè)備并可能損壞電氣/電子組件。
汽車線束是汽車中 EMI 的最大貢獻(xiàn)者之一，也可能受到 EMI 的影響。
設(shè)計(jì)人員可以采取一些措施，通過屏蔽源設(shè)備及其各自的線束來最小化 EMI 影響。通過添加改進(jìn)的濾波器，可以將較長線束中的傳導(dǎo)和輻射 EMI 降至最低。仔細(xì)規(guī)劃線束也有助于將低功率電路布置在靠近信號(hào)源的位置，將高功率干擾電路布置在靠近負(fù)載的位置。
改進(jìn)的接地技術(shù)也將有助于降低汽車線束中的 EMI。屏蔽線束并連接到車身是減少EMI干擾的好方法。
減少汽車中的輻射和傳導(dǎo) EMI
圖 2顯示了感興趣的 EMI 頻帶和緩解技術(shù)。
圖2. 該圖像說明了感興趣的 EMI 頻帶以及可能的緩解技術(shù)。
汽車非隔離電源轉(zhuǎn)換器中的輻射 EMI
輻射 EMI 是由車輛電源電纜中的共模噪聲引起的，它會(huì)輻射到車輛空間中。這種噪聲主要由非隔離式電源轉(zhuǎn)換器通過該電源轉(zhuǎn)換器內(nèi)的開關(guān)電源設(shè)備輻射。現(xiàn)代電源中更高的開關(guān)頻率以及減小電源轉(zhuǎn)換器物理尺寸的努力是汽車中 EMI 的主要貢獻(xiàn)者。
汽車降壓轉(zhuǎn)換器中的傳導(dǎo) EMI
設(shè)計(jì)人員可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，通過 CISPR 25 Class 5 中的 FM 頻段限制非常具有挑戰(zhàn)性。那是因?yàn)?EMI 濾波器在高頻下會(huì)變差。近場耦合也會(huì)降低 EMI 濾波器的性能，因?yàn)楦哳l噪聲會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場和電場，這些磁場和電場會(huì)耦合到 EMI 濾波器的輸入端。
設(shè)計(jì)師可能想嘗試的一些解決方案包括：
通過添加啟動(dòng)電阻或緩沖器，或降低開關(guān)頻率來減少噪聲源（這將減少噪聲源的高頻諧波）。
通過盡可能少地放置 PCB SW 銅來減少電源開關(guān) (SW) 電容寄生效應(yīng)，同時(shí)還要考慮散熱。
添加屏蔽外殼將減少電場耦合。
添加濾波器組件——可以加入共模扼流圈，但這會(huì)增加系統(tǒng)成本。
在降壓轉(zhuǎn)換器的輸入端使用 EMI 濾波器以及仔細(xì)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，最簡單的組件是最重要的。可以將片狀鐵氧體磁珠設(shè)計(jì)到電子系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)高達(dá) 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(hù)。
EMI 抑制薄膜電容器符合 AEC-Q200（修訂版 D）和 IEC 60384-14：2013/AMD1：2016 級(jí) IIB 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，可用作汽車電源逆變器的 EMC 濾波器。
電動(dòng)汽車中的 EMI
電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng) (EPT) 是寬帶、高電平 EMI 的主要貢獻(xiàn)者。它將侵入易受影響的電子和射頻系統(tǒng)，例如聯(lián)網(wǎng)車輛、信息娛 樂、高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的系統(tǒng)。EMI 管理在這些系統(tǒng)中尤為重要。
車聯(lián)網(wǎng) (V2X) 中的EMI
通過使用 5G 和 V2X 技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)，未來的電動(dòng)汽車將通過低壓網(wǎng)絡(luò)傳輸、通信和處理比今天的車輛更多的數(shù)據(jù)。汽車行業(yè)正在推動(dòng)電池容量、續(xù)航里程、發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)大的電磁場，需要在所有電氣組件的架構(gòu)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(yùn)行至關(guān)重要。逆變器以高功率和快速開關(guān)頻率運(yùn)行，會(huì)產(chǎn)生快速的電壓和電流瞬變，這是傳導(dǎo)和輻射 EMI 的主要來源。
在 V2X 汽車通信應(yīng)用中，無源元件也發(fā)揮著重要作用。無論半導(dǎo)體多么復(fù)雜，如果沒有 EMC 組件、瞬態(tài)保護(hù)、高頻連接器和天線，V2X 都不可能實(shí)現(xiàn)。
總結(jié)
汽車中的開關(guān)電源需要某種形式的輸入濾波才能通過 EMI 標(biāo)準(zhǔn)，例如 CISPR 25 或其他地區(qū)的 EMI 法規(guī)。本文還討論了將汽車中的 EMI 降至最低的其他形式，并且很可能需要將其整合到許多設(shè)計(jì)架構(gòu)中才能獲得標(biāo)準(zhǔn)批準(zhǔn)。
有很多方法可以幫助抑制 EMI 對汽車電子產(chǎn)品的侵蝕。大多數(shù)設(shè)計(jì)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)間對于這些汽車電源設(shè)計(jì)至關(guān)重要，必須在整體設(shè)計(jì)完全完成后進(jìn)行 EMI 測試。
隨著我們從汽油動(dòng)力汽車發(fā)展到電動(dòng)汽車，再到自動(dòng)駕駛汽車，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)通過合規(guī)性測試。隨著我們涉足汽車電子的未來，更多的創(chuàng)新技術(shù)將會(huì)出現(xiàn)。
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