將汽車環(huán)境中的 EMI 降至最低第一部分

電磁兼容(EMC)一直是電動(dòng)汽車(EV)以及混合電動(dòng)汽車和(HEV)系統(tǒng)關(guān)注的主要問題。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)備屬于機(jī)械動(dòng)力裝置的配套。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問題。

然而PCB布局決定了每一個(gè)電源的成敗。它設(shè)置功能、電磁干擾 (EMI) 和熱行為。雖然開關(guān)電源布局不是一門“黑色”藝術(shù)，但在初始設(shè)計(jì)過程中往往會(huì)被忽視。然而，由于必須滿足功能和 EMI 要求，有利于電源功能穩(wěn)定性的因素通常也有利于其 EMI 輻射。還應(yīng)注意，從一開始就做好布局不會(huì)增加任何成本，但實(shí)際上可以節(jié)省成本，無需 EMI 濾波器、機(jī)械屏蔽、EMI 測(cè)試時(shí)間和 PCB 板修訂。

此外，當(dāng)多個(gè) DC/DC 開關(guān)模式穩(wěn)壓器并聯(lián)以實(shí)現(xiàn)電流共享和更高的輸出功率時(shí)，可能會(huì)加劇潛在的干擾和噪聲問題。如果所有設(shè)備都以相似的頻率運(yùn)行(開關(guān))，則電路中多個(gè)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的組合能量然后集中在一個(gè)頻率上。這種能量的存在可能會(huì)成為一個(gè)問題，特別是如果 PC 板上的其余 IC 以及其他系統(tǒng)板上彼此靠近并且容易受到這種輻射能量的影響。這在汽車系統(tǒng)中尤其令人不安，因?yàn)槠囅到y(tǒng)中人口密集且通常靠近音頻、射頻、CAN 總線和各種雷達(dá)系統(tǒng)。

解決開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲排放問題

在汽車環(huán)境中，開關(guān)穩(wěn)壓器通常在重視低散熱和效率的領(lǐng)域取代線性穩(wěn)壓器。此外，開關(guān)穩(wěn)壓器通常是輸入電源總線上的第一個(gè)有源元件，因此對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)換器電路的 EMI 性能有重大影響。

有兩種類型的 EMI 輻射;傳導(dǎo)和輻射。傳導(dǎo)發(fā)射在連接到產(chǎn)品的電線和跡線上傳播。由于噪聲局限于設(shè)計(jì)中的特定端子或連接器，因此通?？梢栽陂_發(fā)過程中相對(duì)較早地通過良好的布局或?yàn)V波器設(shè)計(jì)來確保符合傳導(dǎo)發(fā)射要求，如前所述。

然而，輻射發(fā)射是另一回事。板上所有承載電流的東西都會(huì)輻射電磁場(chǎng)。電路板上的每條走線都是天線，每個(gè)銅平面都是諧振器。除了純正弦波或直流電壓之外，任何東西都會(huì)在整個(gè)信號(hào)頻譜中產(chǎn)生噪聲。即使經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)經(jīng)過測(cè)試之前，設(shè)計(jì)人員也永遠(yuǎn)不會(huì)真正知道輻射發(fā)射的嚴(yán)重程度。在設(shè)計(jì)基本完成之前，無法正式進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)試。

濾波器通常用于通過衰減某個(gè)頻率或某個(gè)頻率范圍內(nèi)的強(qiáng)度來降低 EMI。穿過空間(輻射)的一部分能量通過添加金屬和磁屏蔽來衰減。通過添加鐵氧體磁珠和其他濾波器來馴服 PCB 走線(傳導(dǎo))上的部分。EMI 無法消除，但可以衰減到其他通信和數(shù)字組件可接受的水平。此外，一些監(jiān)管機(jī)構(gòu)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)以確保合規(guī)。

采用表面貼裝技術(shù)的現(xiàn)代輸入濾波器元件比通孔元件具有更好的性能。然而，這種改進(jìn)被開關(guān)穩(wěn)壓器的工作開關(guān)頻率的增加所超越。由于更快的開關(guān)轉(zhuǎn)換，更高的效率、更低的最小接通和關(guān)斷時(shí)間導(dǎo)致更高的諧波含量。開關(guān)頻率每增加一倍，EMI 就會(huì)惡化 6dB，而所有其他參數(shù)(例如開關(guān)容量和轉(zhuǎn)換時(shí)間)保持不變。如果開關(guān)頻率增加 10 倍，則寬帶 EMI 的行為類似于具有 20dB 高發(fā)射的一階高通。

精明的 PCB 設(shè)計(jì)人員將縮小熱回路并使用盡可能靠近有源層的屏蔽接地層。然而，在去耦組件中充分儲(chǔ)存能量所需的器件引腳、封裝結(jié)構(gòu)、熱設(shè)計(jì)要求和封裝尺寸決定了最小熱回路尺寸。更復(fù)雜的是，在典型的平面印刷電路板中，30MHz 以上走線之間的磁耦合或變壓器式耦合將減少所有濾波工作，因?yàn)橹C波頻率越高，不需要的磁耦合就越有效。