汽車電子非隔離型變換器傳導與輻射EMI的產生，傳播與抑制

在汽車電子系統中，非隔離型變換器(如Buck、Boost和Buck-Boost)扮演著至關重要的角色。然而，這些變換器在高頻開關過程中會產生大量的電磁干擾(EMI)，這對汽車電子系統的穩(wěn)定性和可靠性構成了嚴重威脅。

一、EMI的產生

電力電子系統中的許多組件，例如MOSFET和二極管，在高頻開關過程中會產生高dv/dt節(jié)點和高di/dt環(huán)路。這些高dv/dt和di/dt值是EMI產生的根本原因。EMI主要分為傳導EMI噪聲和輻射EMI噪聲兩種類型。

傳導EMI噪聲通過電纜或其他有物理接觸的導體傳輸到受影響的設備。這種噪聲主要分為差模(DM)噪聲和共模(CM)噪聲。差模噪聲主要在兩條線路間流動，而共模噪聲則通過設備對地的雜散電容以位移電流的形式流到地上，再流回電網。

輻射EMI噪聲則通過開放空間(無物理接觸)傳輸。它主要由變換器本身的共模噪聲源驅動，通過輸入線和輸出線組成的偶極子天線向空間輻射。

二、EMI的傳播

傳導EMI和輻射EMI的傳播路徑有很大的差異，因此我們需要分別討論。

傳導EMI的傳播路徑相對簡單，它主要通過電纜或其他導體傳輸。差模噪聲在兩條線路間流動，而共模噪聲則通過設備與地之間的雜散電容流到大地，再流回電網。

輻射EMI的傳播則更為復雜。它主要通過輸入線和輸出線組成的偶極子天線向空間輻射。其驅動源為變換器本身的共模噪聲源。變換器可以通過戴維南定理等效為一個電壓源和它的串聯阻抗，而天線則使用三個阻抗來分別表示其自身損耗、向外輻射的能量以及儲存的近場能量。

三、EMI的抑制方法

為了降低汽車電子非隔離型變換器的EMI，我們需要采取一系列抑制措施。

1. 傳導EMI的抑制

對于傳導EMI，我們主要關注差模噪聲和共模噪聲的抑制。

差模噪聲的抑制：差模噪聲的抑制可以通過選擇適當的輸入電容和輸入濾波器來實現。通過優(yōu)化這些組件的參數，可以有效降低差模噪聲電流。

共模噪聲的抑制：共模噪聲的抑制則需要減小開關節(jié)點的面積，并使用共模濾波器。減小開關節(jié)點面積可以降低共模噪聲的產生，而共模濾波器則可以進一步濾除共模噪聲。

2. 輻射EMI的抑制

對于輻射EMI，我們需要從變換器和天線兩個方面進行分析和抑制。

變換器的抑制：變換器本身的源越小，輻射的能量也就越小。理想狀況下，非隔離型變換器的輸入與輸出地之間沒有阻抗，等效的源(VCM)為零，不會產生EMI輻射。但實際上，由于地之間的PCB走線會產生電感，輸入端與輸出端之間也會產生壓降，導致輻射EMI的產生。因此，我們可以通過重新布線來減小輸入輸出地之間的距離，從而達到減小地平面阻抗的目的。另一種方法是在輸入和輸出側跨接一個小電容，通過旁路的方式減小輸入和輸出之間的阻抗。

天線的抑制：對于天線來說，我們可以通過優(yōu)化其設計和布局來降低輻射EMI。例如，可以減小天線的尺寸和長度，或者采用屏蔽措施來降低天線的輻射效率。

四、實際應用中的挑戰(zhàn)與解決方案

在汽車電子系統中，非隔離型變換器的EMI抑制面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，在板子緊湊的情況下，覆銅操作可能難以實現，這會影響EMI的抑制效果。此外，隨著汽車電子系統的發(fā)展，對EMI抑制的要求也越來越高，傳統的抑制方法可能無法滿足需求。

為了應對這些挑戰(zhàn)，我們可以采用以下解決方案：

優(yōu)化PCB設計：通過合理的PCB布局和布線，可以減小地平面阻抗，從而降低輻射EMI。同時，采用多層板設計和適當的覆銅操作也可以提高EMI抑制效果。

采用新型材料和技術：隨著材料科學和電子技術的發(fā)展，我們可以采用新型材料和技術來提高EMI抑制效果。例如，可以使用高頻低損耗材料來制作PCB板，或者采用先進的濾波器和屏蔽技術來降低EMI。

加強測試和驗證：在汽車電子系統的設計和生產過程中，需要加強EMI的測試和驗證工作。通過采用先進的測試儀器和方法，可以準確測量和評估EMI的水平，并及時發(fā)現潛在的問題和隱患。

五、結論

汽車電子非隔離型變換器的EMI問題是一個復雜而重要的課題。通過深入了解EMI的產生、傳播和抑制方法，我們可以采取有效的措施來降低EMI水平，提高汽車電子系統的穩(wěn)定性和可靠性。在未來的發(fā)展中，我們需要繼續(xù)關注和研究EMI問題，不斷推動汽車電子技術的進步和發(fā)展。