汽車電子非隔離型變換器傳導(dǎo)與輻射EMI的產(chǎn)生，傳播與抑制

在汽車電子系統(tǒng)中，非隔離型變換器(如Buck、Boost和Buck-Boost)扮演著至關(guān)重要的角色。然而，這些變換器在高頻開關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的電磁干擾(EMI)，這對(duì)汽車電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

一、EMI的產(chǎn)生

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

傳導(dǎo)EMI噪聲通過電纜或其他有物理接觸的導(dǎo)體傳輸?shù)绞苡绊懙脑O(shè)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(dòng)，而共模噪聲則通過設(shè)備對(duì)地的雜散電容以位移電流的形式流到地上，再流回電網(wǎng)。

輻射EMI噪聲則通過開放空間(無(wú)物理接觸)傳輸。它主要由變換器本身的共模噪聲源驅(qū)動(dòng)，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(dǎo)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(dǎo)EMI的傳播路徑相對(duì)簡(jiǎn)單，它主要通過電纜或其他導(dǎo)體傳輸。差模噪聲在兩條線路間流動(dòng)，而共模噪聲則通過設(shè)備與地之間的雜散電容流到大地，再流回電網(wǎng)。

輻射EMI的傳播則更為復(fù)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(qū)動(dòng)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(gè)電壓源和它的串聯(lián)阻抗，而天線則使用三個(gè)阻抗來(lái)分別表示其自身?yè)p耗、向外輻射的能量以及儲(chǔ)存的近場(chǎng)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(dǎo)EMI的抑制

對(duì)于傳導(dǎo)EMI，我們主要關(guān)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(dāng)?shù)妮斎腚娙莺洼斎霝V波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過優(yōu)化這些組件的參數(shù)，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(guān)節(jié)點(diǎn)的面積，并使用共模濾波器。減小開關(guān)節(jié)點(diǎn)面積可以降低共模噪聲的產(chǎn)生，而共模濾波器則可以進(jìn)一步濾除共模噪聲。

2. 輻射EMI的抑制

對(duì)于輻射EMI，我們需要從變換器和天線兩個(gè)方面進(jìn)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(huì)產(chǎn)生EMI輻射。但實(shí)際上，由于地之間的PCB走線會(huì)產(chǎn)生電感，輸入端與輸出端之間也會(huì)產(chǎn)生壓降，導(dǎo)致輻射EMI的產(chǎn)生。因此，我們可以通過重新布線來(lái)減小輸入輸出地之間的距離，從而達(dá)到減小地平面阻抗的目的。另一種方法是在輸入和輸出側(cè)跨接一個(gè)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(duì)于天線來(lái)說，我們可以通過優(yōu)化其設(shè)計(jì)和布局來(lái)降低輻射EMI。例如，可以減小天線的尺寸和長(zhǎng)度，或者采用屏蔽措施來(lái)降低天線的輻射效率。

四、實(shí)際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)與解決方案

在汽車電子系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)，這會(huì)影響EMI的抑制效果。此外，隨著汽車電子系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)EMI抑制的要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的抑制方法可能無(wú)法滿足需求。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，我們可以采用以下解決方案：

優(yōu)化PCB設(shè)計(jì)：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(shí)，采用多層板設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)母层~操作也可以提高EMI抑制效果。

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

加強(qiáng)測(cè)試和驗(yàn)證：在汽車電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，需要加強(qiáng)EMI的測(cè)試和驗(yàn)證工作。通過采用先進(jìn)的測(cè)試儀器和方法，可以準(zhǔn)確測(cè)量和評(píng)估EMI的水平，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的問題和隱患。

五、結(jié)論

汽車電子非隔離型變換器的EMI問題是一個(gè)復(fù)雜而重要的課題。通過深入了解EMI的產(chǎn)生、傳播和抑制方法，我們可以采取有效的措施來(lái)降低EMI水平，提高汽車電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在未來(lái)的發(fā)展中，我們需要繼續(xù)關(guān)注和研究EMI問題，不斷推動(dòng)汽車電子技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。