【導讀】電磁干擾 (EMI) 緩解技術與車輛系統(tǒng)架構的最佳性能息息相關。車輛中的關鍵區(qū)域可能會受到 EMI 的嚴重影響并導致電子電路性能不佳，尤其是在汽車電源中，這是整個車輛電氣/電子系統(tǒng)的核心。
這里將介紹 EMI 濾波和其他系統(tǒng)技術，這些技術可以集成到系統(tǒng)架構中，以最大限度地減少傳導和輻射的 RF EMI 干擾。這些應該有助于設計人員通過各自地區(qū)的 EMI 標準測試。
排放標準
汽車行業(yè)和個別汽車制造商必須滿足各種電磁兼容性 (EMC) 要求。符合 EMC 標準（汽車應用的 CISPR 25）在產(chǎn)品設計中至關重要。例如，兩個要求是確保電子系統(tǒng)不會發(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。
實現(xiàn)合規(guī)性所需的努力會影響產(chǎn)品開發(fā)成本和上市時間。CISPR 25 是針對無線電干擾特性的車輛和設備最嚴格的國際排放標準之一。這些限制和測量方法旨在保護板載接收器免受組件產(chǎn)生的干擾，例如電源設計中的開關穩(wěn)壓器。
設計人員在開始電源設計之前需要充分了解 CISPR 和其他發(fā)射標準。
電磁干擾的類型
為了降低設計中的 EMI，工程師首先必須了解 EMI 如何傳播到設計中。EMI 有兩個主要類別——傳導和輻射——這會導致更長的設計上市時間和增加的成本。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 標準的設計工作對于創(chuàng)建成功的功能設計至關重要。
傳導 EMI 通常通過電纜和物理導體耦合，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 的罪魁禍首之一。
電磁干擾的起源
電子電路通常有電流從電源流向負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。當電流在回路內(nèi)變化時，它會產(chǎn)生一個成比例的電壓。該環(huán)路具有自感，并且由于負載中的電流需求，電流變化率為 di/dt。當電流在回路中快速變化時，會產(chǎn)生電壓尖峰。
為了最大限度地減少尖峰，設計人員可以縮小環(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）。設計人員可以使用戰(zhàn)略性地靠近 IC 和其他設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簡化的同步降壓轉(zhuǎn)換器，其中包含針對 EMI 識別的關鍵環(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。設計人員可以使嘈雜的開關節(jié)點或振蕩器盡可能遠離 PCB 上的敏感節(jié)點。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（如開關節(jié)點/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。一個例子是使用帶有開關功率 FET 的分立降壓穩(wěn)壓器的設計。通過添加柵極電阻器可以減慢到 FET 的驅(qū)動信號，這可能有助于滿足嚴格的汽車輻射標準。這種方法的缺點是設計現(xiàn)在失去了一些效率，增加了一個組件，并增加了電路板占用空間。
汽車線束中的 EMI
先進的汽車電子控制技術導致車輛中增加了電子設備。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。這將極大地促進車輛中的 EMI，從而干擾電氣/電子設備并可能損壞電氣/電子組件。
汽車線束是汽車中 EMI 的最大貢獻者之一，也可能受到 EMI 的影響。
設計人員可以采取一些措施，通過屏蔽源設備及其各自的線束來最小化 EMI 影響。通過添加改進的濾波器，可以將較長線束中的傳導和輻射 EMI 降至最低。仔細規(guī)劃線束也有助于將低功率電路布置在靠近信號源的位置，將高功率干擾電路布置在靠近負載的位置。
改進的接地技術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 EMI
圖 2顯示了感興趣的 EMI 頻帶和緩解技術。
圖2. 該圖像說明了感興趣的 EMI 頻帶以及可能的緩解技術。
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)的開關電源設備輻射。現(xiàn)代電源中更高的開關頻率以及減小電源轉(zhuǎn)換器物理尺寸的努力是汽車中 EMI 的主要貢獻者。
汽車降壓轉(zhuǎn)換器中的傳導 EMI
設計人員可能會發(fā)現(xiàn)，通過 CISPR 25 Class 5 中的 FM 頻段限制非常具有挑戰(zhàn)性。那是因為 EMI 濾波器在高頻下會變差。近場耦合也會降低 EMI 濾波器的性能，因為高頻噪聲會產(chǎn)生強大的磁場和電場，這些磁場和電場會耦合到 EMI 濾波器的輸入端。
設計師可能想嘗試的一些解決方案包括：
通過添加啟動電阻或緩沖器，或降低開關頻率來減少噪聲源（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 (SW) 電容寄生效應，同時還要考慮散熱。
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 濾波器以及仔細的布局也會有所幫助。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計到電子系統(tǒng)中，實現(xiàn)高達 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。
EMI 抑制薄膜電容器符合 AEC-Q200（修訂版 D）和 IEC 60384-14：2013/AMD1：2016 級 IIB 質(zhì)量標準，可用作汽車電源逆變器的 EMC 濾波器。
電動汽車中的 EMI
電動動力系統(tǒng) (EPT) 是寬帶、高電平 EMI 的主要貢獻者。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、高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 和自動駕駛系統(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 技術的無線網(wǎng)絡，未來的電動汽車將通過低壓網(wǎng)絡傳輸、通信和處理比今天的車輛更多的數(shù)據(jù)。汽車行業(yè)正在推動電池容量、續(xù)航里程、發(fā)動機功率和快速充電技術的發(fā)展，所有這些技術都使用高電流和功率水平。這些高功率/電流水平將發(fā)出強大的電磁場，需要在所有電氣組件的架構中加以解決。
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)絡的可靠和安全運行至關重要。逆變器以高功率和快速開關頻率運行，會產(chǎn)生快速的電壓和電流瞬變，這是傳導和輻射 EMI 的主要來源。
在 V2X 汽車通信應用中，無源元件也發(fā)揮著重要作用。無論半導體多么復雜，如果沒有 EMC 組件、瞬態(tài)保護、高頻連接器和天線，V2X 都不可能實現(xiàn)。
總結
汽車中的開關電源需要某種形式的輸入濾波才能通過 EMI 標準，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計架構中才能獲得標準批準。
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)設計師會使用不止一種方法，有些會使用多種或所有方法。上市時間對于這些汽車電源設計至關重要，必須在整體設計完全完成后進行 EMI 測試。
隨著我們從汽油動力汽車發(fā)展到電動汽車，再到自動駕駛汽車，我們需要修改和添加新的和創(chuàng)新的 EMI 緩解技術，以及時通過合規(guī)性測試。隨著我們涉足汽車電子的未來，更多的創(chuàng)新技術將會出現(xiàn)。
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