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汽車電子系統中的電磁干擾緩解技術如何部署?

更新時間:2024-04-24瀏覽:178次

電磁干擾 (EMI) 緩解技術與車輛系統架構的最佳性能息息相關。車輛中的關鍵區域可能會受到 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/電子系統的核心。

這里將介紹 EMI 濾波和其他系統技術,這些技術可以集成到系統架構中,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的 EMI 標準測試。

排放標準

汽車行業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)在產品設計中至關重要。例如,兩個要求是確保電子系統不會發出過多的 EMI 或噪聲,并且不受其他系統發出的噪聲的影響。

實現合規性所需的努力會影響產品開發成本和上市時間。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生的干擾,例如電源設計中的開關穩壓器。

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 降低到能夠通過產品使用地區或國家/地區的 EMI 標準的設計工作對于創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。

開關穩壓器通常是汽車系統內部或外部產生 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。當電流在回路內變化時,它會產生一個成比例的電壓。該環路具有自感,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路面積,這將降低環路電感。電源 IC 可以并聯使用兩個輸入回路,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換器,其中包含針對 EMI 識別的關鍵環路和跡線。

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點或振蕩器盡可能遠離 PCB 上的敏感節點。良好的接地區域或平面還可以用作與噪聲區域或元件(如開關節點/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 的分立降壓穩壓器的設計。通過添加柵極電阻器可以減慢到 FET 的驅動信號,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。仔細規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換器通過該電源轉換器內的開關電源設備輻射?,F代電源中更高的開關頻率以及減小電源轉換器物理尺寸的努力是汽車中 EMI 的主要貢獻者。

汽車降壓轉換器中的傳導 EMI

設計人員可能會發現,通過 CISPR 25 Class 5 中的 FM 頻段限制非常具有挑戰性。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,但這會增加系統成本。

在降壓轉換器的輸入端使用 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,的組件是最重要的??梢詫⑵瑺铊F氧體磁珠設計到電子系統中,實現高達 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 (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,例如聯網車輛、信息娛 樂、高級駕駛輔助系統 (ADAS) 和自動駕駛系統中的系統。EMI 管理在這些系統中尤為重要。

車聯網 (V2X) 中的EMI

通過使用 5G 和 V2X 技術的無線網絡,未來的電動汽車將通過低壓網絡傳輸、通信和處理比今天的車輛更多的數據。汽車行業正在推動電池容量、續航里程、發動機功率和快速充電技術的發展,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,無源元件也發揮著重要作用。無論半導體多么復雜,如果沒有 EMC 組件、瞬態保護、高頻連接器和天線,V2X 都不可能實現。

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 或其他地區的 EMI 法規。本文還討論了將汽車中的 EMI 降至的其他形式,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 對汽車電子產品的侵蝕。大多數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,必須在整體設完成后進行 EMI 測試。

隨著我們從汽油動力汽車發展到電動汽車,再到自動駕駛汽車,我們需要修改和添加新的和創新的 EMI 緩解技術,以及時通過合規性測試。隨著我們涉足汽車電子的未來,更多的創新技術將會出現。


 

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