阻止 EMI 在 EV 设计中传播

长期以来，电磁兼容性 (EMC) 一直是设计工程师的祸根，它仍然是电动汽车 (EV) 和混合动力电动汽车和 (HEV) 系统的主要关注点。传统的内燃机 (ICE) 车辆本质上主要是机械式的，电子设备用螺栓固定在机械动力装置上。然而，电动汽车和混合动力汽车有很大不同。

使用高压电池、电机和充电器将电能转换为机械运动。这些高压汽车系统很容易引起 EMC 问题。幸运的是，有几种经过验证的真正技术可用于降低隔离系统中的 EMC，其中许多技术无需额外成本。

EMI 的语言

在解决 EMI 改进问题之前，必须了解标准和测试中使用的基本术语。EMC 指的是设备的抗扰度和辐射，而电磁干扰 (EMI) 仅关注设备的辐射。CISPR 25 是车辆最常用的 EMC 标准，规定了 EMI 和抗扰度要求。

抗扰性是设备在存在干扰的情况下正确运行的能力。降低设备的 EMI 通常会提高其对外部干扰的免疫力，因此许多设计人员主要关注降低 EMI 并让免疫力自行解决。

在 CISPR 25 中，EMI 分为传导和辐射发射限值。两者之间的区别相当直观。传导 EMI 通过电源、信号或其他连接的电缆从一个设备传播到另一个设备。另一方面，辐射 EMI 会穿过电磁场干扰另一台设备。CISPR 25 的 EMI 标准确保在特定测试条件下传导和辐射发射低于指定阈值，以减少车辆系统相互干扰的机会。

共模是共同的敌人

任何 EMI 讨论的核心都是差模和共模电流。由于共模电流通常会导致 EMI，因此绝大多数电路使用差模电流运行。平衡差分信号，其中包括用于返回电流的专用导体。不幸的是，返回电流通常会找到一条替代的、更长的路径返回源头并产生共模电流。

共模电流在导致辐射发射的两个导体中产生不平衡。幸运的是，通过一些设计改进可以减少许多共模电流。然而，在探索这些方法之前，还存在与高压车辆系统相关的额外隔离挑战。

隔离有助于和伤害 EMI

隔离，尤其是数字隔离，是实现电动汽车革命的基础技术之一。隔离器件允许跨越分隔高压和低压域的高阻抗屏障进行安全通信和信号传输。这些电源域的分离在两个电路之间创建了一条高阻抗路径。

这种高阻抗路径对仅在一侧存在的电压的大变化引起的共模电流产生了问题。这些感应电流必须找到返回其源头的路径，并且由于隔离栅，它们所走的路径通常很长、定义不明确且具有高阻抗。这些路径的大环路面积会导致辐射发射增加。值得庆幸的是，通过使用传统的 EMI 最佳实践并针对数字隔离器进行一些修改，可以减少此问题和其他 EMI 问题。

降低 EMI 的三种简单方法

方法 1：选择最小化传输的隔离器

数字隔离器利用 CMOS 技术创建隔离屏障并在其间传输信号。使用高频射频信号通过这些屏障传输信号。在许多数字隔离器中，默认输出配置决定了射频发射器何时激活。如果隔离器发送的信号通常为高电平或低电平，只需选择匹配的默认输出状态即可最大限度地减少传输，从而降低 EMI 和功耗。说明了 SPI 总线配置的默认低电平和默认高电平隔离器之间的区别。选择合适的数字隔离器后，隔离设备周围的组件现在可以针对 EMI 进行优化。

方法二：选择正确的旁路电容

几乎每个数字隔离器都指定在电源引脚上使用旁路电容器，这些对系统的 EMI 性能有巨大影响。旁路电容器通过在瞬态负载期间向器件提供额外电流来帮助减少电源轨上的噪声尖峰。此外，旁路电容器将交流噪声短接到地，并防止其进入数字隔离器。

理想情况下，电容器的阻抗随频率降低。然而，在现实世界中，由于有效串联电感 (ESL)，电容器的阻抗在自谐振频率处开始增加。降低电容器的 ESL 会提高自谐振频率和电容器阻抗开始增加的频率。

一般来说，较小尺寸的电容器，例如 0402，将具有较低的 ESL，因为 ESL 取决于两个电容器端之间的距离。反向几何电容器提供更低的 ESL。然而，即使 ESL 尽可能低，旁路电容器的放置也起着至关重要的作用。

方法 3：优化旁路电容布局

正确放置旁路电容与选择低 ESL 的电容同样重要，因为 PCB 上的走线和过孔会引入串联电感。走线的串联电感随着长度的增加而增加，因此适合短而宽的走线。此外，数字隔离器接地引脚的返回路径长度增加了额外的串联电感。

简单地将电容器旋转到靠近电源和接地引脚的位置通常会缩短返回路径长度。说明了旁路电容器的理想和非理想位置。使用这些技术来选择低 ESL 电容器并优化 PCB 设计将最大限度地降低旁路电容器的 EMI。

这些基本的 EMI 降低原理和技术为设计能够满足 CISPR 25 及更高标准的严格要求的汽车系统奠定了基础。随着越来越多的车辆系统添加了复杂的电子设备以及电动汽车变得更加先进，EMI 将继续成为主要问题。

随着 EV 系统采用更高的电压来提高效率，对隔离的需求也将继续增加。通过预先考虑 EMI 并应用最佳实践，高压隔离式汽车系统将准备好满足当今和未来的 EMI 要求。