使用交错接地层改善隔离电源的噪声过滤

[导读]从历史上看，汽车电子设备一直由用于启动车辆的 12V 铅酸电池供电。即使在发电机运行且电池电缆断开时可能出现高达 42 V 的浪涌，电压仍保持在低于 60 V DC 的安全超低电压 (SELV) 范围内。因此，无需担心 PCB 导电迹线的间距，以避免汽车电路中的电击危险。

从历史上看，汽车电子设备一直由用于启动车辆的 12V 铅酸电池供电。即使在发电机运行且电池电缆断开时可能出现高达 42 V 的浪涌，电压仍保持在低于 60 V DC 的安全超低电压 (SELV) 范围内。因此，无需担心 PCB 导电迹线的间距，以避免汽车电路中的电击危险。

由于电动汽车 (EV) 电机需要更高的电压(400 V 或 800 V)才能运行，因此电击危险现在已成为汽车应用中的一个问题。同样严格的间距适用于连接到交流电源的电路和由市电供电的 SELV 电路之间的边界，现在也适用于连接到电动汽车中高压电池的电路和使用 12 个电源供电的 SELV 电路之间的边界。 -V系统，例如信息娱乐和车身电子设备(主要是照明)。

未通过 CISPR 25

在依靠高压电动汽车电池运行的牵引逆变器中，驱动高功率半导体开关所需的许多偏置电源均由低压 12V 系统供电。问题在于，这些隔离电源将大量共模噪声泵回到 12V 汽车电池线路中，导致它们无法满足汽车国际无线电扰动特殊委员会 (CISPR) 25 传导发射限制(该限制延伸至 108)兆赫。该噪声很大程度上是由偏置电源隔离变压器的初级和次级绕组之间的电容耦合的主开关波形驱动的。初级接地和次级接地之间具有高浪涌电压额定值的旁路电容器(Y 电容器)会形成一个小环路，以在很大程度上包含这种共模噪声，电池线上的共模滤波进一步降低了这种噪声，从而可以通过 CISPR 25 限制。

为了加强大多数传统汽车电路中使用的高压 EV 电池和低压 12V 电池系统之间的间距，共同目标是 8 毫米的间距。这将涵盖 400 V RMS、污染等级 2 和材料组 III;或 800 V RMS，相同污染等级 2，但材料组 I。

满足多层 PCB 的爬电距离和间隙要求

IEC 严格的间距要求是由暴露于污染空气的表面上的高压击穿(爬电)以及空气本身的击穿或电弧(间隙)驱动的。在桥接初级-次级屏障的组件(例如变压器或 IC)中，以及多层 PCB 的内层(无空气或湿气暴露)时，间距要求要小得多，只要屏障能够承受数千伏的高电压即可。 - 潜力测试。加固屏障应用中使用的 IC 的常见测试级别为 5 kV，这使得四层或多层 PCB 在内层上具有交错的初级和次级接地。内层内有间距要求，但与暴露在空气中的层的要求相比显着降低。对于某些应用程序，对于 800V 电池系统来说，1 毫米的间距就足够了。

使用隔离式 DC/DC 转换器进行演示

我们构建了两个板来演示UCC12051-Q1隔离式 DC/DC 转换器的发射性能与 CISPR 25 5 类限制的比较。该转换器专为 5V 输入和 5V 输出而设计，负载电流为 100mA，具有典型的电池线电磁干扰滤波器。一块板(未发布)在所有四层上的初级和次级之间的间距为 8 毫米，一块板允许在两个内层中交错初级和次级接地，初级和次级接地之间的间距为 1 毫米。从初级接地到次级接地的额外有效电容估计为 11 pF。 UCC12051-Q1 内部的隔离转换器以 8 MHz 开关，以确保 CISPR 25 关注的第一个频率是 32 MHz 的四次谐波。

图 1是隔离式 5V 参考设计原理图的片段，显示了一个 IC 隔离转换器，其初级地和次级地之间带有电容器，以抑制转换器隔离变压器产生的高频噪声。未发布的电路板与隔离式 5V 参考设计相同，只是缺少 PCB 层交错。

图 1隔离 5V 参考设计中 DC/DC 转换器的初级和次级接口，显示添加的旁路电容器 C100 和 C101 以及交错内层电容。

考虑到安全冗余的需要以及保持初级到次级总体间距的需要，我们串联放置了两个 Y 电容器(C100 和 C101)来桥接初级和次级接地。因此，有效电容是每个电容器值的一半。某些情况下需要三个串联电容器(330 pF 电容器)以保持必要的间距。

图2中，左图为未释放板，各层间距为8mm;右图是隔离式 5V 参考设计，顶层和底层的间距为 8 毫米，内层的间距仅为 1 毫米，从而使它们具有重叠的初级和次级接地层。

图 2：所有层上的 8 毫米间距(左)与仅顶层和底层上的 8 毫米间距(右)：顶层 - 红色;第2层为深绿色;第 3 层——浅蓝色;第 4 层——棕褐色;第 2 层和第 3 层重叠——浅绿色;任何层上都没有铜——黑色。

辐射发射与 CISPR 25

对于隔离式 5V 参考设计，我们预计这种交错(在初级地和次级地之间增加了 11pF 的电容)只会有助于提高 200MHz 以上的辐射发射。事实上，即使没有旁路电容器 C100 和 C101，交错层也允许辐射发射在所有高于 200 MHz 的频率下通过 CISPR 25 Class 5(图 3)。如果没有交错层，我们需要在初级和次级接地之间添加额外的 Y 电容器，以便在相同的频率范围内通过。

图 3 200 MHz 以上的辐射发射与 CISPR 25 Class 5 的比较，无需任何额外的 Y 电容器。此特定扫描未包含在隔离式 5V 参考设计测试报告中。该电路板以超过 10 dB 的余量通过了限制。

令人惊讶的是，针对 30 至 108 MHz 范围的滤波(C101 和 C102)及其严格的传导发射限制得到了显着增强。由于初级地和次级地之间有 110 pF 的有效附加电容，交错将整个 30 至 108 MHz 范围内的传导噪声降低了约 4 至 8 dB。在此频率范围内，交错将 4 dB 的失败转换为具有 4 dB 余量的通过。

传导发射与 CISPR 25

图 4和图 5显示了这两个板的传导发射扫描，唯一的区别是内层交错。两次扫描均在同一线路阻抗稳定网络 (LISN) 上进行，具有相同的共模电池线路滤波和相同的 5V 输出 100mA 负载。