阻止 EMI 在 EV 设计中传播

电磁兼容性 (EMC) 长期以来一直是设计工程师的祸根，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的，电子设备通过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化为机械运动。这些高压汽车系统很容易引起 EMC 问题。幸运的是，有几种经过验证的可靠技术可以降低隔离系统中的 EMC，而且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 是车辆最常见的 EMC 标准，规定了 EMI 和抗扰度要求。

抗扰度是指设备在存在干扰的情况下正确运行的能力。降低设备的 EMI 通常可以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，让免疫力自然发挥作用。

在 CISPR 25 中，EMI 分为传导发射限值和辐射发射限值。两者之间的差异是相当直观的。传导 EMI 通过电源、信号或其他连接电缆从一个设备传播到另一设备。另一方面，辐射 EMI 会穿过电磁场干扰其他设备。 CISPR 25 的 EMI 标准可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引起 EMI，因此绝大多数电路都使用差模电流来工作。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更长的替代路径返回源并产生共模电流。

共模电流会在两个导体中产生不平衡，从而导致辐射发射。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。

隔离对 EMI 有帮助，也有坏处

隔离，尤其是数字隔离，是实现电动汽车革命的基本技术之一。隔离设备允许跨越分隔高压域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。

这种高阻抗路径会产生仅一侧存在的电压大幅变化引起的共模电流问题。这些感应电流必须找到一条返回源头的路径，并且由于隔离栅的存在，它们所采用的路径通常很长、定义不明确且阻抗较高。这些路径的环路面积较大，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：选择可最大限度减少传输的隔离器

数字隔离器利用 CMOS 技术创建隔离屏障并通过它们传输信号。使用高频射频信号跨越这些障碍物传输信号。在许多数字隔离器中，默认输出配置决定射频发射器何时激活。如果隔离器发送的信号通常为高或低，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。

SPI 总线配置的默认低隔离器和默认高隔离器之间的差异。选择正确的数字隔离器后，隔离设备周围的组件现在可以针对 EMI 进行优化。

方法 2：选择正确的旁路电容

事实上，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 性能产生巨大影响。旁路电容器通过在瞬态负载期间向器件提供额外电流，帮助减少电源轨上的噪声尖峰。此外，旁路电容器会将交流噪声接地短路，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而降低。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会提高自谐振频率以及电容器阻抗开始增加的频率。

一般来说，尺寸较小的电容器(例如 0402)的 ESL 较低，因为 ESL 取决于电容器两端之间的距离。反向几何电容器可提供更低的 ESL。然而，即使 ESL 尽可能最低，旁路电容器的放置也起着至关重要的作用。

方法 3：优化旁路电容器放置

正确放置旁路电容器与选择低 ESL 的旁路电容器同样重要，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，因此短而宽的走线是理想的选择。此外，数字隔离器接地引脚的返回路径的长度会增加额外的串联电感。

只需将电容器旋转到靠近电源和接地引脚通常会缩短返回路径长度。旁路电容器的理想和非理想放置。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满足 CISPR 25 及更高标准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。

随着电动汽车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，高压隔离汽车系统将能够满足当今和未来的 EMI 要求。