电磁干扰缓解技术在汽车电子系统中如何部署

电磁干扰 (EMI) 缓解技术与车辆系统架构的最佳性能息息相关。车辆中的关键区域可能会受到 EMI 的严重影响并导致电子电路性能不佳，尤其是在汽车电源中，这是整个车辆电气/电子系统的核心。

这里将介绍 EMI 滤波和其他系统技术，这些技术可以集成到系统架构中，以最大限度地减少传导和辐射的 RF EMI 干扰。这些应该有助于设计人员通过各自地区的 EMI 标准测试。

排放标准

汽车行业和个别汽车制造商必须满足各种电磁兼容性 (EMC) 要求。符合 EMC 标准（汽车应用的 CISPR 25）在产品设计中至关重要。例如，两个要求是确保电子系统不会发出过多的 EMI 或噪声，并且不受其他系统发出的噪声的影响。

实现合规性所需的努力会影响产品开发成本和上市时间。CISPR 25 是针对无线电干扰特性的车辆和设备最严格的国际排放标准之一。这些限制和测量方法旨在保护板载接收器免受组件产生的干扰，例如电源设计中的开关稳压器。

设计人员在开始电源设计之前需要充分了解 CISPR 和其他发射标准。

电磁干扰的类型

为了降低设计中的 EMI，工程师首先必须了解 EMI 如何传播到设计中。EMI 有两个主要类别——传导和辐射——这会导致更长的设计上市时间和增加的成本。将 EMI 降低到能够通过产品使用地区或国家/地区的 EMI 标准的设计工作对于创建成功的功能设计至关重要。

传导 EMI 通常通过电缆和物理导体耦合，例如电源连接、寄生阻抗以及接地连接。由于电场（电容耦合）或磁场（磁耦合），辐射 EMI 通过空气通过无线电传输源耦合。

开关稳压器通常是汽车系统内部或外部产生 EMI 的罪魁祸首之一。

电磁干扰的起源

电子电路通常有电流从电源流向负载并在回路中返回电源。环路具有电感和通过组件、电线或 PCB 走线的变化电流。当电流在回路内变化时，它会产生一个成比例的电压。该环路具有自感，并且由于负载中的电流需求，电流变化率为 di/dt。当电流在回路中快速变化时，会产生电压尖峰。

为了最大限度地减少尖峰，设计人员可以缩小环路面积，这将降低环路电感。电源 IC 可以并联使用两个输入回路，从而有效地减少了一半的寄生回路电感5 （图 1）。设计人员可以使用战略性地靠近 IC 和其他设备放置的旁路电容器，以最大限度地减少 EMI。

图1. 此示意图显示了一个简化的同步降压转换器，其中包含针对 EMI 识别的关键环路和迹线。

良好的接地层将为旁路电容器等组件提供低阻抗路径。设计人员可以使嘈杂的开关节点或振荡器尽可能远离 PCB 上的敏感节点。良好的接地区域或平面还可以用作与噪声区域或元件（如开关节点/功率晶体管、高 di/dt 电容器和电感器）的屏蔽或物理隔离。

其他一些方法也将有助于减少回路中的辐射。一个例子是使用带有开关功率 FET 的分立降压稳压器的设计。通过添加栅极电阻器可以减慢到 FET 的驱动信号，这可能有助于满足严格的汽车辐射标准。这种方法的缺点是设计现在失去了一些效率，增加了一个组件，并增加了电路板占用空间。

汽车线束中的 EMI

先进的汽车电子控制技术导致车辆中增加了电子设备。车辆中的频率和功率逐渐增加，营造出更密集的电磁波氛围。这将极大地促进车辆中的 EMI，从而干扰电气/电子设备并可能损坏电气/电子组件。

汽车线束是汽车中 EMI 的最大贡献者之一，也可能受到 EMI 的影响。

设计人员可以采取一些措施，通过屏蔽源设备及其各自的线束来最小化 EMI 影响。通过添加改进的滤波器，可以将较长线束中的传导和辐射 EMI 降至最低。仔细规划线束也有助于将低功率电路布置在靠近信号源的位置，将高功率干扰电路布置在靠近负载的位置。

改进的接地技术也将有助于降低汽车线束中的 EMI。屏蔽线束并连接到车身是减少EMI干扰的好方法。

减少汽车中的辐射和传导 EMI

图2. 该图像说明了感兴趣的 EMI 频带以及可能的缓解技术。

汽车非隔离电源转换器中的辐射 EMI

辐射 EMI 是由车辆电源电缆中的共模噪声引起的，它会辐射到车辆空间中。这种噪声主要由非隔离式电源转换器通过该电源转换器内的开关电源设备辐射。现代电源中更高的开关频率以及减小电源转换器物理尺寸的努力是汽车中 EMI 的主要贡献者。

汽车降压转换器中的传导 EMI

设计人员可能会发现，通过 CISPR 25 Class 5 中的 FM 频段限制非常具有挑战性。那是因为 EMI 滤波器在高频下会变差。近场耦合也会降低 EMI 滤波器的性能，因为高频噪声会产生强大的磁场和电场，这些磁场和电场会耦合到 EMI 滤波器的输入端。

设计师可能想尝试的一些解决方案包括：

通过添加启动电阻或缓冲器，或降低开关频率来减少噪声源（这将减少噪声源的高频谐波）。

通过尽可能少地放置 PCB SW 铜来减少电源开关 (SW) 电容寄生效应，同时还要考虑散热。

添加屏蔽外壳将减少电场耦合。

添加滤波器组件——可以加入共模扼流圈，但这会增加系统成本。

在降压转换器的输入端使用 EMI 滤波器以及仔细的布局也会有所帮助。铁屏蔽箱可以作为最后的手段。

有助于最小化 EMI 的组件

通常，最简单的组件是最重要的。可以将片状铁氧体磁珠设计到电子系统中，实现高达 85°C 的全电流处理。铁氧体磁珠的小尺寸使它们即使在人口最密集的 PCB 中也能提供 EMI 保护。

EMI 抑制薄膜电容器符合 AEC-Q200（修订版 D）和 IEC 60384-14：2013/AMD1：2016 级 IIB 质量标准，可用作汽车电源逆变器的 EMC 滤波器。

电动汽车中的 EMI

电动动力系统 (EPT) 是宽带、高电平 EMI 的主要贡献者。它将侵入易受影响的电子和射频系统，例如联网车辆、信息娱 乐、高级驾驶辅助系统 (ADAS) 和自动驾驶系统中的系统。EMI 管理在这些系统中尤为重要。

车联网 (V2X) 中的EMI

通过使用 5G 和 V2X 技术的无线网络，未来的电动汽车将通过低压网络传输、通信和处理比今天的车辆更多的数据。汽车行业正在推动电池容量、续航里程、发动机功率和快速充电技术的发展，所有这些技术都使用高电流和功率水平。这些高功率/电流水平将发出强大的电磁场，需要在所有电气组件的架构中加以解决。

由于 EPT 中存在电源逆变器，EMI 缓解对于具有潜在敏感电子和射频单元的低压网络的可靠和安全运行至关重要。逆变器以高功率和快速开关频率运行，会产生快速的电压和电流瞬变，这是传导和辐射 EMI 的主要来源。

在 V2X 汽车通信应用中，无源元件也发挥着重要作用。无论半导体多么复杂，如果没有 EMC 组件、瞬态保护、高频连接器和天线，V2X 都不可能实现。

总结

汽车中的开关电源需要某种形式的输入滤波才能通过 EMI 标准，例如 CISPR 25 或其他地区的 EMI 法规。本文还讨论了将汽车中的 EMI 降至最低的其他形式，并且很可能需要将其整合到许多设计架构中才能获得标准批准。

有很多方法可以帮助抑制 EMI 对汽车电子产品的侵蚀。大多数设计师会使用不止一种方法，有些会使用多种或所有方法。上市时间对于这些汽车电源设计至关重要，必须在整体设计完全完成后进行 EMI 测试。

随着我们从汽油动力汽车发展到电动汽车，再到自动驾驶汽车，我们需要修改和添加新的和创新的 EMI 缓解技术，以及时通过合规性测试。随着我们涉足汽车电子的未来，更多的创新技术将会出现。