長期以來，設計兼容性一直困擾著電磁兼容性（EMC），這一直是電動汽車（EV）以及混合電動汽車和（HEV）系統(tǒng)的主要問題。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機（ICE）車輛本質(zhì)上是機械的，而電子設備則通過螺栓固定在機械動力裝置上。但是，EV和HEV卻大不相同。

使用高壓電池，電動機和充電器將電能轉(zhuǎn)換為機械運動。這些高壓汽車系統(tǒng)很容易引起EMC問題。幸運的是，有多種減少隔離系統(tǒng)中的EMC的可靠技術，而且其中許多都是免費的。

EMI的語言

在著手改善EMI之前，必須先了解標準和測試中使用的基本術語。EMC指的是設備的抗擾性和發(fā)射，而電磁干擾（EMI）僅關注設備的發(fā)射。CISPR 25是用于車輛的最常見的EMC標準，同時規(guī)定了EMI和抗擾性要求。

抗干擾能力是設備在存在干擾的情況下正確運行的能力。降低設備的EMI通常可以提高其對外界干擾的抗擾性，因此許多設計人員主要致力于降低EMI并讓抗擾性得到照顧。

在CISPR 25中，EMI分為傳導和輻射發(fā)射限值。兩者之間的區(qū)別非常直觀。傳導的EMI通過電源，信號線或其他連接的電纜從一臺設備傳播到另一臺設備。另一方面，輻射EMI穿過電磁場傳播，從而干擾另一個設備。CISPR 25的EMI標準確保在特定測試條件下傳導和輻射的發(fā)射低于指定閾值，以減少車輛系統(tǒng)相互干擾的機會。

共模是共同的敵人

任何EMI討論的核心都是差模電流和共模電流。由于共模電流通常會引起EMI，因此絕大多數(shù)電路都使用差模電流工作。圖1說明了平衡差分信號，其中包括用于返回電流的專用導體。不幸的是，返回電流通常會找到一條替代的，更長的返回源的路徑，并產(chǎn)生一個共模電流。

圖1平衡差模電流具有用于返回電流的專用導體。資料來源：Silicon Labs

共模電流在兩個導體中造成不平衡，從而導致輻射發(fā)射，如圖2所示。幸運的是，可以通過一些設計改進來減少許多共模電流。然而，在探索這些方法之前，高壓車輛系統(tǒng)還存在其他隔離挑戰(zhàn)。

圖2平衡差分信號系統(tǒng)中顯示的共模電流。資料來源：Silicon Labs

隔離有助于并減輕EMI

隔離，尤其是數(shù)字隔離，是推動電動汽車革命的基本技術之一。隔離設備允許跨越分隔高電壓域和低電壓域的高阻抗勢壘進行安全通信和發(fā)信號。這些電源域的分離在兩個電路之間創(chuàng)建了高阻抗路徑，如圖3所示。

圖3隔離會在系統(tǒng)中的兩個接地之間產(chǎn)生非常高的阻抗，從而有效消除了它們之間的電氣連接。資料來源：Silicon Labs

這種高阻抗路徑會給共模電流帶來一個問題，該共模電流是由僅在一側(cè)存在的較大電壓變化引起的。這些感應電流必須找到返回其源極的路徑，并且由于存在隔離柵，它們所采用的路徑通常較長，定義不清且具有高阻抗。這些路徑的較大環(huán)路面積導致輻射發(fā)射增加。值得慶幸的是，可以通過使用傳統(tǒng)的EMI最佳實踐并針對數(shù)字隔離器進行一些修改來減少此問題和其他EMI問題。

降低EMI的三種簡單方法

方法1：選擇使傳輸最小化的隔離器

數(shù)字隔離器利用CMOS技術創(chuàng)建隔離屏障并在隔離屏障上傳輸信號。使用高頻RF信號跨這些屏障傳輸信號。在許多數(shù)字隔離器中，默認輸出配置確定何時激活RF發(fā)射機。如果隔離器發(fā)送的信號通常為高電平或低電平，則只需選擇匹配的默認輸出狀態(tài)將使傳輸最小化，從而降低EMI和功耗。

圖4對于所示的總線活動，默認的高數(shù)字隔離器具有較少的內(nèi)部RF傳輸。資料來源：Silicon Labs

圖4說明了SPI總線配置的默認低隔離器和默認高隔離器之間的差異。選擇適當?shù)臄?shù)字隔離器后，隔離設備周圍的組件現(xiàn)在可以針對EMI進行優(yōu)化。

方法2：選擇正確的旁路電容器

幾乎每個數(shù)字隔離器都指定在電源引腳上使用旁路電容器，這些旁路電容器對系統(tǒng)的EMI性能產(chǎn)生巨大影響。旁路電容器通過在瞬態(tài)負載期間向器件提供額外的電流來幫助減少電源軌上的噪聲尖峰。此外，旁路電容器將交流噪聲對地短路，并防止其進入數(shù)字隔離器。

理想情況下，電容器的阻抗會隨頻率降低。然而，在現(xiàn)實世界中，由于有效串聯(lián)電感（ESL），電容器的阻抗在自諧振頻率處開始增加。如圖5所示，減小電容器的ESL會提高自諧振頻率，并且電容器的阻抗開始增加。

圖5實際電容模型以及非理想電容中的阻抗與頻率的關系。資料來源：Silicon Labs

通常，較小尺寸的電容器（例如0402）將具有較低的ESL，因為ESL取決于兩個電容器末端之間的距離。反幾何電容器可提供更低的ESL，如圖6所示。盡管如此，即使采用最低的ESL，旁路電容器的放置也起著至關重要的作用。

圖6反幾何電容器（右）提供的ESL低于標準電容器（左）。資料來源：Silicon Labs

方法3：優(yōu)化旁路電容器的位置

正確放置旁路電容器與選擇低ESL電容器一樣重要，因為PCB上的走線和過孔會引入串聯(lián)電感。走線的串聯(lián)電感會隨著長度的增加而增加，因此理想的是短走線和寬走線。同樣，到數(shù)字隔離器的接地引腳的返回路徑的長度會增加附加的串聯(lián)電感。

簡單地旋轉(zhuǎn)電容器使其靠近電源引腳和接地引腳，通常會減小返回路徑的長度。圖7說明了旁路電容器的理想位置和非理想位置。使用這些技術選擇低ESL電容器并優(yōu)化PCB設計將最大程度地降低旁路電容器的EMI。

圖7比較理想和非理想旁路電容器的位置。資料來源：Silicon Labs

這些基本的EMI降低原理和技術為設計滿足CISPR 25及更高要求的汽車系統(tǒng)提供了基礎。隨著越來越多的車輛系統(tǒng)添加復雜的電子設備以及電動汽車變得越來越先進，EMI將繼續(xù)成為主要關注的問題。

隨著電動汽車系統(tǒng)采用更高的電壓來提高效率，對隔離的需求還將繼續(xù)增加。通過考慮EMI并預先應用最佳實踐，高壓隔離汽車系統(tǒng)將隨時可以滿足當今和未來的EMI要求。

Charlie Ice是Silicon Labs的高級產(chǎn)品經(jīng)理，專注于該公司的以太網(wǎng)供電（PoE）產(chǎn)品線。

編輯：hfy