Уменьшение электромагнитных помех в автомобильных системах с двумя аккумуляторами на 48/12 В

Традиционная архитектура автомобильных батарейных источников питания, в которой используются 12-В свинцово-кислотные аккумуляторы, исчерпала свои возможности в связи с постоянно растущими требованиями к мощности автомобильных систем, переходом от механических компонентов к электрическим для снижения веса автотранспортных средств и ужесточающимися экологическими нормами [1-3].

Для преодоления существующих ограничений автопроизводители разработали систему, обеспечивающую работу 12-В свинцово-кислотных аккумуляторов (для совместимости с существующими системами) в комбинации с 48-В литиево-ионными аккумуляторами. Напряжение 48 В позволяет работать с мощными нагрузками, к которым относятся элементы трансмиссии и шасси, системы безопасности, электроусилитель руля, системы стабилизации крена кузова и т. д.

Архитектура с двумя аккумуляторами 48/12 В, представленная на рис. 1а, улучшает эксплуатационные характеристики автомобилей с двигателем внутреннего сгорания, нивелирует издержки, обусловленные увеличением стоимости и веса систем с гибридной трансмиссией. Для восполнения энергии в 48-В аккумуляторе автомобиль оснащается интегрированным стартером-генератором (integrated starter-generator, ISG), или стартером-генератором с ременным приводом (belt starter-generator, BSG), который также позволяет экономить топливо, прежде предназначенное для поддержания высокого уровня напряжения в сети.

Рис. 1.
а) автомобильная архитектура с шинами 48 и 12 В с двумя аккумуляторами и высоковольтным двигателем-генератором;
б) диапазон напряжения 48-В аккумулятора в соответствии со стандартом LV 148

Понижающий DC/DC преобразователь [4] преобразует напряжение 48 В в 12 В для заряда и поддержания работы подключенных к 12-В аккумулятору систем, к которым относятся системы управления и зажигания, освещения, мультимедийные системы и др. В качестве альтернативы можно использовать понижающе-повышающий преобразователь напряжения совместно с предохранительными переключателями (safety switches) [5] для одновременной подачи напряжения на нагрузку с двух аккумуляторов сразу.

Уровни напряжения 48-В аккумулятора

Уровни и пределы напряжения при разных условиях эксплуатации для батареи 48 В (рис. 1б) установлены в автомобильных стандартах LV 148/VDA 320 [6] и ISO 21670. Динамический тест на перенапряжение E48-02 в LV 148 определяет максимальное напряжение до 70 В в течение не менее 40 мс. В случае перенапряжения эксплуатационные параметры системы не должны ухудшаться в течение всего интервала, определенного LV 148. Для поставщиков полупроводникового оборудования это значит, что все устройства, подключенные к батарее 48 В, должны выдержать напряжение 70 В на входе. Если же учесть то, что в автомобильной промышленности принято устанавливать дополнительный запас прочности в 10-20%, системы и компоненты на шине 48 В должны быть рассчитаны на входное напряжение величиной 100 В [3].

Проблемы с ЭМП автомобильного DC/DC-стабилизатора

Низкочастотные электромагнитные помехи источника питания относительно легко поддаются контролю с помощью обычного фильтра. Куда большее беспокойство вызывают помехи, возникающие из-за высоких скоростей нарастания, связанных со скачками тока и напряжения во время коммутации переключателей. Кроме того, проблемы с помехами могут возникнуть из-за недостаточного или слишком высокого уровня сигнала, а также дребезга контактов переключателя.

На рис. 2а показана схема понижающе-повышающего преобразователя напряжения с высоковольтным (HV) и низковольтным (LV) портами, обозначенными как BN48 и BN12, соответственно. На рис. 2б, в свою очередь, показан сигнал напряжения коммутатора при работе в режиме пониженной нагрузки. Частота переключения коммутатора колеблется в диапазоне 50-250 МГц в зависимости от величины паразитной индуктивности контура питания (L_LOOP) выходной емкости MOSFET (C_OSS) и собственной паразитной емкости индуктора (C_EPC). Помехи от высокочастотного переключения распространяются в ближнем поле [7], и их довольно трудно ослабить с помощью обычной фильтрации. Аналогичный эффект имеет обратное восстановление внутреннего диода MOSFET-транзистора, которое увеличивает напряжение коммутации, поскольку ток восстановления диода протекает в индуктивности паразитного контура.

Рис. 2.
а) схема понижающе-повышающего преобразователя напряжения;
б) сигнал напряжения на переключателе.
Эквивалентные схемы в моменты коммутации MOSFET в режиме:
в) понижающего и
г) повышающего преобразования

Таким образом, энергия, запасенная в паразитной индуктивности контура питания до коммутации MOSFET, обуславливает скачок напряжения на переключателе в момент коммутации. Она рассеивается в последующих затухающих колебаниях. Кроме того, компоненты демпфирующих цепей или ЭМП-фильтров, служащие для контроля выбросов энергии, в еще большей мере увеличивают потери мощности и стоимость устройства. Следовательно, сокращение паразитной индуктивности контура питания является основным способом уменьшить электромагнитные помехи и повысить общую эффективность устройства.

Влияние площади контуров на ЭМП

На рис. 3 показана схема, которая определяет ВЧ-контур понижающего или повышающего преобразователя напряжения. Из рисунка видно, что минимизация площади контура питания имеет большое значение благодаря пропорциональной минимизации величины паразитной индуктивности и, как следствие, соответствующего уменьшения магнитного поля и помех. Такая схема позволяет сдвинуть резонансную частоту паразитного LC-контура в область более высоких значений за счет меньшей паразитной индуктивности. В результате уменьшается суммарная запасенная реактивная энергия, пик напряжения при коммутации и звон.

Рис. 3. Контуры понижающе-повышающего преобразователя напряжения, оказывающие влияние на ЭМП

На рис. 3 также показаны контуры драйверов затвора MOSFET повышающей и понижающей стороны при коммутации. Корректная компоновка элементов силового каскада на печатной плате сведет к минимуму паразитные индуктивности контуров питания, драйвера затвора, и взаимные паразитные индуктивности станут минимальными [7–8].

Оптимизация печатной платы

На основе рис. 3 можно выделить следующие основные рекомендации по оптимальной компоновке элементов печатной платы.

Маршрутизация и размещение элементов

Цепь питания и ее компоненты следует располагать на верхнем слое печатной платы.

Не стоит размещать дорожки или индуктивность узла коммутатора на нижнем слое платы, где они могут навести ЭМП на другие части устройства.

Разработка цепи заземления

Заземляющий слой или цепь располагается как можно ближе к компонентам цепи питания на верхнем слое для подавления электромагнитных помех, уменьшения паразитной индуктивности и защиты от шума.

При проектировании задается минимальное расстояние по оси z между верхним слоем, где расположены элементы цепи питания, и вторым земляным слоем.

Межслойный интервал указывается на уровне 0,0254 мм (6 мил).

Развязывающие конденсаторы

Установка конденсаторов CBN48 уменьшает площадь контура питания (контур 1 на рис. 3). Контур классифицируется как горизонтальный или вертикальный в зависимости от расположения конденсаторов относительно MOSFET-транзисторов.

Участки соединения конденсаторов CBN48 и CBN12 с земляным слоем должны состоять из локализованных плоскостей.

В цепи должно присутствовать несколько соединений с земляным слоем или внешним заземлением.

Применяются керамические конденсаторы типоразмером 0402 или 0603 с низкой эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL), расположенные максимально близко к полевым MOSFET для минимизации паразитной индуктивности контура питания.

Расположение индуктивностей и узлов коммутатора

Индуктивности устанавливаются рядом с MOSFET транзисторами.

Следует минимизировать площадь медного покрытия в узле коммутатора, чтобы уменьшить емкостную связь и электромагнитные помехи. Медный слой должен покрывать только контактную площадку под индуктивностью, а отведенная под контакты MOSFET площадь минимальна.

Индуктивность выбирается не с выводными контактами, а с контактами, расположенными под корпусом.

Необходимо избегать больших вертикальных компонентов или их контактов, а также частей корпуса, которые могут работать в виде излучающей антенны.

Следует удостовериться, что конец обмотки индуктивности, связанный с узлом переключателя, находится внутри нее и он экранирован внешними витками обмотки, подключенной к 12-В шине. С этой целью проверяется точечное положение индуктивности на плате.

По возможности применяется экранированный индуктор, контакты экрана которого соединяются с земляным слоем.

Расположение драйвера затвора транзистора

Контроллер драйвера затвора устанавливается как можно ближе к силовому MOSFET.

Дорожки от контактов HO и SW MOSFET к транзистору создаются таким образом, чтобы площадь контура и расстояние до затвора и истока было минимальным (см. контур 2 на рис. 3).

Аналогично, длина дорожки от контакта LO до затвора MOSFET должна быть минимальной (см. контур 3 на рис. 3).

Связь между контурами питания и драйверов затворов минимизируется с помощью трассировки с использованием только вертикальных или горизонтальных проводников в цепи драйверов.

Снижение ЭМП

Применяется многослойная печатная плата с внутренними слоями заземления, что значительно уменьшает электромагнитные помехи по сравнению с двухслойной печатной платой.

Расчет трактов ВЧ-токов вблизи MOSFET-транзисторов должен предотвратить их возможное разрушение.

Следует рассмотреть вариант использования экранов в металлическом корпусе для оптимизации характеристик для обеспечения электромагнитной совместимости. Экран должен покрывать все компоненты цепи питания кроме фильтра электромагнитных помех и подключаться к земляному слою на печатной плате, образуя клетку Фарадея.

Примеры проектирования топологии печатной платы

На рис. 4 показаны два примера расположения компонентов на печатной плате. На рис. 4а транзистор, развязывающие конденсаторы и индуктивность установлены так, чтобы образовать горизонтальный контур. Цепь питания при этом находится на верхнем слое печатной платы, а контроллер – на нижнем. Такое расположение индуцирует экранирующий ток на земляном слое и снижает индуктивность паразитного контура.

Рис. 4. Примеры расположения компонентов на печатной плате понижающе-повышающего преобразователя напряжения

На рис. 4б представлена аналогичная схема, но с повернутым на 90° транзистором Q1. Такое расположение улучшает теплоотвод и позволяет удобнее установить конденсатор C_BN48–1 типоразмером 0603 рядом с транзистором для высокочастотной развязки. Кроме того, благодаря U-образной ориентации компонентов силового каскада разъединяющие конденсаторы порта LV расположены так, чтобы минимизировать расстояние между ними и MOSFET.

Печатная плата с улучшенной топологией

На рис. 5 показана плата с улучшенной расстановкой компонентов, что позволяет в еще большей мере сократить площадь контура питания и повысить эффективность схемы. Такая компоновка позволяет организовать параллельное подключение MOSFET, чтобы улучшить распределение тепла, что особенно актуально в приложениях с большим током. Кроме того, приведенная компоновка использует земляной слой для замыкания контура питания. Этот слой расположен под верхним слоем, что сокращает размеры платы. В то же время, при таком расположении компонентов токи, текущие в противоположных направлениях в вертикальном контуре, участвуют в самоподавлении поля, дополнительно уменьшая паразитную индуктивность.

Рис. 5. Схема силового каскада преобразователя напряжения с оптимизированной вертикальной конструкцией контура питания. Контроллер LM5146­Q1 100 В со встроенными драйверами затвора [4] расположен рядом с полевыми транзисторами для минимизации длины дорожек к драйверам

На рис. 6 демонстрируется принцип организации самоподавляющего контура в структуре многослойной печатной платы.

Рис. 6. Вид сбоку на печатную плату с топологией, показанной на рис. 5. На рисунке представлена четырехслойная печатная плата с оптимизированной площадью контура между слоями 1 и 2

Четыре керамических конденсатора C_BN48–1— C_BN48–4 типоразмерами 0402 или 0603 с малой эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) расположены очень близко к верхнему MOSFET между развязывающими конденсаторами C_BN48–5 и C_BN48–6 типоразмером 1210. Видны возвратные соединения этих конденсаторов с земляным слоем через несколько переходных отверстий диаметром 0,3 мм (12 мил). Земляной слой обеспечивает протекание тока под MOSFET к истоку по контуру с минимальной площадью.

Еще одним важным аспектом такой компоновки является то, что медная подложка узла коммутатора включает в себя только площадку индуктивности и небольшую площадку для контактов MOSFET. Земляной слой экранирует эту подложку со своей стороны. Расположение узлов SW и BST на одной стороне платы означает то, что переходы с высокими значениями dv/dt не оказывают влияния на компоненты, находящиеся на нижней стороне. Это позволяет сократить электромагнитные помехи и избежать неблагоприятных наводок. Наконец, использование двух керамических конденсаторов C_BN12–1 и C_BN12–2 с каждой стороны индуктивности оптимизирует токовые петли, а наличие двух параллельных обратных каналов от 12-В порта разделяет обратный ток на две части, помогая смягчить эффект «помех от земли» (ground bounce).

На рис. 7а показан сигнал напряжения в узле переключателя на плате с рис. 5. Это напряжение было измерено с помощью широкополосного датчика. Как видно, дребезг практически отсутствует — имеются только выбросы с малой амплитудой и незначительный выброс при замыкании, что предвещает малые электромагнитные помехи на частоте выше 50 МГц. Для сравнения, на рис. 7б приведены результаты аналогичного измерения с использованием той же схемы, но с расположением компонентов, как на рис. 4б. Пиковый сигнал на оптимизированной плате с рис. 5 ниже приблизительно на 4 В; при этом КПД больше на 0,25–0,5% в зависимости от нагрузки [9].

Рис. 7. Сигналы напряжения коммутационного узла при VV48 = 48 В и IV12 = 10 A:
а) оптимизированная схема;
б) схема с горизонтальным контуром

На рис. 8 показаны кондуктивные помехи, измеренные в диапазоне 150 кГц—108 МГц в режиме понижающего преобразователя при нагрузке 10 А на контакте LV. При тестировании использовался анализатор спектра Rohde & Schwarz; пиковые и средние результаты сканирования обозначены желтым и синим цветом, соответственно. Результаты соответствуют требованиям, предъявляемым CISPR 25 к классу 5. Линии, обозначенные красным цветом, — максимальные и средние предельные значения 5-го класса.

Рис. 8. Результаты тестирования на кондуктивные помехи в диапазонах:
а) 150 кГц—30 МГц;
б) 30—108 МГц

Силовые агрегаты мягких гибридных электромобилей (mild hybrid electric vehicles) накапливают энергию в 48-В аккумуляторе, используя ее для управления двигателем и вспомогательными электрическими устройствами, а также для питания 12-В систем.

Мы рассмотрели схемы и такие варианты расположения компонентов системы питания, которые позволяют уменьшить уровни электромагнитных помех в автомобильных стабилизаторах постоянного напряжения, в которых используется контроллер с внешними силовыми MOSFET.

Итак, для снижения ЭМП следует минимизировать площади контуров; использовать многослойные печатные платы с внутренними земляными слоями для экранирования; минимизировать длины дорожек, избегать прямых углов при соединении контактов; свести к минимуму размеры контактных площадок в коммутационных узлах.

Оптимизация топологии печатной платы может значительно снизить паразитную индуктивность схемы, улучшить характеристику электромагнитных помех стабилизатора, повысить эффективность системы, а также уменьшить скачки напряжения на переключателях.