Некоторые способы уменьшения электромагнитных помех

Базовые понятия в отношении ЭМП

Сначала определим основные термины, используемые в стандартах и испытаниях. ЭМС характеризует устройство как источник помех, а также его невосприимчивость к электромагнитному излучению, тогда как электромагнитные помехи (ЭМП) определяют только излучение устройства. Требования к электромагнитным помехам и помехоустойчивости определяет CISPR 25 — самый распространенный стандарт электромагнитной совместимости, используемый для автотранспортных средств.

Помехоустойчивость — способность устройства правильно работать при наличии помех. Поскольку снижение ЭМП обычно повышает невосприимчивость устройства к внешним помехам, многие разработчики, в первую очередь, пытаются уменьшить электромагнитные помехи, рассчитывая таким образом обеспечить и помехоустойчивость.

Стандарт CISPR 25 ЭМП задает предельные значения кондуктивных и излучаемых помех. Разница между ними интуитивно понятна. Кондуктивные электромагнитные помехи передаются от одного устройства к другому через силовые, сигнальные или другие подключенные кабели, тогда как излучаемые электромагнитные помехи поступают от одного устройства в другое через электромагнитные поля. Стандарт CISPR 25 гарантирует, что уровень кондуктивных и излучаемых помех находится ниже установленного порогового значения при определенных условиях испытаний, благодаря чему уменьшается вероятность появления помех между автотранспортными системами.

Синфазный режим

Центральное место при учете ЭМП занимают дифференциальные и синфазные токи. Поскольку синфазные токи часто вызывают электромагнитные помехи, подавляющее большинство схем передает сигнал по дифференциальным линиям. На рис. 1 показана сбалансированная дифференциальная линия передачи сигналов с проводником для обратного тока. К сожалению, обратный ток часто находит альтернативный, более длинный путь к источнику сигналов, создавая синфазный ток.

Рис. 1. В сбалансированной дифференциальной линии имеется специальный проводник для обратного тока

Синфазный ток создает дисбаланс в двух проводниках, что приводит к возникновению излучаемых помех, как видно из рис. 2. К счастью, многие синфазные токи можно уменьшить, усовершенствовав схему. Однако прежде чем исследовать эти методы, необходимо учесть дополнительные проблемы изоляции, связанные с высоковольтными системами автотранспортных средств.

Рис. 2. Синфазный ток в сбалансированной дифференциальной линии передачи

Гальваническое разделение цепей

Гальваническое разделение цепей, в частности цифровых сигналов, является одной из основных технологий, способствующих совершенствованию электронных систем электромобилей. Изолирующие устройства обеспечивают безопасную связь и передачу сигналов через высокоимпедансные барьеры между областями высокого и низкого напряжения. Разделение этих силовых зон создает путь с высоким импедансом между двумя схемами (рис. 3).

Рис. 3. Изоляция создает высокоимпедансный тракт между двумя заземлениями в системе, эффективно устраняя электрическое соединение между ними

Высокоимпедансный тракт затрудняет прохождение синфазных токов, вызванных большими изменениями напряжения в одной области. Эти индуцированные токи должны найти путь к своему источнику. Благодаря изоляционному барьеру тракты, по которым текут эти токи, часто бывают длинными, плохо определенными и имеют высокий импеданс. Большие площади контуров увеличивают излучаемые помехи. К счастью, эту и другие проблемы с электромагнитными помехами можно частично решить, используя традиционные методы подавления ЭМП с учетом особенностей цифровых изоляторов.

Три простых метода борьбы с ЭМП

Метод 1. Использование изолятора

В цифровых изоляторах используется КМОП-технология для создания изолирующих барьеров. Через них сигналы передаются посредством высокочастотной модуляции с последующей демодуляцией. Во многих случаях цифровой изолятор по умолчанию активен.

На рис. 4 показана разница между изолятором с низким и высоким уровнями в конфигурации с шиной SPI. После правильного выбора цифрового изолятора компоненты вокруг изолирующего устройства оптимизируются для защиты от электромагнитных помех.

Рис. 4. Временная диаграмма работы цифрового изолятора при активном верхнем и нижнем уровнях сигнала CS

Метод 2. Использование шунтирующих конденсаторов

Практически каждый цифровой изолятор требует использования шунтирующих конденсаторов на выводах питания. Эти компоненты имеют огромное влияние на характеристики системы по электромагнитным помехам. Шунтирующие конденсаторы уменьшают всплески шума на шинах питания, подавая дополнительный ток на устройство во время нагрузок в переходных процессах. Кроме того, шунтирующие конденсаторы направляют шум переменного тока на землю и предотвращают его попадание в цифровой изолятор.

В идеальном случае импеданс конденсатора уменьшается с увеличением частоты. Однако на практике он возрастает на собственной резонансной частоте из-за эффективной последовательной индуктивности (ESL). Как видно из рис. 5, с уменьшением величины ESL конденсатора растет собственная резонансная частота и частота, при которой его импеданс начинает увеличиваться.

Рис. 5.
а) Реальная модель конденсатора;
б) зависимость импеданса неидеального конденсатора от частоты

Как правило, у конденсатора меньшего размера, например 0402, — ниже величина ESL, поскольку она зависит от расстояния между двумя торцами компонента. У конденсаторов с обратной геометрией величина ESL еще меньше (рис. 6). Тем не менее, даже при минимально возможной ESL наличие шунтирующего конденсатора играет решающую роль.

Рис. 6. У конденсаторов с обратной геометрией (справа) меньше величина ESL, чем у стандартных конденсаторов (слева)

Метод 3. Оптимальное размещение шунтирующих конденсаторов

Правильное размещение шунтирующих конденсаторов так же важно, как и выбор конденсаторов с малой величиной ESL, поскольку проводники и сквозные переходные отверстия на печатной плате создают последовательные индуктивности. Поскольку эти индуктивности увеличиваются с длиной проводников, идеальными являются короткие и широкие проводники. Кроме того, величина ESL возрастает из-за обратного тракта, направленного в сторону заземляющего контакта цифрового изолятора.

Конденсатор, установленный рядом с выводами питания и заземления, часто позволяет уменьшить длину обратного тракта. На рис. 7 показано идеальное и неидеальное размещение шунтирующих конденсаторов. Использование этих методов при выборе конденсаторов с низким значением ESL и оптимизация схемы печатной платы позволяет в максимальной степени снизить ЭМП от шунтирующих конденсаторов.

Рис. 7. Сравнение идеального и неидеального размещения шунтирующих конденсаторов

Рассмотренные нами основные принципы и методы уменьшения электромагнитных помех закладывают основу для проектирования электронных автомобильных систем, соответствующих строгим требованиям CISPR 25 и других стандартов. По мере появления современной электроники в автомобильных системах и совершенствования электромобилей проблема с ЭМП по-прежнему будет оставаться главной.

Потребность в изоляции также будет возрастать, поскольку для повышения эффективности электромобильных систем в них применяется более высокое напряжение. Высоковольтные изолированные системы удовлетворят нынешние и завтрашние требования к электромагнитным помехам с учетом описанных эффективных методов.