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技術文章—限制電磁干擾的秘訣

2019-06-19來源: 電子創新網關鍵字:電磁干擾

當我十幾歲的時候,我的第一份工作就是攢夠錢然后買一個音響,從那天起我的父母似乎每天都在說:“把聲音關小點兒!”


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對,我的確制造了相當大的噪聲。現在作為一名技術專家,我每天所關注的已不再是可以聽到的聲音,而是要想方設法防止各種電子系統和設計產生虛假電磁干擾(EMI)。


電磁干擾


EMI是一種有害的電磁信號,它從外部滲透到電子電路中,電磁感應、靜電耦合或傳導是產生電磁干擾的原因。本文的重點是如何正確設計電子解決方案來幫助工程師“降低噪音”,限制汽車和工業應用中的電磁干擾,讓這類干擾不再是問題。


汽車領域


在汽車創新領域正經歷著控制EMI干擾的巨大需求,隨著交通運輸方式的轉型,汽車市場預計將在未來15年翻一番。這種轉變的一部分將是電子工業及其提供前所未有的新服務能力的副產品。這些創新將依賴于塑造未來的四項關鍵技術——ACES,即:


Automation:自動化

Connectivity:互連

Electric:電子

Shared:共享


標準:CISPR


汽車工業通常遵循的是國際無線電干擾特別委員會(CISPR)的標準,CISPR 25條款中第5類測試標準是汽車標準。隨著混合動力汽車和純電動汽車的發展,系統、標準和選配功能以及配件等形式的汽車應用電子產品將迅速且持續的發展,進而推動汽車市場的壯大。


電磁干擾的根源


系統的內部和外部都會產生電磁干擾,由于車內電子解決方案包含的組件數目不斷增加,而且它們必須作為一個有機整體運行,而不對其他系統產生過多的電磁干擾,因此盡量減少個別組件或整體產生的電磁干擾是至關重要的。車輛內部和外部電磁發射源包括:氣囊、藍牙技術設備、控制器網絡總線(CAN)、防撞系統(比如光探測器和距離感應器激光/雷達)、巡航系統、直流電機、電子剎車系統、電子控制單元(ECU)、燃料控制系統、游戲系統、車庫門控制器、全球定位系統(GPS)、點火系統、車載安全系統、信息娛樂系統、動力轉向、無線電(AM/FM/衛星)、遙控門控制系統、輪胎壓力監測系統等。


電磁干擾的問題


現代汽車利用的開關電源會產生電磁干擾,使得周圍的系統暴露在這種不必要的干擾環境之下。汽車內部開關電源的數量也在不斷的增加,加上物理尺寸的縮小,空間更加的緊湊,對于高效運轉、高溫運行以及壽命更長等需要,所有這些都要求電子產品能夠在這些苛刻的環境下正常工作。


隨著自動駕駛汽車開始進入市場,EMI問題將變得越來越重要,因為人類駕駛員已經將控制權、路線和安全等都交給了車輛,而車輛及乘客的安全將取決于操作系統。


減少電磁干擾


美國科學家本杰明?富蘭克林(1705-1795)曾說過一句諺語:“一克(盎司)的預防勝過一公斤(磅)的治療。”,這句諺語傳達了這樣一個事實:電子工程師應該在所有組件都整合在一起之前就考慮電磁干擾問題,因為如果工程師不在開發前期投入適當的精力,那么就要在開發后期投入更多的精力和成本。


電子工程師通常采用三種主要的方式來降低電磁干擾:第一種方法是要確保電子元件或系統有一定的電磁屏蔽措施,適當的電磁屏蔽包括在設計中加入導電或磁性材料,作為屏蔽雜散輻射的屏障,法拉第屏蔽是一種常見的方法;其次,工程師可以利用電子過濾,過濾器的作用是阻止不必要的頻率,同時讓所需要的頻率在幾乎沒有影響的情況下通過;最后一種方法是建立適當的接地,接地為電流進入地面提供了一個通道,這是一個低電動勢(電壓)點,這樣有助于減少不必要電荷的過度積累。


下面讓我們來看看兩個完全不同的電子組件如何協同工作,從而降低噪音并限制汽車系統中的電磁干擾。


解決方案:電源管理IC


為了降低電磁干擾,ADI發明了專利靜音開關技術,使其在高頻、高功率的情況下具有非常棒的屏蔽電磁干擾的性能。靜音開關技術將單個大型開關回路分割成兩個較小的開關回路,它的原理是相互抵消磁場,就像法拉第屏蔽一樣。


Silent Switcher? 2架構通過在集成電路(IC)內部將外部的電壓循環電容作為內部的旁路電容來簡化電路板的設計與制造,這樣可以大大降低輻射的電磁干擾。將電容內部化可以通過最小化噪聲天線來降低電磁干擾。靜音開關的組件也是單片穩壓器,通過集成的MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)實現高度的集成,所有這些方法都提升了效率,特別是在更高的開關頻率下使用時。


Silent Switcher? 2的超低電磁干擾消除了PCB(印刷電路板)布局的敏感性,而降低解決方案成本的一個方法是最小化所需的PCB層數,盡管這將對性能產生一定的影響。例如工程師不期望2層電路板產生和4層電路板一樣的電磁干擾,一般情況下采用Silent Switcher? 2技術的2層電路板甚至單層電路板設計,都具有良好的屏蔽電磁干擾性能,這樣可以大大降低制造成本。


此外靜音開關提供可選的擴頻調制,這也有助于降低電磁干擾,靜音開關和Silent Switcher? 2技術完全滿足汽車系統對屏蔽電磁干擾的要求。


SoC器件電源設計


SoC器件在當今的汽車系統應用中隨處可見,例如信息娛樂系統、攝像機、防撞系統、安全和預警設備以及傳感器需要處理的信息越來越多。處理過程必須在高效且獨立運行的系統中進行,不需要額外的功率驅動,但它要求高效率。由于SoC器件處理的任務越來越多而且要消耗更大的功率,這可能使得電磁干擾管理變得困難。


新型的高科技汽車系統可能集成了很多不同類型的ARM架構處理器核心、數字信號處理器(DSP)、視頻和圖形處理器以及輔助支持器件。這些組件都需要可靠的電源驅動,需要的電壓包括:5v、3.3v、1.8v、1.2v、1.1v和0.8v。


為了滿足目前SoC器件的需求,傳統的開關電源控制器采用的是MOSFET器件,單片機之所以引人注意是因為其內部的MOSFET可以將成本和解決方案尺寸降至最低,但是其電流和散熱能力通常會限制其使用范圍。LT8650S是一款全新的單片降壓靜音開關穩壓器,具備支持當前SoC應用性能和熱管理的能力。


作者簡介



Paul Golata于2011年加入貿澤電子。作為高級技術內容專家,Paul憑借出色的戰略領導力、戰術執行力以及先進技術與相關產品的整體產品線和營銷方向,為貿澤電子的成功做出貢獻。 Paul通過編寫獨特而有價值的技術內容為設計工程師提供最新的技術資訊,促進并增強了貿澤電子作為首選分銷商的地位。在加入貿澤電子之前,Paul曾在Hughes Aircraft Company、Melles Griot、Piper Jaffray、Balzers Optics、JDSU和Arrow Electronics擔任過制造、營銷和銷售相關職位。Paul擁有伊利諾伊州芝加哥市德睿理工學院的電子工程學士學位;加州馬里布佩珀代因大學工商管理碩士學位;德克薩斯州沃思堡的西南浸信會神學院神學碩士及文學士學位;以及德克薩斯州沃思堡西南浸信會神學院的博士學位。



關鍵字:電磁干擾

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