電機(jī)驅(qū)動(dòng)EMC整改：從傳導(dǎo)到輻射，問(wèn)題診斷與修復(fù)｜深圳南柯電子

隨著電子設(shè)備的高速開關(guān)特性和功率密度不斷提升，電磁兼容性已成為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可忽視的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。電磁干擾源、傳播路徑和敏感（接收）設(shè)備是電磁兼容的三要素。優(yōu)化EMI的抑制方案通常分為降低噪聲源的干擾和切斷干擾路徑兩大類。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，周期性的PWM開關(guān)會(huì)產(chǎn)生重復(fù)的大電流和電壓變化，功率級(jí)的MOSFET就是主要的干擾源。這些干擾信號(hào)可能影響車輛自身及周圍環(huán)境中的電子電氣設(shè)備正常工作。

一、電機(jī)驅(qū)動(dòng)EMC整改的問(wèn)題核心根源

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的EMC問(wèn)題主要源于高速開關(guān)操作、不良布局設(shè)計(jì)和電機(jī)本身的工作特性。周期性的PWM開關(guān)波形是主要的干擾源，其高速的上升和下降沿蘊(yùn)含著豐富的高頻分量。根據(jù)RC電路帶寬與上升時(shí)間的關(guān)系公式，降低開關(guān)速度可以大大減小信號(hào)的高頻分量。

驅(qū)動(dòng)芯片本身的時(shí)鐘電路和產(chǎn)生高壓的電荷泵電路也是重要的輻射源。如果系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)不夠優(yōu)化，這些干擾源會(huì)通過(guò)外圍電路耦合到其它部分，最終導(dǎo)致EMC測(cè)試失效。對(duì)于車載電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主要的電磁輻射源來(lái)自于快速變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。此外，電機(jī)的火花——換向器區(qū)域附近的空氣介質(zhì)電離，在空氣中形成帶電粒子，也會(huì)形成電磁干擾。

二、電機(jī)驅(qū)動(dòng)EMC整改的基本原則與思路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)EMC整改需遵循系統(tǒng)化的方法，首先減弱干擾源，然后切斷干擾路徑。降低噪聲源干擾是最直接的整改方式。對(duì)于TI的外置MOSFET的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，開關(guān)速度可以通過(guò)Idrive來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)；對(duì)于TI集成MOSFET的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，開關(guān)速度可以通過(guò)Slew Rate進(jìn)行調(diào)節(jié)。

降低開關(guān)速度的主要弊端是會(huì)增加系統(tǒng)功耗和熱性能指標(biāo)，同時(shí)可能導(dǎo)致輸入控制信號(hào)占空比與實(shí)際的系統(tǒng)占空比產(chǎn)生偏差。切斷干擾路徑是另一種重要方法。傳導(dǎo)干擾CE可以通過(guò)優(yōu)化電流路徑有效改善；輻射干擾RE主要分為電場(chǎng)耦合和磁場(chǎng)耦合。電場(chǎng)耦合主要是通過(guò)長(zhǎng)走線、未屏蔽導(dǎo)體的天線效應(yīng)產(chǎn)生，磁場(chǎng)耦合主要是通過(guò)不良接地和容性耦合所造成的環(huán)路產(chǎn)生。

三、電機(jī)驅(qū)動(dòng)EMC整改的電路原理與布局優(yōu)化

降低開關(guān)速度是減弱干擾源的有效手段。過(guò)快的開關(guān)速度容易引起振鈴，增加系統(tǒng)高頻輻射。以TI的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片為例，一般開關(guān)速度可以通過(guò)Idrive或Slew Rate進(jìn)行調(diào)節(jié)。減小高頻回路輻射對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用至關(guān)重要。開關(guān)電流從驅(qū)動(dòng)芯片到負(fù)載再返回的路徑應(yīng)該越小越好，以減小走線電抗產(chǎn)生的高頻輻射。

在多層板的layout設(shè)計(jì)中，一個(gè)完整的地平面可以提供最小的電流返回路徑，并提供對(duì)外界的屏蔽。優(yōu)化退耦電容網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)對(duì)高頻噪聲。退耦電容充當(dāng)本地的電荷蓄水池，在面對(duì)電氣瞬態(tài)時(shí)儲(chǔ)存多余的電荷或提供大電流支持?？拷酒苣_擺放的退耦電容可以為更高頻的噪聲提供更小的返回路徑。在不同梯度的電容組合中，大電容應(yīng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間低頻的瞬態(tài)，小電容應(yīng)對(duì)短脈寬高頻的瞬態(tài)。

四、電機(jī)驅(qū)動(dòng)EMC整改的濾波與屏蔽技術(shù)應(yīng)用

增加PI型濾波器是阻斷電機(jī)干擾反向傳輸?shù)挠行Х绞健．?dāng)設(shè)備連接至電源時(shí)，在電源線上通常有差模電流和共模電流生成。PI型濾波器提供對(duì)差模噪聲的低阻抗回路，能明顯改善低頻段的差模噪聲。屏蔽措施對(duì)優(yōu)化輻射干擾測(cè)試結(jié)果至關(guān)重要。將直流電機(jī)的兩個(gè)輸出線絞起來(lái)，在其上套一個(gè)磁環(huán)，可以減小輻射。

如果現(xiàn)場(chǎng)的EMC不規(guī)范，系統(tǒng)可能會(huì)頻繁產(chǎn)生故障報(bào)警，該類報(bào)警無(wú)需其他額外操作，確認(rèn)錯(cuò)誤后又可以正常使用，但又會(huì)不定時(shí)地頻繁出現(xiàn)。所有與系統(tǒng)相連接的電纜必須為屏蔽電纜，這包括電源電纜、電機(jī)動(dòng)力電纜、編碼器線纜以及抱閘電纜。編碼器信號(hào)線纜和動(dòng)力線纜需要分開敷設(shè)在不同的電纜槽中，編碼器信號(hào)線纜必須與動(dòng)力線纜保持10cm以上的距離。

五、電機(jī)驅(qū)動(dòng)EMC整改的針對(duì)性整改與實(shí)戰(zhàn)案例

根據(jù)EMC測(cè)試結(jié)果制定針對(duì)性整改方案至關(guān)重要。如果低頻段差模噪聲超標(biāo)，可以通過(guò)PI型濾波器進(jìn)行優(yōu)化。中頻段可以通過(guò)優(yōu)化供電pin的梯度設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。需要注意的是退耦電容需要離供電pin盡可能接近，且中間不應(yīng)有過(guò)孔。

如果中高頻段超標(biāo)，可以通過(guò)開啟芯片的展頻功能進(jìn)行優(yōu)化。車載電機(jī)控制器整改案例顯示，在某車載電機(jī)控制項(xiàng)目中，存在低頻段部分輻射嚴(yán)重超標(biāo)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)PWM信號(hào)線束進(jìn)行屏蔽處理，輻射情況得到明顯改善。實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，電機(jī)兩端的電壓波形會(huì)有明顯的過(guò)沖和振鈴現(xiàn)象，此處的電壓變化率更大，輻射更強(qiáng)。

電動(dòng)水泵整改案例表明，傳統(tǒng)整改對(duì)策如在正負(fù)電源線上串上棒狀電感，并聯(lián)X電容和Y電容，效果可能不理想。而使用共模電感和BDL濾波器則能有效濾除噪聲，BDL濾波器對(duì)比傳統(tǒng)方法具有濾波效果好、濾波頻段寬、方案成本低等優(yōu)點(diǎn)。

六、電機(jī)驅(qū)動(dòng)EMC整改的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)符合性

遵循EMC設(shè)計(jì)規(guī)范是確保系統(tǒng)可靠的關(guān)鍵。SINAMICS V90 驅(qū)動(dòng)器只有符合EMC的安裝，才能保證系統(tǒng)可靠，不受干擾的運(yùn)行。建議采用獨(dú)立的24V直流電源給系統(tǒng)供電，不可與繼電器、電磁閥等感性負(fù)載公用24V直流電源。符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品上市至關(guān)重要。IEC 61800-3規(guī)定了動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的電磁兼容性要求，這些是可調(diào)速交流或直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

對(duì)轉(zhuǎn)換器輸入或輸出電壓高達(dá)35kV AC RMS的PDS規(guī)定了要求。系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)優(yōu)化包括PCB布局遵循“三分離”原則：高速數(shù)字電路與模擬電路物理隔離，功率地與信號(hào)地單點(diǎn)連接。某伺服電機(jī)案例顯示，驅(qū)動(dòng)芯片與功率器件間距縮短至5mm，配合65μm覆銅層，可使144MHz頻點(diǎn)余量提升至6dB。軟件協(xié)同方面，微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)通過(guò)細(xì)化電流控制，減少電流躍變，配合軟啟動(dòng)算法可降低30%開關(guān)噪聲。

結(jié)語(yǔ)

有數(shù)據(jù)顯示，科學(xué)的EMC整改可使產(chǎn)品一次通過(guò)率提升60%，故障率降低40%。面對(duì)日益嚴(yán)格的電磁環(huán)境要求，只有從源頭上重視EMC設(shè)計(jì)，才能讓產(chǎn)品在競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的EMC整改不是事后補(bǔ)救，而應(yīng)是貫穿產(chǎn)品設(shè)計(jì)始終的系統(tǒng)工程。從最初的芯片選型、布局規(guī)劃，到中期的濾波屏蔽設(shè)計(jì)，再到最后的測(cè)試驗(yàn)證，電機(jī)驅(qū)動(dòng)EMC整改每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要工程師們的精心考量。

審核編輯 黃宇