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成功应对汽车电磁干扰（EMI）挑战：问与答

采用 Vicor 的 NBM 模块，原始设备制造商（OEM）无需改造整个动力系统即可使用 800V 电池，从而节省时间和精力。

与高级战略应用/系统工程师 Nicola Rosano 的问答

问：在着手应对电磁干扰（EMI）挑战之前，需要掌握哪些关键知识？

答：有效排查 EMI 故障需要扎实的实践经验。电磁兼容（EMC）领域并非所谓的“玄学领域”。有些问题可以借助相关书籍解决，而有些问题则需要对实际物理系统进行精细调试。掌握以下四个方面的背景知识，能最大限度地减少测试中的失误，为用户节省大量时间。这些知识包括：

电磁兼容（EMC）基础知识（建议阅读两本相关著作）；
电气噪声的两大主要部分：差模噪声与共模噪声的区分；
线路阻抗稳定网络（LISN）是什么及其在 EMI 测量中的重要性；
EMI滤波器设计。学术背景固然重要，但工业级专业培训课程更有效。如果使用的开关频率在常规范围内（如 50kHz 至 200kHz），设计 EMI 滤波器似乎很容易，然而，当开关频率较高时（如 Vicor 模块可达 MHz 级），设计人员可能会面临元器件的物理极限和其他复杂问题，这使得元器件选型的难度超过预期。

每个电源设计师迟早都会发现，在设计的最后阶段，最可能导致返工的三大难题往往是：热管理问题、安全相关问题或顽固的电磁干扰（EMI）问题。其中，EMI 问题最难预测，因为它像一个名副其实的“气球”。如果我们试图“压制”一个频段的发射频谱，它就会在另一个频段“鼓出”。因此，常常发生这样的情况，当传导发射达标时，辐射发射可能又超出限值，反之亦然。电源系统中的 EMI 整改极具挑战性，部分原因在于大量未表征的寄生参数会发挥作用，它们相互影响、竞相作用。因此，难以完全避免实验室调试。电磁领域的规则就是：所有电气设备需彼此友好共存，成为“好邻居”——既不会对其他设备造成过多干扰，也不会对其他设备的干扰过于敏感。

问：传导发射和辐射发射过高的主要危害是什么？

答：电磁兼容（EMC）可分为四个领域：传导发射、辐射发射、传导抗扰度和辐射抗扰度。

开关电源（SMPS）最容易出问题的就是前两个领域：传导发射和辐射发射。在这种情况下，EMI 过高的主要危害可概括如下：电磁干扰（EMI）、元器件应力、合规性问题、射频干扰（RFI）、信号失真和效率降低。控制传导和辐射 EMI 的主要目的是防止一个电气系统的发射干扰第二个或第三个系统。对此，消费者最直观的感受就是 EMI 干扰车载娱乐系统的无线电信号，导致音质变差或信号丢失。从操作方面看，过量的 EMI 可能降低车内所用数据信号的质量，甚至导致车辆无法读取所有必要的数据，从而无法满足排放和安全合规要求。

问：解决 EMI 问题的传统方法及其各自的权衡取舍有哪些？

答：解决 EMI 问题的主要传统方法及其各自的权衡取舍包括：输入输出滤波器、屏蔽、接地技术、缓冲电路、扩频技术和软开关。在这些方法中，确保良好的接地路径以及功率级拓扑的选择和控制至关重要。如果功率级采用硬开关，产生的高水平 EMI 和开关损耗会使得实现 MHz 级的高开关频率变得极其困难，甚至几乎不可能。此外，如果接地处理不当，设计人员在测试中仅靠滤波器无法有效解决 EMI 问题。因此，良好的布局设计往往比滤波器设计更为关键。这也解释了为何部门间的紧密合作对整个开关电源（SMPS）的开发和量产至关重要。

问：在 EMI 深度检测中，哪个元器件被视为被测设备（DUT）？

答：要准确理解这一点，首先要了解一下被测设备（DUT）。NBM9280 是一款机箱安装、非稳压、非隔离、双向、高效 DC-DC 转换器，之所以选择它，是因为其具有超高开关频率及车规级认证。它的峰值效率达 99%，主要用于汽车行业中的 800V/400V DC-DC 转换。它尺寸紧凑，仅为 92×80mm，却能处理 30kW 的功率流。NBM 通常充当 DC-DC 快速充电桩（额定电压为 400V，放置在汽车外部）和高压电池（额定电压为 800V，放置在汽车内部）之间的接口。除电流共享功能外，NBM 的主要优势之一是它允许任何 OEM 在不改造整个动力系统的情况下使用 800V 电池，从而显著减少工作量和时间。

问：共模（CM）噪音如何影响被测设备（DUT）？

答：若以接地（GND）为参考测量 NBM 金属外壳上的噪声，会观测到其方波形噪声类似于 NBM 内部高压快速开关节点的噪声。这种噪声相对固定，基本不受负载变化影响，也就是说，即使负载发生变化，谐波含量也基本保持不变。如果 NBM 金属外壳与线路阻抗稳定网络（LISN）直接相连，可使用接地探头检测金属外壳相对于接地面的谐波含量。如果将金属外壳与接地路径隔离，就可以有效抑制共模噪声分量，从而减少传导发射测试中的整体噪声。

问：解决被测设备（DUT）共模（CM）噪声的主要技巧是什么？

答：使用分布式旁路电容器有助于通过降低噪声改善共模性能。实验证明，在同样的背景下，在高 dv/dt 区域附近分布式放置电容器能显著降低共模噪声。另一种方法（与前述方法相辅相成）是通过在电源线周围使用铁氧体磁环，使电线中的电流相互抵消，从而降低交流噪声分量。这一方法可有效降低纹波，大幅削弱 EMI 频谱强度。外部铁氧体还有助于减少任何不平衡电流分布。

问：符合 CISPR 32 标准的滤波器拓扑有哪些？

答：主流滤波器拓扑有三种：L 型、π 型和 T 型。只要设计得当，任何一种拓扑均可将总体噪声降低到限值以内。在我提到的案例中，我采用了 L 型拓扑，因为其在测试过程中实现起来更简便且成本更低。

问：使用高工作频率的优缺点是什么？

答：在功率相同的情况下，高频率是小元器件的代名词。因此，重量轻和体积小无疑是一个优势。但另一方面，开关损耗往往会随着频率的增加而增加。良好的设计策略是选择高频率并采用谐振拓扑。谐振拓扑是先进的开关电源（SMPS）设计，可在任何频率下消除开关损耗，实现超高的效率。

问：本次研究的主要经验教训是什么？

答：就本次案例研究而言，主要经验教训如下：

该被测设备的奇次谐波幅值与负载无关，但偶次谐波幅值会随负载增加而增大。
将 NBM9280 的金属外壳与接地隔离开，可改善 EMI 传导发射结果。通过实施 π 型滤波器可有效抑制二次谐波分量的增加。
要满足更严苛的 CISPR 25 Class 4 & 5 标准，仍需对一次谐波进行更多衰减。一种可能的解决方案是在 HI/PGND 上使用不同规格的铁氧体磁环，以进一步衰减一次谐波，或者考虑采用双级滤波器。
使用高开关频率可以实现非常紧凑的滤波器尺寸。

Nicola Rosano 于 2022 年加入 Vicor，担任欧洲、中东和非洲地区（EMEA）高级战略应用与系统工程师，提供汽车电源系统相关的技术支持和咨询。在加入 Vicor 之前，他曾在 Thales Alenia Space 和 Airbus Defense and Space 的军事、国防和太空部门工作，还曾在 BorgWarner 和 Stellantis 的汽车业务部门担任过高级硬件电源系统工程师。他拥有多项专利，并正筹备在 YouTube 上开通一个模拟/电力电子学教育频道。他目前的研究重点包括电力电子学、电路和系统、电子仪器以及工程教育。Rosano 于 2010 年获得电气工程学士学位，并于 2013 年以优异的成绩获得了硕士学位。