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作者：意法半導體意大利Catania公司Sebastiano Grasso, Leonardo Agatino Miccoli, Giusy Gambino, Filippo Scrimizzi
隨著汽車市場不斷發(fā)展，車企對自動化、安全性和功率優(yōu)化的需求日益增長。在這種背景下，直流電機在車身應用中發(fā)揮著重要作用。在油車和電動車門鎖、車窗升降、油液泵、方向盤調(diào)節(jié)、電動后備箱等各種功能設備都會用到直流電機。在可靠性、易用性、監(jiān)測和保護方面，用專用驅動芯片控制直流電機具有優(yōu)勢，并且能夠提供先進的驅動功能，例如，用PWM輸入信號驅動電機，通過改變占空比調(diào)節(jié)電機轉速和轉矩，最終實現(xiàn)高級的功能。但是，PWM信號會引起明顯的電磁干擾，導致射頻干擾和信號失真等問題。在極端情況下，EMI可能會對車輛安全產(chǎn)生嚴重影響，干擾安全氣囊、防抱死制動、電子穩(wěn)定控制等重要安全系統(tǒng)，給駕駛員和乘客埋下嚴重的安全隱患。因此，必須精心設計開發(fā)電機及控制電路，最大限度地降低EMI干擾，確保全車所有電子系統(tǒng)都能可靠運行。通過仔細篩選電子元器件，采用正確的接地和屏蔽技術，選用合適的濾波器，可以有效降低開關噪聲和其它EMI輻射源。
轉向柱電機驅動器
越來越多的汽車制造商采用有刷直流電機控制車輛方向盤轉向柱，以提升駕駛體驗、舒適度和安全性。在轉向柱內(nèi)有升降電機和位移電機，升降電機用于升高或降低方向盤，使方向盤適合不同身高的駕駛員；位移電機用于向前或向后移動方向盤，為駕駛員提供更舒適的駕駛位置。圖1是轉向柱電機驅動應用的典型框圖。
▲圖1：雙電機轉向柱的框圖
意法半導體的VIPower M0-7 (H橋) 驅動器系列包含為各種汽車應用專門設計的多種直流電機驅動器。在一個單一的封裝內(nèi)集成邏輯功能和功率結構，M0-7系列可實現(xiàn)驅動、保護、故障診斷等先進的功能，同時最大限度地縮小封裝尺寸。該系列產(chǎn)品中的VNHD7008AY和VNHD7012AY兩款電機驅動器是控制轉向柱執(zhí)行器的最佳選擇，PowerSSO-36封裝使其集成到新設計或現(xiàn)有設計中變得更簡單高效。
VNHD7008AY/VNHD7012AY還需用兩個外部功率MOSFET才能實現(xiàn)完整的H橋功能。STL76DN4LF7AG和STL64DN4F7AG是采用意法半導體的STripFET F7技術的高性能功率開關管，符合AEC Q101標準，適合汽車應用。雙島PowerFLAT 5x6封裝是另一個產(chǎn)品亮點，可節(jié)省電路板空間，實現(xiàn)緊湊設計。
VNHD7008AY / VNHD7012AY以20 kHz頻率和85%占空比的脈沖電流驅動兩個電機順時針或逆時針運轉。
測試
按照CISPR 25國際標準規(guī)定，用一個桿狀單極天線測量待測產(chǎn)品在特定頻段內(nèi)的EMI強度。為減少外部干擾因素，測量過程是在消聲室內(nèi)完成，如圖2所示。
▲圖2：EMI測試裝置框圖
該測試裝置由多個元器件組成，包括測試計劃要求的本機接地的被測設備(EUT)、負載模擬器 (Load sim)、人工網(wǎng)絡 (AN)，以及介電常數(shù)相對較低的支架 (εr≤1.4)。測試裝置使用一個600 毫米 x 600 毫米的天線桿和一個室外電磁輻射測試接收器，以確保EMI的測量結果準確可靠。
根據(jù)CISPR 25標準設置接收器的參數(shù)，如表1所示。
▲表1：測試接收器的輻射參數(shù) (CISPR 25標準)
上面的表格 (表1) 列出了不同的無線電電視廣播類型，定義如下：
- 長波
- 中波
- 短波
- 調(diào)頻
- 電視波段
- 數(shù)字音頻廣播
- 地面數(shù)字電視
- 衛(wèi)星數(shù)字無線電廣播
降噪指引
在使用直流電機驅動器VNHD7008AY或VNHD7012AY設計轉向柱時，測試結果可以用于制定EMI電磁干擾優(yōu)化指引。
1. 初始狀態(tài)
在原始應用板上，轉向柱沒有接地，也沒有補償網(wǎng)絡。輻射噪聲是用峰值檢測器和均值檢測器捕獲的 (如圖3所示)。
▲圖3：原始板的實測輻射波形
測試結果顯示，在包括LW、MW和SW在內(nèi)的AM (調(diào)幅) 頻段內(nèi)，電磁輻射強度很高。如上圖所示，在0.5 MHz至1.7 MHz頻段內(nèi)，EMI輻射強度最為突出，并且超過了限制規(guī)范。
2. 接地連接
將轉向柱體直接連接系統(tǒng)接地是一條經(jīng)過實踐檢驗的指引。圖4所示是電路板接地后的輻射平均值和峰值波形。
▲圖4：原始板接地后的實測輻射波形
分析認為，將轉向柱體接地有助于提高EMC (電磁兼容性) 性能。然而，電磁輻射主要是由PWM (脈沖寬度調(diào)制) 信號的諧波以及上升沿和下降沿的陡坡斜率和不對稱斜率引起的，過濾輸入噪聲的難度很大，因為電池線路中的電流較高，這意味著需要高飽和電流電感濾波器，可能會影響應用平臺的最終成本。
3. 延長開關升降沿時間
為了降低電路板在0.5 MHz - 1.7 MHz頻段內(nèi)產(chǎn)生的輻射，還建議延長開關上升沿和下降沿的升降時間，并使上升沿和下降沿勻稱均等，具體措施辦法見圖5。
▲圖5：優(yōu)化電路的框圖
增加一個額外的柵極-漏極電容器將會提高柵極-漏極總電容，并延長低邊功率 MOSFET的開關時間；增加MOSFET柵極電阻并引入不對稱柵極驅動電路可以讓開關的上升斜率與下降斜率均等；優(yōu)化輸入濾波器的電容值有助于進一步減少在這一頻段的電磁輻射。
3.1 額外的柵極-漏極電容器
通過給外部低邊功率MOSFET開關管增加一個額外的柵漏電容，可以把0.5 MHz ~ 0.8 MHz頻段內(nèi)的電磁輻射平均降低10 dBμV/m，0.8 MHz至1.7 MHz頻段內(nèi)的輻射降低約20 dBμV/m，其中dBμV/m表示以微伏每米 (μV/m) 為參考量的輻射強度的對數(shù)比值。
這一改進不受轉向柱體是否接地的影響，但接地可以進一步減少電磁干擾，提高系統(tǒng)的整體電磁兼容性能。建議增加的柵極漏極電容器的最大容值為470 pF，以防止系統(tǒng)突然關閉。事實上，開關上升斜率增加過多可能會觸發(fā)VNHD7008AY / VNHD7012內(nèi)部的VDS (漏源電壓) 保護機制 (專門設計用于防止電池線短路沖擊電機)?？紤]到電容值的公差和溫度范圍變化，更高的電容值 (高達560 pF) 也是可以接受的，但不建議使用。把所有這些因素考慮進去，470 pF的容值將確保系統(tǒng)有一個安全裕量。圖6所示是電路改進方法可以實現(xiàn)的最佳結果，該圖描述了在增加柵極漏極電容器和轉向柱接地后的系統(tǒng)輻射強度。
▲圖6：在轉向柱接地和增加柵漏電容后的輻射波形
3.2 非對稱柵極驅動
該電路優(yōu)化需要提高H橋電機驅動器輸出到低邊MOSFET柵極的電路的電阻，下面所示電路（圖7）是一個非對稱柵極驅動解決方案。
▲圖 7：非對稱柵極驅動電路解決方案
減少電磁輻射有兩個解決方案：第一個方案是將柵極電阻 (R1) 從470 Ω提高到 1 kΩ，第二個方案是增加二極管D1并串聯(lián)470Ω電阻，以實現(xiàn)不對稱柵極驅動。此外，增加柵極-漏極電容可以讓開關波形變得更勻稱，電機端子上的開關上升沿和下降沿更平滑。這兩個解決方案可以有效地減少電磁輻射，詳見圖8轉向柱體接地時的輻射波形。
▲圖8：在轉向柱體接地和不對稱柵極驅動時的輻射波形
這個解決方案使0.9 MHz至1.7 MHz頻段內(nèi)的輻射強度低于CISPR 25標準的規(guī)范限值。
用電阻電感 (R-L) 負載模擬器在應用板進行一些測試測量，有助于更清楚地解釋不對稱柵極驅動器的效果：
- 2 Ω resistor with 13 μH inductor
- 2 Ω電阻和3 μH電感
當?shù)瓦匨OSFET柵極上安裝470歐姆柵極電阻時，開關的下降沿 (約170 ns) 比上升沿 (約800 ns) 快很多。
通過引入圖6所示的非對稱柵極驅動器，并使用以下阻值：
- R1 = 1000 Ω
- R2 = 470 Ω
開關的升降波形就會變得更加勻稱。
下圖 (圖9) 所示是相關波形，其中，綠線代表MOSFET的柵源電壓 (VGS)，紅線是PWM (脈沖寬度調(diào)制) 控制電壓 (VCONTROL)，藍線是負載上的電壓 (MOSFET 的 VDS 漏源電壓)。
▲圖9：在采用非對稱柵極驅動后的實測開關波形
開關上升沿時間變短是因為R1和R2兩個電阻并聯(lián)后導致柵極電阻降低 (約320 Ω)，同時下降沿時間增加到270 ns。
總之，開關上升沿和下降沿時間趨于相同，結合開關時間延長 (導致相關諧波減少)，使輻射強度得到整體改善。
3.3 額外的濾波電容
在采用1 μH電感器的輸入濾波器上，建議增加一個額外的電容，以進一步減少輻射，特別是在最低頻率范圍內(nèi)的輻射。
圖10所示是所有修改建議的累積效果，顯示了實測峰值和均值頻譜。
▲圖10：在采納所有電路修改建議后的實測輻射波形
即使采用上面的改進措施后，仍然存在一段很小的輻射強度高于標準限值的頻率，為進一步降低這些輻射，可以另增加一個輸入濾波器，把輻射抑制性能從最小的10 dBμV/m提高到最大30 dBμV/m，但是這會而影響應用的最終成本。
結論
下圖 (圖11) 是最初情況 (藍線) 與我們提出的解決方案 (黃線) 的輻射頻譜的比較圖，簡要描述了輻射改進的總體效果。
▲圖11：初始情況與我們提出的所有解決方案的實測輻射對比
我們的應用修改建議可以有效降低直流電機控制系統(tǒng)的電磁輻射率，確保在0.5 MHz - 1.7 MHz頻段內(nèi)電磁輻射符合CISPR-25標準規(guī)范的規(guī)定限值。下表 (表2) 總結了在采用不同的解決方案后，輻射峰值的依次平均降幅。
▲表2. 輻射峰值的平均降幅
研究結果證明，我們提出的直流電機控制系統(tǒng)改善建議可以有效地降低輻射率，確保輻射符合CISPR-25標準規(guī)范的限值規(guī)定，這對于系統(tǒng)的可靠和安全運行至關重要。
參考文獻
[1] R. Kahoul, Y. Azzouz, B. Ravelo, B. Mazari, “New Behavioral Modeling of EMI for DC Motors Applied to EMC Characterization,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 60, Dec. 2013.[2] J.M. Poinsignon, P. Matossian, B. Mazari, F. Duval, “Automotive Equipments EMC Modeling for Electrical Network Disturbances Prediction,” Proc. IEEE Int. Symp. EMC, Vol. 1, 2003.[3] “CISPR 25 IEC, Limits and Methods of Measurement of Radio Disturbance Characteristics for Protection of Receivers used on Board Vehicles,” 2002-2008.[4] S. Wang, Y.Y. Maillet, F. Wang, R. Lai, F. Luo, D. Boroyevich, “Parasitic Effects of Grounding Paths on Common-Mode EMI Filter’s Performance in Power Electronics Systems,” IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 57, Sept. 2010.
下載ECAD模型
