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降低噪音:限制电磁干扰(一)

发布时间:2019-06-20 来源:Paul Golata 责任编辑:wenwei

【导读】当我十几岁的时候,我的第一份工作就是攒够钱然后买一个音响,从那天起我的父母似乎每天都在说:“把声音关小点儿!”
 
对,我的确制造了相当大的噪声。现在作为一名技术专家,我每天所关注的已不再是可以听到的声音,而是要想方设法防止各种电子系统和设计产生虚假电磁干扰(EMI)。
 
电磁干扰
 
EMI是一种有害的电磁信号,它从外部渗透到电子电路中,电磁感应、静电耦合或传导是产生电磁干扰的原因。本文的重点是如何正确设计电子解决方案来帮助工程师“降低噪音”,限制汽车和工业应用中的电磁干扰,让这类干扰不再是问题。
 
汽车领域
 
在汽车创新领域正经历着控制EMI干扰的巨大需求,随着交通运输方式的转型,汽车市场预计将在未来15年翻一番。这种转变的一部分将是电子工业及其提供前所未有的新服务能力的副产品。这些创新将依赖于塑造未来的四项关键技术——ACES,即:
 
● Automation:自动化
● Connectivity:互连
● Electric:电子
● Shared:共享
 
标准:CISPR
 
汽车工业通常遵循的是国际无线电干扰特别委员会(CISPR)的标准,CISPR 25条款中第5类测试标准是汽车标准。随着混合动力汽车和纯电动汽车的发展,系统、标准和选配功能以及配件等形式的汽车应用电子产品将迅速且持续的发展,进而推动汽车市场的壮大。
 
电磁干扰的根源
 
系统的内部和外部都会产生电磁干扰,由于车内电子解决方案包含的组件数目不断增加,而且它们必须作为一个有机整体运行,而不对其他系统产生过多的电磁干扰,因此尽量减少个别组件或整体产生的电磁干扰是至关重要的。车辆内部和外部电磁发射源包括:气囊、蓝牙技术设备、控制器网络总线(CAN)、防撞系统(比如光探测器和距离感应器激光/雷达)、巡航系统、直流电机、电子刹车系统、电子控制单元(ECU)、燃料控制系统、游戏系统、车库门控制器、全球定位系统(GPS)、点火系统、车载安全系统、信息娱乐系统、动力转向、无线电(AM/FM/卫星)、遥控门控制系统、轮胎压力监测系统等。
 
电磁干扰的问题
 
现代汽车利用的开关电源会产生电磁干扰,使得周围的系统暴露在这种不必要的干扰环境之下。汽车内部开关电源的数量也在不断的增加,加上物理尺寸的缩小,空间更加的紧凑,对于高效运转、高温运行以及寿命更长等需要,所有这些都要求电子产品能够在这些苛刻的环境下正常工作。
 
随着自动驾驶汽车开始进入市场,EMI问题将变得越来越重要,因为人类驾驶员已经将控制权、路线和安全等都交给了车辆,而车辆及乘客的安全将取决于操作系统。
 
减少电磁干扰
 
美国科学家本杰明・富兰克林(1705-1795)曾说过一句谚语:“一克(盎司)的预防胜过一公斤(磅)的治疗。”,这句谚语传达了这样一个事实:电子工程师应该在所有组件都整合在一起之前就考虑电磁干扰问题,因为如果工程师不在开发前期投入适当的精力,那么就要在开发后期投入更多的精力和成本。
 
电子工程师通常采用三种主要的方式来降低电磁干扰:第一种方法是要确保电子元件或系统有一定的电磁屏蔽措施,适当的电磁屏蔽包括在设计中加入导电或磁性材料,作为屏蔽杂散辐射的屏障,法拉第屏蔽是一种常见的方法;其次,工程师可以利用电子过滤,过滤器的作用是阻止不必要的频率,同时让所需要的频率在几乎没有影响的情况下通过;最后一种方法是建立适当的接地,接地为电流进入地面提供了一个通道,这是一个低电动势(电压)点,这样有助于减少不必要电荷的过度积累。
 
下面让我们来看看两个完全不同的电子组件如何协同工作,从而降低噪音并限制汽车系统中的电磁干扰。
 
解决方案:电源管理IC
 
为了降低电磁干扰,ADI发明了专利静音开关技术,使其在高频、高功率的情况下具有非常棒的屏蔽电磁干扰的性能。静音开关技术将单个大型开关回路分割成两个较小的开关回路,它的原理是相互抵消磁场,就像法拉第屏蔽一样。
 
Silent Switcher® 2架构通过在集成电路(IC)内部将外部的电压循环电容作为内部的旁路电容来简化电路板的设计与制造,这样可以大大降低辐射的电磁干扰。将电容内部化可以通过最小化噪声天线来降低电磁干扰。静音开关的组件也是单片稳压器,通过集成的MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)实现高度的集成,所有这些方法都提升了效率,特别是在更高的开关频率下使用时。
 
Silent Switcher® 2的超低电磁干扰消除了PCB(印刷电路板)布局的敏感性,而降低解决方案成本的一个方法是最小化所需的PCB层数,尽管这将对性能产生一定的影响。例如工程师不期望2层电路板产生和4层电路板一样的电磁干扰,一般情况下采用Silent Switcher® 2技术的2层电路板甚至单层电路板设计,都具有良好的屏蔽电磁干扰性能,这样可以大大降低制造成本。
 
此外静音开关提供可选的扩频调制,这也有助于降低电磁干扰,静音开关和Silent Switcher® 2技术完全满足汽车系统对屏蔽电磁干扰的要求。
 
SoC器件电源设计
 
SoC器件在当今的汽车系统应用中随处可见,例如信息娱乐系统、摄像机、防撞系统、安全和预警设备以及传感器需要处理的信息越来越多。处理过程必须在高效且独立运行的系统中进行,不需要额外的功率驱动,但它要求高效率。由于SoC器件处理的任务越来越多而且要消耗更大的功率,这可能使得电磁干扰管理变得困难。
 
新型的高科技汽车系统可能集成了很多不同类型的ARM架构处理器核心、数字信号处理器(DSP)、视频和图形处理器以及辅助支持器件。这些组件都需要可靠的电源驱动,需要的电压包括:5v、3.3v、1.8v、1.2v、1.1v和0.8v。
 
为了满足目前SoC器件的需求,传统的开关电源控制器采用的是MOSFET器件,单片机之所以引人注意是因为其内部的MOSFET可以将成本和解决方案尺寸降至最低,但是其电流和散热能力通常会限制其使用范围。LT8650S是一款全新的单片降压静音开关稳压器,具备支持当前SoC应用性能和热管理的能力。
 
 
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