意法半導(dǎo)體VIPower M0-7 H橋驅(qū)動器：有效降低EMI

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(yīng)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(shè)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(qū)動芯片控制直流電機具有優(yōu)勢，并且能夠提供先進的驅(qū)動功能，例如，用PWM輸入信號驅(qū)動電機，通過改變占空比調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)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(dǎo)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(shè)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(shù)，選用合適的濾波器，可以有效降低開關(guān)噪聲和其它EMI輻射源。

轉(zhuǎn)向柱電機驅(qū)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(zhuǎn)向柱，以提升駕駛體驗、舒適度和安全性。在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向柱電機驅(qū)動應(yīng)用的典型框圖。

▲圖1：雙電機轉(zhuǎn)向柱的框圖

意法半導(dǎo)體的VIPower M0-7半橋 (H橋) 驅(qū)動器系列包含為各種汽車應(yīng)用專門設(shè)計的多種直流電機驅(qū)動器。在一個單一的封裝內(nèi)集成邏輯功能和功率結(jié)構(gòu)，M0-7系列可實現(xiàn)驅(qū)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(qū)動器是控制轉(zhuǎn)向柱執(zhí)行器的最佳選擇，PowerSSO-36封裝使其集成到新設(shè)計或現(xiàn)有設(shè)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(dǎo)體的STripFET F7技術(shù)的高性能功率開關(guān)管，符合AEC Q101標準，適合汽車應(yīng)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(shè)計。

VNHD7008AY / VNHD7012AY以20 kHz頻率和85%占空比的脈沖電流驅(qū)動兩個電機順時針或逆時針運轉(zhuǎn)。

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(shè)備(EUT)、負載模擬器 (Load sim)、人工網(wǎng)絡(luò) (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(jié)果準確可靠。

根據(jù)CISPR 25標準設(shè)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(qū)動器VNHD7008AY或VNHD7012AY設(shè)計轉(zhuǎn)向柱時，測試結(jié)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(yīng)用板上，轉(zhuǎn)向柱沒有接地，也沒有補償網(wǎng)絡(luò)。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(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)用平臺的最終成本。

3. 延長開關(guān)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(guān)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(guān)時間；增加MOSFET柵極電阻并引入不對稱柵極驅(qū)動電路可以讓開關(guān)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(guān)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(zhuǎn)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(guān)閉。事實上，開關(guān)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(shè)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(jié)果，該圖描述了在增加柵極漏極電容器和轉(zhuǎn)向柱接地后的系統(tǒng)輻射強度。

▲圖6：在轉(zhuǎn)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(qū)動

該電路優(yōu)化需要提高H橋電機驅(qū)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(qū)動解決方案。

▲圖 7：非對稱柵極驅(qū)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(qū)動。此外，增加柵極-漏極電容可以讓開關(guān)波形變得更勻稱，電機端子上的開關(guān)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(zhuǎn)向柱體接地時的輻射波形。

▲圖8：在轉(zhuǎn)向柱體接地和不對稱柵極驅(qū)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(yīng)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(qū)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(guān)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(qū)動器，并使用以下阻值：

■ R1 = 1000 Ω

■ R2 = 470 Ω

開關(guān)的升降波形就會變得更加勻稱。

下圖 (圖9) 所示是相關(guān)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(qū)動后的實測開關(guān)波形

開關(guān)上升沿時間變短是因為R1和R2兩個電阻并聯(lián)后導(dǎo)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(guān)上升沿和下降沿時間趨于相同，結(jié)合開關(guān)時間延長 (導(dǎo)致相關(guān)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(yīng)用的最終成本。

結(jié)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(yīng)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(jié)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(jié)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(guān)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.