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汽车电子系统电磁兼容性(EMC/EMI)设计指南
1. 最小化环路面积(Current Loop Area)
在磁场环境下,变化的电流回路会产生电感,回路面积越大,辐射和接收干扰的能力越强。
- 差分信号:确保信号线对紧密并行走线。
- 高频回流:信号线下方必须有完整的参考地平面(GND Plane),以保证高频回流路径与信号路径重叠,从而实现相互抵消磁场,使环路面积趋于零。
2. 策略性使用去耦电容
CMOS 逻辑电平切换时会产生瞬时浪涌电流。
- 并联策略:汽车级设计中常采用“大+小”组合。 电容补偿低频电流,而 或 电容因其极低的等效串联电感(ESL),专门过滤高频谐波。
- 布局规范:电容必须紧贴 IC 引脚,且电流必须先经过电容再进入引脚。
3. 严格的阻抗匹配与信号完整性
高频信号在传输线中如遇到阻抗突变,会产生反射和振铃(Ringing),这不仅损坏信号质量,更是 EMI 的主要温床。
- 受控阻抗:根据 PCB 叠层计算微带线或带状线阻抗(通常为 或差分 )。
- 拓扑优化:避免“分支(Stub)”和“直角走线(Right-Angle Traces)”,使用圆角或 转角。
4. 屏蔽(Shielding)与结构设计
针对敏感的前端放大器或高辐射的 DC/DC 开关,屏蔽罩是最后的防线。
- 材料选择:低频磁场屏蔽建议用高导磁材料(Mu-Metal),高频电场屏蔽使用铜或铝。
- 接地一致性:屏蔽罩必须与 PCB 上的干净地(Clean Ground)进行多点焊接,缝隙必须远小于干扰波长的 。
5. 缩短接地路径与低感地平面
在汽车电子中,低频时电流选择阻抗最小路径,高频时选择感抗最小路径(即紧贴信号线下方)。
- 地层分割禁忌:尽量避免分割地平面。如果必须分割(如模拟与数字隔离),严禁信号线跨越分割缝,否则回流路径将绕行形成巨大的环路天线。
6. 控制逻辑信号的上升沿(Slew Rate Control)
EMI 与频率成正比,而信号频率分量取决于其上升/下降沿的速度(),而非频率本身。
- 降速策略:在不违反时序的前提下,在驱动端串联 至 的电阻,人为平滑边缘,过滤高频谐波。
7. 电源线磁性元件的应用
- 铁氧体磁珠(Ferrite Beads):在电源入口加入磁珠。它在高频下表现为电阻,能将电磁能转化为热能耗散掉,而非反射。
- 共模电感(CM Choke):针对 USB、CAN 或变送器接口,共模电感是抑制电缆对外辐射的杀手锏。
8. 开关电源(SMPS)的降噪技术
汽车电源不仅要应对开关噪声,还要承受 Load Dump(负载抛锚) 等极端瞬态。
- 频率规避:将开关频率设定在 以上,避开 的 AM 调幅收音机频段。
- 输入滤波器:必须在 DC/DC 前端设计 型滤波器,抑制传导干扰(CE)。
9. 抑制 LC 自谐振
由于分立电感存在寄生电容,电容存在寄生电感,复杂的电源网络可能形成 LC 谐振。
- 阻尼调整:如果发现某个频率点 EMI 异常,可以通过改变电感值、使用低 Q 值电感或串入小阻值电阻来打破谐振状态。
10. 扩频时钟(Spread Spectrum Clocking, SSC)
SSC 是通过调制时钟频率,将原本集中在单一窄带频率上的巨大能量扩散到更宽的频带内。
- 效果:它并没有减少总能量,但显著降低了基波及倍频处的峰值振幅(通常可降低 ),从而更容易通过 CISPR 25 标准的限制。
总结与展望
汽车电子 EMC 设计是一场全局性的博弈。除了上述硬件技巧,早期的 SI/PI 仿真(信号/电源完整性仿真)也能大幅减少后期改板的成本。随着 800V 高压架构和 SiC 器件在电驱系统中的应用,高压屏蔽与宽禁带半导体的快速切换噪声将成为未来的新挑战。
汽车电子系统电磁兼容性(EMC/EMI)设计指南
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