電機驅(qū)動EMC整改：從傳導到輻射，問題診斷與修復｜深圳南柯電子

隨著電子設(shè)備的高速開關(guān)特性和功率密度不斷提升，電磁兼容性已成為電機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計中不可忽視的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。電磁干擾源、傳播路徑和敏感（接收）設(shè)備是電磁兼容的三要素。優(yōu)化EMI的抑制方案通常分為降低噪聲源的干擾和切斷干擾路徑兩大類。在電機驅(qū)動系統(tǒng)中，周期性的PWM開關(guān)會產(chǎn)生重復的大電流和電壓變化，功率級的MOSFET就是主要的干擾源。這些干擾信號可能影響車輛自身及周圍環(huán)境中的電子電氣設(shè)備正常工作。

一、電機驅(qū)動EMC整改的問題核心根源

電機驅(qū)動系統(tǒng)的EMC問題主要源于高速開關(guān)操作、不良布局設(shè)計和電機本身的工作特性。周期性的PWM開關(guān)波形是主要的干擾源，其高速的上升和下降沿蘊含著豐富的高頻分量。根據(jù)RC電路帶寬與上升時間的關(guān)系公式，降低開關(guān)速度可以大大減小信號的高頻分量。

驅(qū)動芯片本身的時鐘電路和產(chǎn)生高壓的電荷泵電路也是重要的輻射源。如果系統(tǒng)電路設(shè)計不夠優(yōu)化，這些干擾源會通過外圍電路耦合到其它部分，最終導致EMC測試失效。對于車載電機驅(qū)動系統(tǒng)來說，主要的電磁輻射源來自于快速變化的電場和磁場。此外，電機的火花——換向器區(qū)域附近的空氣介質(zhì)電離，在空氣中形成帶電粒子，也會形成電磁干擾。

二、電機驅(qū)動EMC整改的基本原則與思路

電機驅(qū)動EMC整改需遵循系統(tǒng)化的方法，首先減弱干擾源，然后切斷干擾路徑。降低噪聲源干擾是最直接的整改方式。對于TI的外置MOSFET的電機驅(qū)動芯片，開關(guān)速度可以通過Idrive來進行調(diào)節(jié)；對于TI集成MOSFET的電機驅(qū)動芯片，開關(guān)速度可以通過Slew Rate進行調(diào)節(jié)。

降低開關(guān)速度的主要弊端是會增加系統(tǒng)功耗和熱性能指標，同時可能導致輸入控制信號占空比與實際的系統(tǒng)占空比產(chǎn)生偏差。切斷干擾路徑是另一種重要方法。傳導干擾CE可以通過優(yōu)化電流路徑有效改善；輻射干擾RE主要分為電場耦合和磁場耦合。電場耦合主要是通過長走線、未屏蔽導體的天線效應產(chǎn)生，磁場耦合主要是通過不良接地和容性耦合所造成的環(huán)路產(chǎn)生。

三、電機驅(qū)動EMC整改的電路原理與布局優(yōu)化

降低開關(guān)速度是減弱干擾源的有效手段。過快的開關(guān)速度容易引起振鈴，增加系統(tǒng)高頻輻射。以TI的電機驅(qū)動芯片為例，一般開關(guān)速度可以通過Idrive或Slew Rate進行調(diào)節(jié)。減小高頻回路輻射對電機驅(qū)動應用至關(guān)重要。開關(guān)電流從驅(qū)動芯片到負載再返回的路徑應該越小越好，以減小走線電抗產(chǎn)生的高頻輻射。

在多層板的layout設(shè)計中，一個完整的地平面可以提供最小的電流返回路徑，并提供對外界的屏蔽。優(yōu)化退耦電容網(wǎng)絡(luò)可以應對高頻噪聲。退耦電容充當本地的電荷蓄水池，在面對電氣瞬態(tài)時儲存多余的電荷或提供大電流支持。靠近芯片管腳擺放的退耦電容可以為更高頻的噪聲提供更小的返回路徑。在不同梯度的電容組合中，大電容應對長時間低頻的瞬態(tài)，小電容應對短脈寬高頻的瞬態(tài)。

四、電機驅(qū)動EMC整改的濾波與屏蔽技術(shù)應用

增加PI型濾波器是阻斷電機干擾反向傳輸?shù)挠行Х绞健．斣O(shè)備連接至電源時，在電源線上通常有差模電流和共模電流生成。PI型濾波器提供對差模噪聲的低阻抗回路，能明顯改善低頻段的差模噪聲。屏蔽措施對優(yōu)化輻射干擾測試結(jié)果至關(guān)重要。將直流電機的兩個輸出線絞起來，在其上套一個磁環(huán)，可以減小輻射。

如果現(xiàn)場的EMC不規(guī)范，系統(tǒng)可能會頻繁產(chǎn)生故障報警，該類報警無需其他額外操作，確認錯誤后又可以正常使用，但又會不定時地頻繁出現(xiàn)。所有與系統(tǒng)相連接的電纜必須為屏蔽電纜，這包括電源電纜、電機動力電纜、編碼器線纜以及抱閘電纜。編碼器信號線纜和動力線纜需要分開敷設(shè)在不同的電纜槽中，編碼器信號線纜必須與動力線纜保持10cm以上的距離。

五、電機驅(qū)動EMC整改的針對性整改與實戰(zhàn)案例

根據(jù)EMC測試結(jié)果制定針對性整改方案至關(guān)重要。如果低頻段差模噪聲超標，可以通過PI型濾波器進行優(yōu)化。中頻段可以通過優(yōu)化供電pin的梯度設(shè)計進行優(yōu)化。需要注意的是退耦電容需要離供電pin盡可能接近，且中間不應有過孔。

如果中高頻段超標，可以通過開啟芯片的展頻功能進行優(yōu)化。車載電機控制器整改案例顯示，在某車載電機控制項目中，存在低頻段部分輻射嚴重超標問題。通過對PWM信號線束進行屏蔽處理，輻射情況得到明顯改善。實測發(fā)現(xiàn)，電機兩端的電壓波形會有明顯的過沖和振鈴現(xiàn)象，此處的電壓變化率更大，輻射更強。

電動水泵整改案例表明，傳統(tǒng)整改對策如在正負電源線上串上棒狀電感，并聯(lián)X電容和Y電容，效果可能不理想。而使用共模電感和BDL濾波器則能有效濾除噪聲，BDL濾波器對比傳統(tǒng)方法具有濾波效果好、濾波頻段寬、方案成本低等優(yōu)點。

六、電機驅(qū)動EMC整改的系統(tǒng)級設(shè)計與標準符合性

遵循EMC設(shè)計規(guī)范是確保系統(tǒng)可靠的關(guān)鍵。SINAMICS V90 驅(qū)動器只有符合EMC的安裝，才能保證系統(tǒng)可靠，不受干擾的運行。建議采用獨立的24V直流電源給系統(tǒng)供電，不可與繼電器、電磁閥等感性負載公用24V直流電源。符合國際標準對產(chǎn)品上市至關(guān)重要。IEC 61800-3規(guī)定了動力推進系統(tǒng)的電磁兼容性要求，這些是可調(diào)速交流或直流電機驅(qū)動器。

對轉(zhuǎn)換器輸入或輸出電壓高達35kV AC RMS的PDS規(guī)定了要求。系統(tǒng)級設(shè)計優(yōu)化包括PCB布局遵循“三分離”原則：高速數(shù)字電路與模擬電路物理隔離，功率地與信號地單點連接。某伺服電機案例顯示，驅(qū)動芯片與功率器件間距縮短至5mm，配合65μm覆銅層，可使144MHz頻點余量提升至6dB。軟件協(xié)同方面，微步驅(qū)動技術(shù)通過細化電流控制，減少電流躍變，配合軟啟動算法可降低30%開關(guān)噪聲。

結(jié)語

有數(shù)據(jù)顯示，科學的EMC整改可使產(chǎn)品一次通過率提升60%，故障率降低40%。面對日益嚴格的電磁環(huán)境要求，只有從源頭上重視EMC設(shè)計，才能讓產(chǎn)品在競爭中脫穎而出。電機驅(qū)動系統(tǒng)的EMC整改不是事后補救，而應是貫穿產(chǎn)品設(shè)計始終的系統(tǒng)工程。從最初的芯片選型、布局規(guī)劃，到中期的濾波屏蔽設(shè)計，再到最后的測試驗證，電機驅(qū)動EMC整改每一個環(huán)節(jié)都需要工程師們的精心考量。

審核編輯 黃宇