【導(dǎo)讀】電磁兼容性（EMC）是指器件、設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中按設(shè)計(jì)預(yù)期正常工作，且不出現(xiàn)性能下降和故障的能力。在汽車設(shè)計(jì)方面，電磁干擾（EMI）是亟待解決的重大難題。隨著汽車電動化、網(wǎng)聯(lián)化以及控制軟件化不斷提高，電磁干擾抑制在現(xiàn)代車載功率電子系統(tǒng)中尤為關(guān)鍵。車載功率電子系統(tǒng)要求元器件不僅具備高能效和保護(hù)功能，還必須擁有優(yōu)異的抗電磁干擾性能，能夠在電磁干擾環(huán)境中正常穩(wěn)定運(yùn)行。在設(shè)計(jì)中需注意控制傳導(dǎo)發(fā)射與輻射發(fā)射兩類電磁干擾，同時不能損害開關(guān)性能、診斷準(zhǔn)確度和功能安全性。
本文探討了車載功率器件的主要電磁干擾來源，并提出兼顧合規(guī)性與系統(tǒng)穩(wěn)健性的EMC設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)討論了智能功率開關(guān)與智能電子熔斷器，因?yàn)檫@類器件功能集成度高，對電磁擾動尤為敏感。本文以集成熔斷保護(hù)功能且支持軟件配置的四通道高邊驅(qū)動器STi2Fuse VNF9Q20SF為例，介紹如何抑制電磁干擾，同時保障安全功能和診斷質(zhì)量。電壓法傳導(dǎo)發(fā)射實(shí)驗(yàn)結(jié)果與CISPR 25第5類限值對比證明，該器件滿足車載電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求。
引言
設(shè)計(jì)合理的集成電路搭配架構(gòu)合理的系統(tǒng)，很少出現(xiàn)嚴(yán)重的電磁兼容性問題。反之，若系統(tǒng)所用集成電路設(shè)計(jì)存在缺陷，想要使其滿足基礎(chǔ)電磁兼容要求，往往難度很大，耗力耗時，代價很大。抑制電磁干擾已成為現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的基本要求，在汽車電子系統(tǒng)中更是重中之重。隨著汽車電動化、網(wǎng)聯(lián)化以及控制軟件化不斷提高，電磁干擾抑制在現(xiàn)代車載功率電子系統(tǒng)中尤為關(guān)鍵，這類系統(tǒng)要求電子元器件不僅具備高能效和保護(hù)功能，還必須在電磁干擾愈發(fā)復(fù)雜的環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。在此背景下，電磁干擾控制不再只是單純的合規(guī)問題，更是保障產(chǎn)品的可靠性、安全性、穩(wěn)健性與長期品質(zhì)的關(guān)鍵。
汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)十分明確：確保系統(tǒng)嚴(yán)格滿足EMI發(fā)射限值的要求，同時不破壞開關(guān)準(zhǔn)確度、診斷數(shù)據(jù)完整性和功能安全性。隨著配電架構(gòu)日趨智能化和分布化，整車系統(tǒng)變得日益復(fù)雜，這種全面兼顧的產(chǎn)品設(shè)計(jì)也變得愈發(fā)關(guān)鍵。單片集成保護(hù)和監(jiān)控功能的智能電子熔斷器和智能功率開關(guān)，在這一配電架構(gòu)轉(zhuǎn)型中扮演著一個重要角色，也正因整合了這些特性，抗電磁干擾能力必須在研發(fā)初期就納入考量范圍。
車載功率器件的EMI
電磁兼容問題通常可分為芯片內(nèi)部干擾與外部耦合干擾兩類：
? 片內(nèi)電磁兼容問題是芯片內(nèi)部某一電路產(chǎn)生的信號或噪聲干擾同一芯片內(nèi)其他電路的正常工。
? 外部耦合型電磁兼容問題是芯片產(chǎn)生的信號或噪聲干擾芯片外部電路和器件的正常工作；反之亦然。
因此，電磁干擾源分為器件內(nèi)部與外部兩類。內(nèi)部干擾源包括開關(guān)電壓瞬變、寄生電感和寄生電容。這類現(xiàn)象是功率開關(guān)管高速開關(guān)操作的固有特性，在電壓和電流突變時，這些現(xiàn)象尤為顯著。外部干擾源則有射頻耦合噪聲、電源線路傳導(dǎo)噪聲，以及周邊電子設(shè)備和線束產(chǎn)生的電磁擾動。
這兩類干擾機(jī)制會產(chǎn)生低頻、高頻發(fā)射電磁波。低頻噪聲通常與輸出級開關(guān)操作相關(guān)，而高頻噪聲多源自芯片內(nèi)部時鐘及時序電路。由于最終的噪聲頻譜可能與敏感的車載子系統(tǒng)的工作頻段重合，因此，電磁干擾抑制必須視為系統(tǒng)級問題，而非只是一個芯片的問題，也就是說，電磁干擾抑制需從系統(tǒng)層面統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，而非只是優(yōu)化芯片電磁兼容性的問題。
EMI的危害遠(yuǎn)不止于電磁干擾發(fā)射測試不達(dá)標(biāo)，還會降低開關(guān)準(zhǔn)確度和診斷測量準(zhǔn)確度，影響設(shè)備長期運(yùn)行穩(wěn)健性。在安全相關(guān)應(yīng)用場景中，干擾還可能影響保護(hù)功能與備用工作模式的可靠性。因此，應(yīng)在研發(fā)初期就開始電磁干擾協(xié)同設(shè)計(jì)，而非等到樣機(jī)驗(yàn)證階段后再行補(bǔ)救。根據(jù)電磁兼容技術(shù)規(guī)范，必須在多控制器、線束、負(fù)載、傳感器及通信線路共存的情況下進(jìn)行EMC測試，同時各項(xiàng)性能必須符合設(shè)計(jì)要求。
第一版CISPR 25電磁干擾雜散發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)于2002年發(fā)布，規(guī)定了電子系統(tǒng)級測試裝置要求。具體而言，這類標(biāo)準(zhǔn)為評測傳導(dǎo)發(fā)射與輻射發(fā)射提供了一個結(jié)構(gòu)化框架，方便工程師驗(yàn)證硬件設(shè)備不會對車載其他電子裝置造成干擾（見圖1）。
圖1. CISPR 25標(biāo)準(zhǔn)
CISPR 標(biāo)準(zhǔn)分為三個層級?；A(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)被通用標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)正式引用。目前，因?yàn)镃ISPR 標(biāo)準(zhǔn)采用帶日期引用方式，所以，被引用的特定版本就是適用的標(biāo)準(zhǔn)。但是，合規(guī)不應(yīng)視作最終目標(biāo)，而是可量化的電磁特性實(shí)際優(yōu)化結(jié)果。智能功率器件設(shè)計(jì)需要兼顧開關(guān)速度、診斷質(zhì)量、保護(hù)響應(yīng)和發(fā)射性能，做好全面考量。
智能功率開關(guān)和智能熔斷器
汽車電路保護(hù)器件早已突破傳統(tǒng)保險(xiǎn)（熔斷器）和繼電器的功能范疇，今天的保護(hù)器件還集成了負(fù)載控制、故障處理、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和配置軟件化等功能。在狀態(tài)可視性與自適應(yīng)性愈發(fā)重要的現(xiàn)代汽車配電架構(gòu)中，汽車電路保護(hù)器件的價值凸顯。
智能電子保險(xiǎn)或熔斷器正快速成為區(qū)域式和分布式架構(gòu)中的核心基礎(chǔ)器件。當(dāng)發(fā)生故障時，電子保險(xiǎn)響應(yīng)快速，支持可控恢復(fù)，并向中央控制單元傳輸詳盡信息，這既能提升系統(tǒng)保護(hù)能力，又能減少器件數(shù)量，簡化線束布局，進(jìn)一步優(yōu)化整體架構(gòu)效率。
與此同時，這類器件必須能夠在電磁干擾環(huán)境下穩(wěn)定、正常工作，檢測準(zhǔn)確度與輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制精準(zhǔn)度是基本要求，而二者都很容易受到電噪聲影響。因此，抗電磁干擾能力不是一個選項(xiàng)，而是一項(xiàng)基本設(shè)計(jì)要求。
參數(shù)配置軟件化是智能功率器件抑制電磁干擾的高效手段之一，允許設(shè)計(jì)人員根據(jù)應(yīng)用場景調(diào)校關(guān)鍵參數(shù)，而不是將智能功率器件限定在某一個固定工況。車載平臺的負(fù)載狀態(tài)、線纜長度及電磁兼容指標(biāo)往往差異較大，這種靈活性非常適合汽車電子系統(tǒng)工作場景。
開關(guān)斜率控制
開關(guān)斜率控制是抑制電磁干擾的核心技術(shù)之一。通過調(diào)節(jié)輸出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換速率，能夠減緩電壓、電流突變，從而減少噪聲產(chǎn)生。
頻率整形與時鐘抖動
另一項(xiàng)實(shí)用技術(shù)為頻率整形，也稱作時鐘抖動，通過小幅擴(kuò)展內(nèi)部時鐘信號的頻譜能量，來降低特定頻點(diǎn)的發(fā)射峰值。這種方法無法徹底消除噪聲，只是將噪聲能量均勻分散，通常能提升合規(guī)余量，降低系統(tǒng)集成難度。實(shí)際上，擴(kuò)頻調(diào)制可把頻譜能量分?jǐn)傊粮鼘掝l段，以此實(shí)現(xiàn)電磁干擾抑制。
故障診斷與保護(hù)功能
參數(shù)配置軟件化對于故障診斷與保護(hù)邏輯同樣至關(guān)重要。如果器件上報(bào)故障，監(jiān)測電流，并實(shí)時調(diào)整響應(yīng)策略，系統(tǒng)就會具備更強(qiáng)的狀態(tài)感知與控制能力。在兼顧安全與合規(guī)的應(yīng)用場景中，配置軟件化的價值突顯。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
本次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的被測器件是STi2Fuse VNF9Q20SF。這是一款集成熔斷功能的四通道高邊驅(qū)動器，專為車載配電場景設(shè)計(jì)，整合高級故障診斷與保護(hù)功能，非常適用于對穩(wěn)健性和可控性均有要求的系統(tǒng)架構(gòu)。
其主要功能包括限流可設(shè)置、故障上報(bào)、電流檢測、內(nèi)置自檢測以及基于 SPI 總線的參數(shù)配置。這些特性可實(shí)現(xiàn)智能配電，同時保障高安全等級。該器件架構(gòu)尤其適用于要求故障響應(yīng)精準(zhǔn)、可追溯、可預(yù)判的系統(tǒng)。
從電磁干擾角度來看，VNF9Q20SF準(zhǔn)許通過軟件控制開關(guān)特性，并具備先進(jìn)的內(nèi)部管理功能，可有效抑制雜散電磁發(fā)射。盡管如此，最終的電磁兼容性還是取決于系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，包括PCB 布局、去耦電路、回流路徑、接地設(shè)計(jì)、連接器排布、線纜走向、線束長度及負(fù)載特性等多個方面。
該器件產(chǎn)生的傳導(dǎo)類電磁發(fā)射會經(jīng)由線束傳導(dǎo)至其他元器件、子系統(tǒng)或電源網(wǎng)絡(luò)。我們可采用電壓法或電流法進(jìn)行測試傳導(dǎo)發(fā)射強(qiáng)度，本文實(shí)驗(yàn)選用電壓法，測試裝置如圖 2 所示。
圖 2 電壓法傳導(dǎo)發(fā)射測試裝置
說明：
? LISN：線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)
? DUT：被測器件
測試條件如下：
? VBAT = 13 V
? 室溫
? 0、1、3 通道設(shè)為故障安全模式，關(guān)閉
? 2 通道由直流 5V 信號和100Hz、占空比 50% 的PWM脈寬調(diào)制信號直接驅(qū)動，負(fù)載為 27W 與 5W 燈泡組合
開啟 2 通道后，采用峰值檢波方式采集噪聲測試數(shù)據(jù)，并與CISPR 25 5 級限值進(jìn)行對比，結(jié)果見圖 3
圖 3 噪聲測試結(jié)果與 CISPR 25 限值對比
峰值檢波可捕獲代表電磁發(fā)射最惡劣情況的發(fā)射信號內(nèi)各次諧波的最大值，同時也進(jìn)行了平均值檢波，以確認(rèn)發(fā)射值低于均值限值。VNF9Q20SF 智能電子熔斷器滿足 CISPR 25 5 級峰值限值要求，該等級對應(yīng)汽車電磁兼容最高要求。
測試結(jié)果表明，車載功率器件實(shí)現(xiàn)EMI合規(guī)并非依靠單一功能，而是器件架構(gòu)、控制策略與系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合作用的結(jié)果。開關(guān)特性配置軟件化能夠從源頭降低電磁發(fā)射，同時穩(wěn)健的檢測與診斷機(jī)制則可保障器件在強(qiáng)干擾環(huán)境下正常工作。
同時，測試結(jié)果證實(shí)，在不犧牲智能功率器件的核心優(yōu)勢的前提下，滿足 CISPR 25 5 級這類嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)是可行的。智能熔斷器成為未來汽車系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)選方案，尤其適用于需要同時兼顧配電保護(hù)、故障診斷與電磁兼容性能的應(yīng)用場景。
結(jié)論
降低EMI是現(xiàn)代汽車功率器件的核心要求，保障產(chǎn)品合規(guī)、可靠性、功能安全性、診斷數(shù)據(jù)完整性和長期系統(tǒng)品質(zhì)。隨著汽車架構(gòu)的電動化和軟件定義化程度不斷提高，電磁兼容導(dǎo)向設(shè)計(jì)的重要性將持續(xù)提升。
VNF9Q20SF 這類智能電子熔斷器證明，可在單一器件平臺上融合電氣保護(hù)、故障診斷和抗電磁干擾能力。通過控制軟件化、智能開關(guān)特性，穩(wěn)健的系統(tǒng)集成，工程師能夠開發(fā)適配汽車惡劣工作環(huán)境的解決方案。
