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  • 關(guān)于車(chē)載無(wú)線電EMI 問(wèn)題和解決方案
    關(guān)于車(chē)載無(wú)線電EMI 問(wèn)題和解決方案
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  • 來(lái)源:embedded   發(fā)布日期: 2022-05-23  瀏覽次數(shù): 1,297

    對(duì)于我們這些在日常通勤中花費(fèi)過(guò)多時(shí)間在走走停停的交通(或完全停在所謂的州際公路上)的人來(lái)說(shuō),知道這段空閑時(shí)間可以用于許多其他目的,并且汽車(chē)一直是幫助我們完成一些其他“任務(wù)”的技術(shù)的關(guān)鍵市場(chǎng),例如電話交談、短信和電子郵件、在線購(gòu)物和沖浪、電影下載視頻流、游戲玩,等等。如果您在交通中向左或向右看,您會(huì)發(fā)現(xiàn)這些任務(wù)中的大部分都是圍繞手機(jī)的使用而發(fā)展的。為了補(bǔ)充這種高使用率,其中一項(xiàng)較新的實(shí)施技術(shù)是車(chē)載無(wú)線充電功能內(nèi)置于中央控制臺(tái)區(qū)域或其他一些易于訪問(wèn)的位置。目的?移除所有這些插入式電纜并在充電時(shí)將手機(jī)放在已知位置。

    背景

    在過(guò)去的三年中,無(wú)線電力技術(shù)“戰(zhàn)爭(zhēng)”以“Qi”或無(wú)線電力聯(lián)盟 (WPC) 成為贏家,而現(xiàn)在是低功耗的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。全球所有領(lǐng)先手機(jī)制造商實(shí)施 Qi 技術(shù)進(jìn)一步驗(yàn)證了這一點(diǎn)。在此之前,汽車(chē)制造商確實(shí)在他們的車(chē)輛中實(shí)施了無(wú)線充電,但人們一直擔(dān)心是否會(huì)因?yàn)橘I(mǎi)家的手機(jī)不兼容嵌入式充電技術(shù)而失去銷(xiāo)售。

    提供無(wú)線充電功能的車(chē)型實(shí)施數(shù)量已從 2016 年初的 40 多款增長(zhǎng)到 100 多款(目前),這相當(dāng)于超過(guò) 1200 萬(wàn)輛(240 萬(wàn)輛 OEM 安裝,970 萬(wàn)輛售后市場(chǎng))具有基于 Qi 的車(chē)輛僅在 2018 年安裝的車(chē)輛系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中的大多數(shù)都符合 Qi 基本功率配置文件 (BPP) 和 5W(瓦)。新的方向是更快的充電和更高的功率。大多數(shù)新設(shè)計(jì)的目標(biāo)是符合 Qi 擴(kuò)展功率配置文件 (EPP) 或 15W 功能。這種能夠更快充電的額外便利伴隨著必須克服的額外技術(shù)障礙。三個(gè)主要問(wèn)題是 EMI 合規(guī)性、效率和熱限制。

    15W系統(tǒng)

    在 WPC 標(biāo)準(zhǔn)中,有子類(lèi)別(例如 MP-A8、MP-A9、MP-A13)指定了無(wú)線電力系統(tǒng)的各個(gè)方面以及放置在中控臺(tái)內(nèi)的發(fā)射 (Tx) 線圈的配置區(qū)域。出于互操作性目的,該標(biāo)準(zhǔn)定義了:輸入直流電壓、Tx 線圈尺寸和形狀、電氣參數(shù)、頻率控制(固定與可變)、功率水平和功率控制(電壓/頻率/相位/占空比)。使用車(chē)輛主電池的輸入電壓通常為 12V 進(jìn)入發(fā)射器電路,因此具有升高的電壓,產(chǎn)生的電場(chǎng) (E) 比與許多桌面無(wú)線充電器相關(guān)的 5V 輸入電壓更強(qiáng)。由于系統(tǒng)內(nèi)的諧振操作模式,線圈(諧振器/天線)上的實(shí)際電壓可能在 100V 左右,

    EMI 問(wèn)題和解決方案

    在較新的車(chē)輛上,有許多射頻系統(tǒng),所有這些系統(tǒng)都需要共存以確保它們所做的事情不會(huì)影響其他任何東西。其中一些是:AM/FM 收音機(jī)、GPSADAS 系統(tǒng)、多個(gè)蜂窩頻段、藍(lán)牙、WiFi、資產(chǎn)跟蹤、短波收音機(jī)、密鑰卡、警察掃描儀、遠(yuǎn)程信息處理等,甚至可能還有一些 CB 收音機(jī)對(duì)于所有那些 10-4 哥們?cè)谀抢铩?/p>

    其中一些射頻系統(tǒng)在 Qi EPP 無(wú)線電力系統(tǒng)的 87-205 KHz(最高可達(dá) 300 KHz)基頻范圍內(nèi)和/或通過(guò)低諧波運(yùn)行。525 KHz 至 1705 KHz(在美洲)的 AM 收音機(jī)被要求無(wú) EMI,因?yàn)樗挥米骶o急廣播系統(tǒng)的一部分。新的遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng) (RKE) 以 125 KHz 運(yùn)行,一些輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng) (TPMS) 也使用此頻率來(lái)驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)器 LC 線圈電路。

    汽車(chē)應(yīng)用對(duì) EMI 有非常嚴(yán)格的要求。CISPR 25(Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques)是一項(xiàng)非監(jiān)管工程汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn),它設(shè)定了為保護(hù)其他車(chē)載接收器而必須滿(mǎn)足的傳導(dǎo)和輻射發(fā)射限值。它在 150 kHz 至 2500 MHz 的頻率范圍內(nèi)定義了這些限制,這些限制可能由其他車(chē)載天線傳導(dǎo)。

    在 CISPR 25 中,有一些類(lèi)別定義了允許的傳導(dǎo)和輻射噪聲發(fā)射限值的水平,輻射噪聲是真正值得關(guān)注的問(wèn)題。表 1 中給出了通過(guò) FM 無(wú)線電頻段的峰值、準(zhǔn)峰值和平均測(cè)量電壓的類(lèi)發(fā)射 [輻射] 限制與頻段。

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    表 1:按類(lèi)別劃分的 CISPR 25 輻射限值

    隨著 Qi EPP 功率水平的提高,滿(mǎn)足 Class 4 一直是一個(gè)挑戰(zhàn),目前市場(chǎng)上還沒(méi)有 Class 5 系統(tǒng)。對(duì)于車(chē)載無(wú)線充電,高達(dá) 1.8 MHz 的 AM 頻率是最敏感的,但認(rèn)證測(cè)試確實(shí)會(huì)超過(guò) 1 GHz。圖 1 提供了實(shí)際的 CISPR 25 Class 5 測(cè)量數(shù)據(jù)。

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    圖 1:CISPR 25 5 類(lèi)初始測(cè)試 100 KHz 至 30 MHz

    從圖中可以看出,該設(shè)計(jì)并未完全通過(guò) 5 類(lèi)認(rèn)證,但確實(shí)符合 4 類(lèi)要求。EMI 噪聲抑制從系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)開(kāi)始,以下部分介紹了設(shè)計(jì)中用于滿(mǎn)足 CISPR 25 要求的一些關(guān)鍵領(lǐng)域。

    減輕 EMI 噪聲的第一個(gè)領(lǐng)域是實(shí)施固定頻率系統(tǒng)。在 Qi 標(biāo)準(zhǔn)中,有一些方法可以讓可變頻率更好地“調(diào)整”兩側(cè)以提高性能。然而,為了滿(mǎn)足與車(chē)載電源系統(tǒng)相關(guān)的嚴(yán)格 EMI 噪聲水平,不斷變化的頻率將使?jié)M足這些要求變得更加困難。此外,歐洲汽車(chē)制造商對(duì) 145 KHz 以上有限制,因此當(dāng)前解決方案的固定工作頻率設(shè)置在 127 KHz 左右。

    下一個(gè)技術(shù)是通過(guò) Tx 線圈去除方波電流,并使這些電流盡可能接近正弦曲線。這種方法減少了可能產(chǎn)生的噪聲“尖峰”。這可以通過(guò)使用電感器來(lái)實(shí)現(xiàn),因?yàn)檫@種無(wú)源器件可以消除由開(kāi)關(guān)?(MOSFET) 的開(kāi)/關(guān)產(chǎn)生的方波電流,并有助于確保開(kāi)關(guān)方案“干凈”且無(wú)噪聲。

    通過(guò)在電源線上添加一個(gè)與 Tx 線圈繞組串聯(lián)的共模濾波器 (CMF),可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的 EMI 抑制。通過(guò)線圈的電流是 100% 的交流電 (AC),并且沒(méi)有像許多涉及直流電流和一些允許紋波電流的電源那樣包含直流電 (DC)。線圈的電流可以認(rèn)為是 100% 的紋波電流。因此,選擇用于該 CMF 的鐵氧體材料很重要,并且在 127 KHz 固定頻率下,交流磁芯損耗必須處于絕對(duì)最小值。

    另一種 EMI 噪聲抑制技術(shù)是添加 EMI 噪聲抑制磁片,以吸收可能從主 Tx 屏蔽背面?zhèn)鬏敵鰜?lái)的工作頻率、諧波和雜散噪聲。磁片通過(guò)兩種方法消除 EMI 噪聲。首先,這些材料的磁導(dǎo)率 (μ‘) 使這些屏蔽能夠包含 [吸收] EMI 噪聲磁通量 (φ) 并防止其被輻射。接下來(lái),這些屏蔽的電阻特性 (μ”) 為不需要的頻率的通量場(chǎng)創(chuàng)建了一個(gè)電阻路徑,并衰減了 EMI 噪聲并以熱量的形式將其從環(huán)境中移除。這種關(guān)系在公式 1 中給出。

    μ = μ’ – jμ” [等式。1]

    對(duì)于 EMI 抑制應(yīng)用,更高的 μ‘ 通過(guò)磁通量抑制產(chǎn)生更好的屏蔽性能,而更高的 μ’ 通過(guò)材料磁芯損耗產(chǎn)生更好的噪聲抑制。μ‘ 值太高會(huì)降低性能。由于一種稱(chēng)為磁耦合?(K) 的現(xiàn)象,具有額外的磁片可以改變 Tx 線圈的電感值并通過(guò)互耦合(M 或 Lm)使電路失諧,并使其遠(yuǎn)離所需的固定頻率。

    最后,如果 EMI 抑制片確實(shí)會(huì)導(dǎo)致固定頻率問(wèn)題,那么也可以使用非磁性材料來(lái)抑制 EMI 噪聲。挑戰(zhàn)在于獲得一種能夠吸收一定程度的噪聲能量的材料,但又不會(huì)過(guò)于金屬化,以至于不能簡(jiǎn)單地反射 EMI 噪聲而不是去除它,也不會(huì)抑制所需的 H 場(chǎng)。具有低表面電阻(~4 ohms/square)的銀合金基薄膜已被使用,并展示了高達(dá) 1 MHz 的改進(jìn)的 EMI 噪聲抑制和有問(wèn)題的諧波的衰減。這些放置在繞組頂部的非磁性薄片傾向于更好地抑制基于電壓/E 場(chǎng)的諧波,而不是基于電流/H 場(chǎng)的諧波。

    Tx 線圈帶有自己的磁屏蔽,其中包含由通過(guò)繞組的正弦電流產(chǎn)生的磁通量。對(duì)于基本工作頻率 (127 KHz),屏蔽材料被選擇為具有更高的 μ’ 和非常低的 μ”,以不衰減所需的磁通量場(chǎng)。該屏蔽包含工作頻率下的所需磁通量以提高性能和一些諧波通量,因此成為整體 EMI 合規(guī)性解決方案的一部分。

    Chris T. Burket已在?TDK?工作超過(guò) 25 年,并在洛杉磯辦事處占據(jù)了一張辦公桌。他曾在 TDK 擔(dān)任過(guò)多個(gè)職位,目前是一名產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師。他開(kāi)著一輛 1968 年的 Camaro,新車(chē)時(shí)沒(méi)有配備集成無(wú)線充電系統(tǒng)選項(xiàng)。


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