使用交錯(cuò)接地平面改善隔離式電源噪聲濾除

本期，我們將聚焦于電動(dòng)汽車高壓電池系統(tǒng)帶來的電擊危險(xiǎn)及共模噪聲問題并介紹相關(guān)方法改善此問題。

過去，汽車電子設(shè)備通過與用來啟動(dòng)車輛的同一 12V 鉛酸電池供電。即使在發(fā)電機(jī)運(yùn)行且電池電纜斷開的情況下可能發(fā)生高達(dá) 42V 的浪涌，電壓仍會(huì)保持在低于 60VDC 的安全超低電壓 (SELV) 范圍內(nèi)。因此，無需擔(dān)心導(dǎo)電印刷電路板 (PCB) 布線的間距問題，來避免汽車電路中發(fā)生電擊危險(xiǎn)。

由于電動(dòng)汽車 (EV) 的電機(jī)需要更高的電壓（400V 或 800V）才能運(yùn)行，因此電擊危險(xiǎn)現(xiàn)在是汽車應(yīng)用中需要關(guān)注的一個(gè)問題。連接到交流電源的電路與使用公用電力的 SELV 電路之間的邊界所適用的嚴(yán)格間隔，現(xiàn)在也適用于連接到電動(dòng)汽車中高壓電池的電路與使用 12V 系統(tǒng)運(yùn)行的 SELV 電路之間的邊界，如信息娛樂系統(tǒng)和車身電子裝置（主要是照明）。

無法滿足 CISPR 25

為了驅(qū)動(dòng)使用高壓電動(dòng)汽車電池運(yùn)行的牽引逆變器中的大功率半導(dǎo)體開關(guān)，需要用到輔助電源，其中許多都是由低壓 12V 系統(tǒng)供電。問題是，這些隔離式電源會(huì)將大量共模噪聲泵回 12V 汽車電池線路，導(dǎo)致其無法滿足汽車國(guó)際無線電干擾特別委員會(huì) (CISPR) 25 傳導(dǎo)發(fā)射限制，該限制擴(kuò)展至 108MHz。此噪聲很大程度上由輔助電源隔離變壓器的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組之間的主開關(guān)波形電容耦合來驅(qū)動(dòng)。初級(jí)接地和次級(jí)接地之間具有高額定浪涌電壓的旁路電容器（Y 電容器）會(huì)形成一個(gè)小環(huán)路，很大程度上可以抑制這種共模噪聲，而電池線路上的共模濾波可以進(jìn)一步降低這種噪聲，從而可以符合 CISPR 25 限制要求。

汽車電路的間距要求

關(guān)于高壓電動(dòng)汽車電池和大多數(shù)傳統(tǒng)汽車電路中使用的低壓 12V 電池系統(tǒng)之間的增強(qiáng)間距，常見的目標(biāo)是 8mm 間距。這將涵蓋 400VRMS、污染等級(jí) 2 和材料組 III；或 800VRMS，同樣是污染等級(jí) 2，但材料組 I。有關(guān)間距要求的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 60664-1 標(biāo)準(zhǔn)“低壓供電系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的絕緣配合第 1 部分：原理、要求和試驗(yàn)”。

滿足多層 PCB 的爬電距離和間隙要求

IEC 的嚴(yán)格間距要求是由暴露在污染空氣中的表面的高壓擊穿（爬電）以及空氣本身的擊穿或電弧（間隙）來推動(dòng)。在橋接初級(jí)-次級(jí)隔離柵的元件中（如變壓器或集成電路 (IC)），以及不接觸空氣或水分的多層 PCB 的內(nèi)層中，間距要求低得多，只要隔離層能夠承受數(shù)千伏高電壓測(cè)試即可。對(duì)于增強(qiáng)型隔離柵應(yīng)用中使用的 IC，常見的測(cè)試電平為 5kV，這使得具有四層或以上的 PCB 能夠在內(nèi)層上實(shí)現(xiàn)初級(jí)接地和次級(jí)接地相互交錯(cuò)。內(nèi)層有間距要求，但與暴露在空氣中的層相比，要求顯著降低。在某些應(yīng)用中，1mm 間距對(duì)于 800V 電池系統(tǒng)來說就已足夠。

采用隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器的演示

我們構(gòu)建了兩塊電路板，用于對(duì)比 CISPR 25 5 類限制來演示我們 UCC12051-Q1 隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器的發(fā)射性能。該轉(zhuǎn)換器包含一個(gè)典型的電池線路電磁干擾濾波器，專為在 100mA 負(fù)載下 5V 輸入和 5V 輸出而設(shè)計(jì)。一個(gè)板（未發(fā)布）的所有四個(gè)層上初級(jí)和次級(jí)之間的間距都為 8mm，還有一個(gè)板（汽車級(jí)、CISPR 25 5 類發(fā)射、隔離式 5V 輔助電源參考設(shè)計(jì)）允許在兩個(gè)內(nèi)層中實(shí)現(xiàn)初級(jí)接地和次級(jí)接地交錯(cuò)，且初級(jí)接地和次級(jí)接地之間的間距為 1mm。初級(jí)接地到次級(jí)接地的附加有效電容估計(jì)為 11pF。UCC12051-Q1 內(nèi)部的隔離式轉(zhuǎn)換器以 8MHz 進(jìn)行切換，確保它在 CISPR 25 方面的第一個(gè)頻率是其在 32MHz 下的四次諧波。

圖 1 是隔離式 5V 參考設(shè)計(jì)原理圖中的一個(gè)片段，其中顯示了一個(gè) IC 隔離式轉(zhuǎn)換器，它具有初級(jí)接地連接到次級(jí)接地電容器，用于抑制由轉(zhuǎn)換器的隔離變壓器產(chǎn)生的高頻噪聲。未發(fā)布的電路板與隔離式 5V 參考設(shè)計(jì)相同，只是缺少 PCB 層交錯(cuò)。

圖 1. 隔離式 5V 參考設(shè)計(jì)中直流/直流轉(zhuǎn)換器的初級(jí)和次級(jí)接口，其中顯示增加了旁路電容器 C100 和 C101 以及交錯(cuò)內(nèi)層電容

鑒于需要冗余以確保安全，并且需要保持初級(jí)接地到次級(jí)接地的整體間距，我們放置了兩個(gè)串聯(lián) Y 電容器（C100 和 C101），用來橋接初級(jí)接地和次級(jí)接地。因此，有效電容是每個(gè)電容器值的一半。在某些情況下，需要三個(gè)串聯(lián)電容器（330pF 電容器）來保持必要的間距。

在圖 2 中，左側(cè)圖像是未發(fā)布的電路板，所有層的間距均為 8mm；右側(cè)圖像是隔離式 5V 參考設(shè)計(jì)，頂層和底層的間距為 8mm，內(nèi)層間距僅為 1mm，使得它們的初級(jí)平面和次級(jí)接地平面能夠重疊。

圖 2. 所有層上全部間距 8mm（左）與僅頂層和底層間距 8mm（右）：頂層為紅色；第 2 層為深綠色；第 3 層為淺藍(lán)色；第 4 層為棕褐色；第 2 層和第 3 層的重疊為淺綠色；任何層上無銅為黑色

輻射發(fā)射與 CISPR 25

對(duì)于隔離式 5V 參考設(shè)計(jì)，我們預(yù)計(jì)這種交錯(cuò)加上初級(jí)接地和次級(jí)接地之間增加的 11pF 電容，只會(huì)對(duì) 200MHz 以上的輻射發(fā)射有所幫助。實(shí)際上，在所有高于 200MHz 的頻率下，交錯(cuò)層使輻射發(fā)射能夠符合 CISPR 25 5 類標(biāo)準(zhǔn)，即使沒有旁路電容器 C100 和 C101 也是如此（圖 3）。在沒有交錯(cuò)層的情況下，我們?cè)诔跫?jí)接地和次級(jí)接地之間需要額外的 Y 電容器，才能在相同的頻率范圍內(nèi)符合要求。有關(guān)發(fā)射測(cè)試設(shè)置，請(qǐng)參閱測(cè)試報(bào)告。

圖 3. 無額外 Y 電容器的情況下，200MHz 以上輻射發(fā)射與 CISPR 25 5 類要求。此特定掃描未包含在隔離式 5V 參考設(shè)計(jì)測(cè)試報(bào)告中。電路板以大于 10dB 的裕度達(dá)到了限制要求

出乎意料的是，在嚴(yán)格的傳導(dǎo)發(fā)射限制下，30MHz 至 108MHz 范圍的濾波（C101 和 C102）得到顯著增強(qiáng)。借助初級(jí)接地和次級(jí)接地之間 110pF 的有效附加電容，交錯(cuò)改善了整個(gè) 30MHz 至 108MHz 范圍內(nèi)的傳導(dǎo)降噪，幅度大約為 4dB 至 8dB。在該頻率范圍內(nèi)，交錯(cuò)使得結(jié)果從以 4dB 之差達(dá)不到要求，變?yōu)橐?4dB 的裕度達(dá)到要求。

傳導(dǎo)發(fā)射與 CISPR 25

圖 4 和圖 5 顯示了這兩個(gè)電路板的傳導(dǎo)發(fā)射掃描，唯一的區(qū)別是內(nèi)層交錯(cuò)。兩次掃描都在相同的線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) (LISN) 上進(jìn)行，采用相同的共模電池線路濾波，以及相同的 5V 輸出 100mA 負(fù)載。

圖 4. 隔離式 5V 參考設(shè)計(jì)（有交錯(cuò)層）傳導(dǎo)發(fā)射與 CISPR 25 5 類（30MHz 至 108MHz）：以 4.5dB 的裕度達(dá)到要求，最壞情況是在 82MHz 下進(jìn)行的“CISPR 平均值”檢測(cè)

圖 5. 未發(fā)布電路板（無交錯(cuò)層）傳導(dǎo)發(fā)射與 CISPR 25 5 類（30MHz 至 108MHz）：以 3.8dB 的裕度未達(dá)到要求，最壞情況是在 32MHz 下進(jìn)行的 CISPR 平均值檢測(cè)

估計(jì)電容為 11pF 的交錯(cuò)層對(duì)濾波的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于在 Y 電容器的有效 110pF 電容上增加 11pF，后者將使濾波改善約1dB。內(nèi)層接地層可降低橋接 Y 電容器的有效電感，使它們能夠更好地分流這些高頻諧波。

這一濾波改進(jìn)加上近端接地平面的優(yōu)點(diǎn)，可以提高電容器濾波的性能，無論目標(biāo)是限制輸出噪聲、控制非隔離式應(yīng)用中的發(fā)射，還是減少半導(dǎo)體上的應(yīng)力和故障。