【導讀】隨著汽車市場不斷發展，車企對自動化、安全性和功率優化的需求日益增長。在這種背景下
，直流電機在車身應用中發揮著重要作用。在油車和電動車門鎖
、車窗升降、油液泵
、方向盤調節、電動後備箱等各種功能設備都會用到直流電機。在可靠性
、易用性、監測和保護方麵，用專用驅動芯片控製直流電機具有優勢，並且能夠提供先進的驅動功能，例如，用PWM輸入信號驅動電機，通過改變占空比調節電機轉速和轉矩，最終實現高級的功能。

但是
，PWM信號會引起明顯的電磁幹擾，導致射頻幹擾和信號失真等問題。在極端情況下
，EMI可能會對車輛安全產生嚴重影響，幹擾安全氣囊

、防抱死製動
、電子穩定控製等重要安全係統，給駕駛員和乘客埋下嚴重的安全隱患。因此，必須精心設計開發電機及控製電路，最大限度地降低EMI幹gan擾rao，確que保bao全quan車che所suo有you電dian子zi係xi統tong都dou能neng可ke靠kao運yun行xing。通tong過guo仔zai細xi篩shai選xuan電dian子zi元yuan器qi件jian，采cai用yong正zheng確que的de接jie地di和he屏ping蔽bi技ji術shu，選xuan用yong合he適shi的de濾lv波bo器qi
，可ke以yi有you效xiao降jiang低di開kai關guan噪zao聲sheng和he其qi它taEMI輻射源。

轉向柱電機驅動器

越來越多的汽車製造商采用有刷直流電機控製車輛方向盤轉向柱，以提升駕駛體驗、舒適度和安全性。在轉向柱內有升降電機和位移電機

，升降電機用於升高或降低方向盤，使方向盤適合不同身高的駕駛員；位移電機用於向前或向後移動方向盤
，為駕駛員提供更舒適的駕駛位置。圖1是轉向柱電機驅動應用的典型框圖。

▲圖1：雙電機轉向柱的框圖

意法半導體的VIPower M0-7半橋 (H橋) 驅動器係列包含為各種汽車應用專門設計的多種直流電機驅動器。在一個單一的封裝內集成邏輯功能和功率結構
，M0-7係列可實現驅動、保護、故障診斷等先進的功能，同時最大限度地縮小封裝尺寸。該係列產品中的VNHD7008AY和VNHD7012AY兩款電機驅動器是控製轉向柱執行器的最佳選擇
，PowerSSO-36封裝使其集成到新設計或現有設計中變得更簡單高效。

VNHD7008AY/VNHD7012AY還需用兩個外部功率MOSFET才能實現完整的H橋功能。STL76DN4LF7AG和STL64DN4F7AG是采用意法半導體的STripFET F7技術的高性能功率開關管，符合AEC Q101標準，適合汽車應用。雙島PowerFLAT 5x6封裝是另一個產品亮點

，可節省電路板空間，實現緊湊設計。

VNHD7008AY / VNHD7012AY以20 kHz頻率和85%占空比的脈衝電流驅動兩個電機順時針或逆時針運轉。

測試

按照CISPR 25國際標準規定
，用一個杆狀單極天線測量待測產品在特定頻段內的EMI強度。為減少外部幹擾因素
，測量過程是在消聲室內完成

，如圖2所示。

▲圖2：EMI測試裝置框圖

該測試裝置由多個元器件組成，包括測試計劃要求的本機接地的被測設備(EUT)、負載模擬器 (Load sim)
、人工網絡 (AN)，以及介電常數相對較低的支架 (εr≤1.4)。測試裝置使用一個600 毫米 x 600 毫米的天線杆和一個室外電磁輻射測試接收器，以確保EMI的測量結果準確可靠。

根據CISPR 25標準設置接收器的參數
，如表1所示。

▲表1：測試接收器的輻射參數 (CISPR 25標準)

上麵的表格 (表1) 列出了不同的無線電電視廣播類型，定義如下：

●   長波

●   中波

●   短波

●   調頻

●   電視波段

●   數字音頻廣播

●   地麵數字電視

●   衛星數字無線電廣播

降噪指引

在使用直流電機驅動器VNHD7008AY或VNHD7012AY設計轉向柱時，測試結果可以用於製定EMI電磁幹擾優化指引。

1. 初始狀態

   
   

在原始應用板上
，轉向柱沒有接地，也沒有補償網絡。輻射噪聲是用峰值檢測器和均值檢測器捕獲的 (如圖3所示)。

▲圖3：原始板的實測輻射波形

測試結果顯示，在包括LW、MW和SW在內的AM (調幅) 頻段內
，電磁輻射強度很高。如上圖所示，在0.5 MHz至1.7 MHz頻段內，EMI輻射強度最為突出，並且超過了限製規範。

2. 接地連接

將轉向柱體直接連接係統接地是一條經過實踐檢驗的指引。圖4所示是電路板接地後的輻射平均值和峰值波形。

▲圖4：原始板接地後的實測輻射波形

分析認為
，將轉向柱體接地有助於提高EMC (電磁兼容性) 性能。然而，電磁輻射主要是由PWM (脈衝寬度調製) xinhaodexieboyijishangshengyanhexiajiangyandedoupoxielvhebuduichengxielvyinqide
，guolvshuruzaoshengdenanduhenda，yinweidianchixianluzhongdedianliujiaogao，zheyiweizhexuyaogaobaohedianliudianganlvboqi，kenenghuiyingxiangyingyongpingtaidezuizhongchengben。

3. 延長開關升降沿時間

為了降低電路板在0.5 MHz - 1.7 MHz頻段內產生的輻射，還建議延長開關上升沿和下降沿的升降時間，並使上升沿和下降沿勻稱均等
，具體措施辦法見圖5。

▲圖5：優化電路的框圖

增加一個額外的柵極-漏極電容器將會提高柵極-漏極總電容，並延長低邊功率 MOSFET的開關時間
；增加MOSFET柵極電阻並引入不對稱柵極驅動電路可以讓開關的上升斜率與下降斜率均等；優化輸入濾波器的電容值有助於進一步減少在這一頻段的電磁輻射。

3.1 額外的柵極-漏極電容器

通過給外部低邊功率MOSFET開關管增加一個額外的柵漏電容
，可以把0.5 MHz ~ 0.8 MHz頻段內的電磁輻射平均降低10 dBμV/m，0.8 MHz至1.7 MHz頻段內的輻射降低約20 dBμV/m

，其中dBμV/m表示以微伏每米 (μV/m) 為參考量的輻射強度的對數比值。

這(zhe)一(yi)改(gai)進(jin)不(bu)受(shou)轉(zhuan)向(xiang)柱(zhu)體(ti)是(shi)否(fou)接(jie)地(di)的(de)影(ying)響(xiang)，但(dan)接(jie)地(di)可(ke)以(yi)進(jin)一(yi)步(bu)減(jian)少(shao)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)，提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)的(de)整(zheng)體(ti)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)性(xing)能(neng)。建(jian)議(yi)增(zeng)加(jia)的(de)柵(zha)極(ji)漏(lou)極(ji)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)最(zui)大(da)容(rong)值(zhi)為(wei)470 pF，以防止係統突然關閉。事實上，開關上升斜率增加過多可能會觸發VNHD7008AY / VNHD7012內部的VDS (漏源電壓) 保護機製 (專門設計用於防止電池線短路衝擊電機)。考慮到電容值的公差和溫度範圍變化，更高的電容值 (高達560 pF) 也是可以接受的，但不建議使用。把所有這些因素考慮進去，470 pF的容值將確保係統有一個安全裕量。圖6所示是電路改進方法可以實現的最佳結果，該圖描述了在增加柵極漏極電容器和轉向柱接地後的係統輻射強度。

▲圖6：在轉向柱接地和增加柵漏電容後的輻射波形

3.2 非對稱柵極驅動

該電路優化需要提高H橋電機驅動器輸出到低邊MOSFET柵極的電路的電阻，下麵所示電路（圖7）是一個非對稱柵極驅動解決方案。

▲圖 7：非對稱柵極驅動電路解決方案

減少電磁輻射有兩個解決方案：第一個方案是將柵極電阻 (R1) 從470 Ω提高到 1 kΩ，第二個方案是增加二極管D1並串聯470Ω電阻，以實現不對稱柵極驅動。此外

，增加柵極-漏極電容可以讓開關波形變得更勻稱
，電機端子上的開關上升沿和下降沿更平滑。這兩個解決方案可以有效地減少電磁輻射
，詳見圖8轉向柱體接地時的輻射波形。

▲圖8：在轉向柱體接地和不對稱柵極驅動時的輻射波形

這個解決方案使0.9 MHz至1.7 MHz頻段內的輻射強度低於CISPR 25標準的規範限值。

用電阻電感 (R-L) 負載模擬器在應用板進行一些測試測量
，有助於更清楚地解釋不對稱柵極驅動器的效果：

●   2 Ω resistor with 13 µH inductor

●   2 Ω電阻和3 µH電感

當低邊MOSFET柵極上安裝470歐姆柵極電阻時
，開關的下降沿 (約170 ns) 比上升沿 (約800 ns) 快很多。

通過引入圖6所示的非對稱柵極驅動器，並使用以下阻值：

●   R1 = 1000 Ω

●   R2 = 470 Ω

開關的升降波形就會變得更加勻稱。

下圖 (圖9) 所示是相關波形，其中，綠線代表MOSFET的柵源電壓 (VGS)，紅線是PWM (脈衝寬度調製) 控製電壓 (VCONTROL)
，藍線是負載上的電壓 (MOSFET 的 VDS 漏源電壓)。

▲圖9：在采用非對稱柵極驅動後的實測開關波形

開關上升沿時間變短是因為R1和R2兩個電阻並聯後導致柵極電阻降低 (約320 Ω)，同時下降沿時間增加到270 ns。

總之
，開關上升沿和下降沿時間趨於相同，結合開關時間延長 (導致相關諧波減少)，使輻射強度得到整體改善。

3.3 額外的濾波電容

在采用1 μH電感器的輸入濾波器上，建議增加一個額外的電容，以進一步減少輻射
，特別是在最低頻率範圍內的輻射。

圖10所示是所有修改建議的累積效果，顯示了實測峰值和均值頻譜。

▲圖10：在采納所有電路修改建議後的實測輻射波形

即(ji)使(shi)采(cai)用(yong)上(shang)麵(mian)的(de)改(gai)進(jin)措(cuo)施(shi)後(hou)，仍(reng)然(ran)存(cun)在(zai)一(yi)段(duan)很(hen)小(xiao)的(de)輻(fu)射(she)強(qiang)度(du)高(gao)於(yu)標(biao)準(zhun)限(xian)值(zhi)的(de)頻(pin)率(lv)，為(wei)進(jin)一(yi)步(bu)降(jiang)低(di)這(zhe)些(xie)輻(fu)射(she)
，可(ke)以(yi)另(ling)增(zeng)加(jia)一(yi)個(ge)輸(shu)入(ru)濾(lv)波(bo)器(qi)，把(ba)輻(fu)射(she)抑(yi)製(zhi)性(xing)能(neng)從(cong)最(zui)小(xiao)的(de)10 dBμV/m提高到最大30 dBμV/m
，但是這會而影響應用的最終成本。

結論

下圖 (圖11) 是最初情況 (藍線) 與我們提出的解決方案 (黃線) 的輻射頻譜的比較圖，簡要描述了輻射改進的總體效果。

▲圖11：初始情況與我們提出的所有解決方案的實測輻射對比

我們的應用修改建議可以有效降低直流電機控製係統的電磁輻射率，確保在0.5 MHz - 1.7 MHz頻段內電磁輻射符合CISPR-25標準規範的規定限值。下表 (表2) 總結了在采用不同的解決方案後
，輻射峰值的依次平均降幅。

▲表2. 輻射峰值的平均降幅

研究結果證明
，我們提出的直流電機控製係統改善建議可以有效地降低輻射率，確保輻射符合CISPR-25標準規範的限值規定，這對於係統的可靠和安全運行至關重要。

參考文獻

[1] R. Kahoul, Y. Azzouz, B. Ravelo, B. Mazari, “New Behavioral Modeling of EMI for DC Motors Applied to EMC Characterization,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 60, Dec. 2013.[2] J.M. Poinsignon, P. Matossian, B. Mazari, F. Duval, “Automotive Equipments EMC Modeling for Electrical Network Disturbances Prediction,” Proc. IEEE Int. Symp. EMC, Vol. 1, 2003.[3] “CISPR 25 IEC, Limits and Methods of Measurement of Radio Disturbance Characteristics for Protection of Receivers used on Board Vehicles,” 2002-2008.[4] S. Wang, Y.Y. Maillet, F. Wang, R. Lai, F. Luo, D. Boroyevich, “Parasitic Effects of Grounding Paths on Common-Mode EMI Filter’s Performance in Power Electronics Systems,” IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 57, Sept. 2010.

作者：意法半導體意大利Catania公司Sebastiano Grasso, Leonardo Agatino Miccoli, Giusy Gambino, Filippo Scrimizzi

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