2.5 电磁干扰抑制措施

2.5.1 EMI抑制技术

1. 滤波技术

在电磁兼容领域，滤波是指从混有噪声或干扰的信号中提取有用信号分量的一种方法或技术，其以降低电磁噪声为目的。实现滤波功能的滤波器可以对某一频率范围的传输能量衰减很小，使能量容易通过；而对另一频率范围的传输能量有很大的衰减，从而抑制了能量的传输。电磁干扰（EMI）滤波器分为差模滤波器和共模滤波器，具体可以分为以下几种类型。

（1）反射式滤波器

反射式滤波器通常由电抗元件如电感和电容组合构成（理想情况下，这些元件是无耗的），使在滤波器的通带内提供小的串联阻抗和大的并联阻抗，而在滤波器的阻带内提供大的串联阻抗和小的并联阻抗。这种滤波器不是靠消耗能量，而是将不需要的频率成分的能量反射回信号源来达到抑制目的。其种类有四种：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。

（2）吸收式滤波器

吸收式滤波器的原理是将不希望有的干扰频率成分的能量损耗在滤波器内（使之转换为热能），而不是反射回去，因此这种滤波器又称为有耗滤波器，包括有源滤波器。

（3）电源线EMI滤波器

电动汽车电气电子设备电源线EMI滤波器分为高压滤波器和低压滤波器，选择和使用电源线EMI滤波器时，最主要的特性参数有额定电压、额定电流、插入损耗、泄漏电流、阻抗匹配、工作环境条件（温度等），另外还要考虑体积、质量和可靠性等。电机控制器、高低压DC-DC变换器和无线充电器的电源EMI滤波器将在第3～5章介绍。

（4）信号线EMI滤波器

信号线EMI滤波器的主要作用是解决空间电磁干扰问题（例如设备向空间辐射较强的电磁干扰）或者设备对空间的电磁干扰敏感等问题。信号线电缆和电源线电缆之间的耦合，导致电源线传导发射在高频超标的现象，就是由信号线上的高频干扰通过空间耦合到电源线上造成的。出现这种现象的原因是信号电缆可以等效为一条效率很高的辐射和接收天线。

2. 屏蔽技术

电磁屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场由一个区域对另一个区域的感应和辐射。从整个系统的角度来看，屏蔽噪声源比屏蔽接收体更有效。

（1）静电屏蔽

在屏蔽罩接地后，干扰电流经屏蔽外层流入大地导体空腔内，在无其他带电体的情况下，导体内部和导体的内表面上处处皆无电荷，电荷仅仅分布在导体外表面上。

（2）电磁场屏蔽

近场电屏蔽的一种方法就是在感应源与受感器之间加一块接地良好的金属板，把感应源的寄生电容短接到地，通过抑制寄生电容耦合，达到电场屏蔽的目的。在远场中，由麦克斯韦方程，电场与磁场方向相互垂直，但相位相同，以电磁波的形式在空间向周围辐射能量，需要设计屏蔽体对电磁波进行屏蔽。

（3）磁场屏蔽

1）静磁场的情况：电磁铁或直流线圈产生的磁场均在空间分布磁力线或磁通。磁力线主要集中在低磁阻（高磁导率）的磁路通过。对磁场的屏蔽主要利用高磁导率的材料，如铁、镍钢等，磁力线将被“封闭”在屏蔽体内，起到磁屏蔽作用。

2）低频交变磁场：磁屏蔽的原理同静磁屏蔽一样，利用高磁导率材料作为屏蔽体，将磁场约束在屏蔽体材料内，如铁磁性材料。

3）高频磁场屏蔽：主要靠屏蔽壳体上感生的涡流所产生的反磁场（起排斥原磁场的作用）进行屏蔽。涡流越大，屏蔽效果越好。应选用良导体材料，如铜、铝或铜镀银等。频率越高，磁屏蔽效果越好。另外，由于趋肤效应，涡流只会在材料的表面流动，所以只需一层很薄的金属材料就足以屏蔽高频磁场。

4）交变电磁场屏蔽：一般采用电导率高的材料作为屏蔽体，并将屏蔽体接地。

电磁屏蔽的表达式为

式中， E ₀ 和 E ₁ 分别为屏蔽前后的电场强度； H ₀ 和 H ₁ 分别是屏蔽前后的磁场强度。

3. 接地

接地是减小不必要噪声和形成安全系统的主要方法之一。正确使用接地技术能够解决多数噪声问题。良好的接地系统不仅可以保障安全，还可以防止不必要的电磁干扰和发射，而不增加产品成本。接地只会对共模噪声产生影响，不仅会抑制50/60Hz频率及其谐波，也会减小高频共模噪声。

（1）安全地

安全接地的目的是使设备与大地有一条低阻抗的电流通路，以保证人身安全和设备安全，而接地是否有效主要取决于接地电阻，阻值越小越好，接地电阻的大小与接地装置及环境条件等因素有关。

（2）信号地

根据信号或返回路径，信号地称为“信号接地”，以定义它们所携带的电流类型，并将它们与“安全接地”区分开来，通常安全接地不承载电流。

信号地的接法有单点接地、多点接地和混合接地。

1）单点接地。所有电路的地线接到公共地线的同一点称为单点接地，它可以划分成两类：串联单点接地和并联单点接地。单点接地用于低频电路，从直流到大约20kHz。通过控制接地拓扑结构，可使接地电流流向期望的地方。

2）多点接地。多点接地是指设备（或系统）中凡是需要接地的点都直接接到离它最近的接地平面上（就近接地），这样做可以使接地线的长度最短。多点接地用于高频（100kHz及以上）和数字电路。多点接地系统使接地噪声电压最小，然而多点接地时容易产生公共阻抗耦合问题。

增加PCB地平面的厚度对其高频阻抗没有影响，是电感而不是接地电阻决定了接地阻抗，由于趋肤效应，高频电流仅在地平面表面流动。任何含有高频或数字逻辑电路的PCB都必须有良好的低电感接地。地面可以是接地平面，也可以是双面板上的接地网。地平面为信号电流提供低电感回路，并允许使用恒定阻抗传输线进行信号互连。PCB多点接地并不意味着供电电源需要多点接地。

3）混合接地。所谓混合接地，要求设计人员对系统各部分工作进行分析，只将那些需要就近接地的点直接接地，而其余各点都采用单点接地的办法。当信号频率覆盖较宽频率范围时，混合接地可能是一种解决方案。视频信号就是一个很好的例子；信号频率可以从30Hz到几十兆赫不等。混合接地是一种系统接地，在不同频率下表现不同的接地方式。在低频时作为单点接地，在高频时作为多点接地。图2-23所示为一种常见的混合接地系统，将需要高频接地的点通过旁路电容与接地平面相连。

2.5.2 关键部件EMI抑制技术

1. 电磁干扰源部件

由图2-24可知，整车既有电机系统、DC-DC变换器、车载充电机等开关电源设备，又有带有高频特性的仪表、导航类电气部件，具体总结如下：

1）电机部件：驱动电机、油泵、气泵、刮水器电机、暖风电机、散热器风扇、换气扇等。

2）继电器部件：闪光继电器、空调压缩机等。

3）内部带有控制电路的部件：刮水器控制器、空调控制器、电子路牌等。

4）内部带有微处理器的部件：整车控制器（VCU）、电池管理系统（BMS）、倒车监控系统、监视主机、车载影音、电子时钟、组合仪表、车载终端等。

5）内部带有功率变换器件的部件：DC-DC、DC-AC电机控制器、二合一、五合一等。

6）带有天线的部件：GPS、GPRS、收音机等。

最为关键的是，这些部件共用低压电源或部分共用高压电源，电磁环境复杂，零部件EMC和整车EMC关联性解析难度大。

2. EMI抑制方法

（1）采用集成化设计

将多功能电路及系统进行集成，如将逆变器前置双向DC-DC升/降压变换器、DC-DC低压充电机、车载电池快速充电器、发电机与电动机逆变单元等功能电路集成，以减少线缆用量，同时提高整车EMC性能。其他集成装配制造技术有薄膜电容与叠层母排一体化设计、动力线缆与传感器的集成设计等。

（2）分区预测和分层设计

整车EMC防护技术采用分区预测和分层设计，按照高低压系统、直流和交流系统、车内和底盘等分区设计，如图2-25所示。接地、滤波和屏蔽技术分层设计将在后续章节关键零部件EMC设计中介绍。