意法半導(dǎo)體VIPower M0-7 H橋驅(qū)動(dòng)器：有效降低EMI

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

隨著汽車(chē)市場(chǎng)不斷發(fā)展，車(chē)企對(duì)自動(dòng)化、安全性和功率優(yōu)化的需求日益增長(zhǎng)。在這種背景下，直流電機(jī)在車(chē)身應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。在油車(chē)和電動(dòng)車(chē)門(mén)鎖、車(chē)窗升降、油液泵、方向盤(pán)調(diào)節(jié)、電動(dòng)后備箱等各種功能設(shè)備都會(huì)用到直流電機(jī)。在可靠性、易用性、監(jiān)測(cè)和保護(hù)方面，用專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片控制直流電機(jī)具有優(yōu)勢(shì)，并且能夠提供先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)功能，例如，用PWM輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)改變占空比調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，最終實(shí)現(xiàn)高級(jí)的功能。但是，PWM信號(hào)會(huì)引起明顯的電磁干擾，導(dǎo)致射頻干擾和信號(hào)失真等問(wèn)題。在極端情況下，EMI可能會(huì)對(duì)車(chē)輛安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響，干擾安全氣囊、防抱死制動(dòng)、電子穩(wěn)定控制等重要安全系統(tǒng)，給駕駛員和乘客埋下嚴(yán)重的安全隱患。因此，必須精心設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)電機(jī)及控制電路，最大限度地降低EMI干擾，確保全車(chē)所有電子系統(tǒng)都能可靠運(yùn)行。通過(guò)仔細(xì)篩選電子元器件，采用正確的接地和屏蔽技術(shù)，選用合適的濾波器，可以有效降低開(kāi)關(guān)噪聲和其它EMI輻射源。

轉(zhuǎn)向柱電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

越來(lái)越多的汽車(chē)制造商采用有刷直流電機(jī)控制車(chē)輛方向盤(pán)轉(zhuǎn)向柱，以提升駕駛體驗(yàn)、舒適度和安全性。在轉(zhuǎn)向柱內(nèi)有升降電機(jī)和位移電機(jī)，升降電機(jī)用于升高或降低方向盤(pán)，使方向盤(pán)適合不同身高的駕駛員；位移電機(jī)用于向前或向后移動(dòng)方向盤(pán)，為駕駛員提供更舒適的駕駛位置。圖1是轉(zhuǎn)向柱電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的典型框圖。

▲圖1：雙電機(jī)轉(zhuǎn)向柱的框圖

意法半導(dǎo)體的VIPower M0-7 (H橋) 驅(qū)動(dòng)器系列包含為各種汽車(chē)應(yīng)用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的多種直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。在一個(gè)單一的封裝內(nèi)集成邏輯功能和功率結(jié)構(gòu)，M0-7系列可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、故障診斷等先進(jìn)的功能，同時(shí)最大限度地縮小封裝尺寸。該系列產(chǎn)品中的VNHD7008AY和VNHD7012AY兩款電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是控制轉(zhuǎn)向柱執(zhí)行器的最佳選擇，PowerSSO-36封裝使其集成到新設(shè)計(jì)或現(xiàn)有設(shè)計(jì)中變得更簡(jiǎn)單高效。

VNHD7008AY/VNHD7012AY還需用兩個(gè)外部功率MOSFET才能實(shí)現(xiàn)完整的H橋功能。STL76DN4LF7AG和STL64DN4F7AG是采用意法半導(dǎo)體的STripFET F7技術(shù)的高性能功率開(kāi)關(guān)管，符合AEC Q101標(biāo)準(zhǔn)，適合汽車(chē)應(yīng)用。雙島PowerFLAT 5x6封裝是另一個(gè)產(chǎn)品亮點(diǎn)，可節(jié)省電路板空間，實(shí)現(xiàn)緊湊設(shè)計(jì)。

VNHD7008AY / VNHD7012AY以20 kHz頻率和85%占空比的脈沖電流驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)順時(shí)針或逆時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)。

測(cè)試

按照CISPR 25國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，用一個(gè)桿狀單極天線(xiàn)測(cè)量待測(cè)產(chǎn)品在特定頻段內(nèi)的EMI強(qiáng)度。為減少外部干擾因素，測(cè)量過(guò)程是在消聲室內(nèi)完成，如圖2所示。

▲圖2：EMI測(cè)試裝置框圖

該測(cè)試裝置由多個(gè)元器件組成，包括測(cè)試計(jì)劃要求的本機(jī)接地的被測(cè)設(shè)備(EUT)、負(fù)載模擬器 (Load sim)、人工網(wǎng)絡(luò) (AN)，以及介電常數(shù)相對(duì)較低的支架 (εr≤1.4)。測(cè)試裝置使用一個(gè)600 毫米 x 600 毫米的天線(xiàn)桿和一個(gè)室外電磁輻射測(cè)試接收器，以確保EMI的測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

根據(jù)CISPR 25標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置接收器的參數(shù)，如表1所示。

▲表1：測(cè)試接收器的輻射參數(shù) (CISPR 25標(biāo)準(zhǔn))

上面的表格 (表1) 列出了不同的無(wú)線(xiàn)電電視廣播類(lèi)型，定義如下：

• 長(zhǎng)波
• 中波
• 短波
• 調(diào)頻
• 電視波段
• 數(shù)字音頻廣播
• 地面數(shù)字電視
• 衛(wèi)星數(shù)字無(wú)線(xiàn)電廣播

降噪指引

在使用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器VNHD7008AY或VNHD7012AY設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向柱時(shí)，測(cè)試結(jié)果可以用于制定EMI電磁干擾優(yōu)化指引。

1. 初始狀態(tài)

在原始應(yīng)用板上，轉(zhuǎn)向柱沒(méi)有接地，也沒(méi)有補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。輻射噪聲是用峰值檢測(cè)器和均值檢測(cè)器捕獲的 (如圖3所示)。

▲圖3：原始板的實(shí)測(cè)輻射波形

測(cè)試結(jié)果顯示，在包括LW、MW和SW在內(nèi)的AM (調(diào)幅) 頻段內(nèi)，電磁輻射強(qiáng)度很高。如上圖所示，在0.5 MHz至1.7 MHz頻段內(nèi)，EMI輻射強(qiáng)度最為突出，并且超過(guò)了限制規(guī)范。

2. 接地連接

將轉(zhuǎn)向柱體直接連接系統(tǒng)接地是一條經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的指引。圖4所示是電路板接地后的輻射平均值和峰值波形。

▲圖4：原始板接地后的實(shí)測(cè)輻射波形

分析認(rèn)為，將轉(zhuǎn)向柱體接地有助于提高EMC (電磁兼容性) 性能。然而，電磁輻射主要是由PWM (脈沖寬度調(diào)制) 信號(hào)的諧波以及上升沿和下降沿的陡坡斜率和不對(duì)稱(chēng)斜率引起的，過(guò)濾輸入噪聲的難度很大，因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%94%B5%E6%B1%A0/">電池線(xiàn)路中的電流較高，這意味著需要高飽和電流電感濾波器，可能會(huì)影響應(yīng)用平臺(tái)的最終成本。

3. 延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)升降沿時(shí)間

為了降低電路板在0.5 MHz - 1.7 MHz頻段內(nèi)產(chǎn)生的輻射，還建議延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)上升沿和下降沿的升降時(shí)間，并使上升沿和下降沿勻稱(chēng)均等，具體措施辦法見(jiàn)圖5。

▲圖5：優(yōu)化電路的框圖

增加一個(gè)額外的柵極-漏極電容器將會(huì)提高柵極-漏極總電容，并延長(zhǎng)低邊功率 MOSFET的開(kāi)關(guān)時(shí)間；增加MOSFET柵極電阻并引入不對(duì)稱(chēng)柵極驅(qū)動(dòng)電路可以讓開(kāi)關(guān)的上升斜率與下降斜率均等；優(yōu)化輸入濾波器的電容值有助于進(jìn)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(guò)給外部低邊功率MOSFET開(kāi)關(guān)管增加一個(gè)額外的柵漏電容，可以把0.5 MHz ~ 0.8 MHz頻段內(nèi)的電磁輻射平均降低10 dBμV/m，0.8 MHz至1.7 MHz頻段內(nèi)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(qiáng)度的對(duì)數(shù)比值。

這一改進(jìn)不受轉(zhuǎn)向柱體是否接地的影響，但接地可以進(jìn)一步減少電磁干擾，提高系統(tǒng)的整體電磁兼容性能。建議增加的柵極漏極電容器的最大容值為470 pF，以防止系統(tǒng)突然關(guān)閉。事實(shí)上，開(kāi)關(guān)上升斜率增加過(guò)多可能會(huì)觸發(fā)VNHD7008AY / VNHD7012內(nèi)部的VDS (漏源電壓) 保護(hù)機(jī)制 (專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于防止電池線(xiàn)短路沖擊電機(jī))?？紤]到電容值的公差和溫度范圍變化，更高的電容值 (高達(dá)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(jìn)去，470 pF的容值將確保系統(tǒng)有一個(gè)安全裕量。圖6所示是電路改進(jìn)方法可以實(shí)現(xiàn)的最佳結(jié)果，該圖描述了在增加?xùn)艠O漏極電容器和轉(zhuǎn)向柱接地后的系統(tǒng)輻射強(qiáng)度。

▲圖6：在轉(zhuǎn)向柱接地和增加?xùn)怕╇娙莺蟮妮椛洳ㄐ?/p>

3.2 非對(duì)稱(chēng)柵極驅(qū)動(dòng)

該電路優(yōu)化需要提高H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出到低邊MOSFET柵極的電路的電阻，下面所示電路（圖7）是一個(gè)非對(duì)稱(chēng)柵極驅(qū)動(dòng)解決方案。

▲圖 7：非對(duì)稱(chēng)柵極驅(qū)動(dòng)電路解決方案

減少電磁輻射有兩個(gè)解決方案：第一個(gè)方案是將柵極電阻 (R1) 從470 Ω提高到 1 kΩ，第二個(gè)方案是增加二極管D1并串聯(lián)470Ω電阻，以實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)柵極驅(qū)動(dòng)。此外，增加?xùn)艠O-漏極電容可以讓開(kāi)關(guān)波形變得更勻稱(chēng)，電機(jī)端子上的開(kāi)關(guān)上升沿和下降沿更平滑。這兩個(gè)解決方案可以有效地減少電磁輻射，詳見(jiàn)圖8轉(zhuǎn)向柱體接地時(shí)的輻射波形。

▲圖8：在轉(zhuǎn)向柱體接地和不對(duì)稱(chēng)柵極驅(qū)動(dòng)時(shí)的輻射波形

這個(gè)解決方案使0.9 MHz至1.7 MHz頻段內(nèi)的輻射強(qiáng)度低于CISPR 25標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范限值。

用電阻電感 (R-L) 負(fù)載模擬器在應(yīng)用板進(jìn)行一些測(cè)試測(cè)量，有助于更清楚地解釋不對(duì)稱(chēng)柵極驅(qū)動(dòng)器的效果：

• 2 Ω resistor with 13 μH inductor
• 2 Ω電阻和3 μH電感

當(dāng)?shù)瓦匨OSFET柵極上安裝470歐姆柵極電阻時(shí)，開(kāi)關(guān)的下降沿 (約170 ns) 比上升沿 (約800 ns) 快很多。

通過(guò)引入圖6所示的非對(duì)稱(chēng)柵極驅(qū)動(dòng)器，并使用以下阻值：

• R1 = 1000 Ω
• R2 = 470 Ω

開(kāi)關(guān)的升降波形就會(huì)變得更加勻稱(chēng)。

下圖 (圖9) 所示是相關(guān)波形，其中，綠線(xiàn)代表MOSFET的柵源電壓 (VGS)，紅線(xiàn)是PWM (脈沖寬度調(diào)制) 控制電壓 (VCONTROL)，藍(lán)線(xiàn)是負(fù)載上的電壓 (MOSFET 的 VDS 漏源電壓)。

▲圖9：在采用非對(duì)稱(chēng)柵極驅(qū)動(dòng)后的實(shí)測(cè)開(kāi)關(guān)波形

開(kāi)關(guān)上升沿時(shí)間變短是因?yàn)镽1和R2兩個(gè)電阻并聯(lián)后導(dǎo)致柵極電阻降低 (約320 Ω)，同時(shí)下降沿時(shí)間增加到270 ns。

總之，開(kāi)關(guān)上升沿和下降沿時(shí)間趨于相同，結(jié)合開(kāi)關(guān)時(shí)間延長(zhǎng) (導(dǎo)致相關(guān)諧波減少)，使輻射強(qiáng)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(gè)額外的電容，以進(jìn)一步減少輻射，特別是在最低頻率范圍內(nèi)的輻射。

圖10所示是所有修改建議的累積效果，顯示了實(shí)測(cè)峰值和均值頻譜。

▲圖10：在采納所有電路修改建議后的實(shí)測(cè)輻射波形

即使采用上面的改進(jìn)措施后，仍然存在一段很小的輻射強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)限值的頻率，為進(jìn)一步降低這些輻射，可以另增加一個(gè)輸入濾波器，把輻射抑制性能從最小的10 dBμV/m提高到最大30 dBμV/m，但是這會(huì)而影響應(yīng)用的最終成本。

結(jié)論

下圖 (圖11) 是最初情況 (藍(lán)線(xiàn)) 與我們提出的解決方案 (黃線(xiàn)) 的輻射頻譜的比較圖，簡(jiǎn)要描述了輻射改進(jìn)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(shí)測(cè)輻射對(duì)比

我們的應(yīng)用修改建議可以有效降低直流電機(jī)控制系統(tǒng)的電磁輻射率，確保在0.5 MHz - 1.7 MHz頻段內(nèi)電磁輻射符合CISPR-25標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定限值。下表 (表2) 總結(jié)了在采用不同的解決方案后，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(jié)果證明，我們提出的直流電機(jī)控制系統(tǒng)改善建議可以有效地降低輻射率，確保輻射符合CISPR-25標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的限值規(guī)定，這對(duì)于系統(tǒng)的可靠和安全運(yùn)行至關(guān)重要。

參考文獻(xiàn)

[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.