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[導(dǎo)讀]隨著汽車市場(chǎng)不斷發(fā)展,車企對(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)在車身應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。在油車和電動(dòng)車門鎖、車窗升降、油液泵、方向盤調(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。

隨著汽車市場(chǎng)不斷發(fā)展,車企對(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)在車身應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。在油車和電動(dòng)車門鎖、車窗升降、油液泵、方向盤調(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)失真等問題。在極端情況下,EMI可能會(huì)對(duì)車輛安全產(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)開發(fā)電機(jī)及控制電路,最大限度地降低EMI干擾,確保全車所有電子系統(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)越多的汽車制造商采用有刷直流電機(jī)控制車輛方向盤轉(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,使方向盤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,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應(yīng)用專門設(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)的高性能功率開關(guān)管,符合AEC Q101標(biāo)準(zhǔn),適合汽車應(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)線電電視廣播類型,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)向柱沒有接地,也沒有補(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)稱斜率引起的,過(guò)濾輸入噪聲的難度很大,因?yàn)殡姵鼐€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均等,具體措施辦法見圖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的開關(guān)時(shí)間;增加MOSFET柵極電阻并引入不對(duì)稱柵極驅(qū)動(dòng)電路可以讓開關(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 (專門設(shè)計(jì)用于防止電池線短路沖擊電機(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?

3.2 非對(duì)稱柵極驅(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)稱柵極驅(qū)動(dòng)解決方案。

▲圖 7:非對(duì)稱柵極驅(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)稱柵極驅(qū)動(dòng)。此外,增加?xùn)艠O-漏極電容可以讓開關(guān)波形變得更勻稱,電機(jī)端子上的開關(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)稱柵極驅(qū)動(dòng)器,并使用以下阻值:

R1 = 1000 Ω

R2 = 470 Ω

開關(guān)的升降波形就會(huì)變得更加勻稱。

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

▲圖9:在采用非對(duì)稱柵極驅(qū)動(dòng)后的實(shí)測(cè)開關(guān)波形

開關(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,開關(guān)上升沿和下降沿時(shí)間趨于相同,結(jié)合開關(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) 與我們提出的解決方案 (黃線) 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)

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