從歷史上看，汽車電子設(shè)備一直由用于啟動(dòng)車輛的 12V 鉛酸電池供電。即使在發(fā)電機(jī)運(yùn)行且電池電纜斷開時(shí)可能出現(xiàn)高達(dá) 42 V 的浪涌，電壓仍保持在低于 60 V DC 的安全超低電壓 (SELV) 范圍內(nèi)。因此，無(wú)需擔(dān)心 PCB 導(dǎo)電跡線的間距，以避免汽車電路中的電擊危險(xiǎn)。

由于電動(dòng)汽車 (EV) 電機(jī)需要更高的電壓(400 V 或 800 V)才能運(yùn)行，因此電擊危險(xiǎn)現(xiàn)在已成為汽車應(yīng)用中的一個(gè)問題。同樣嚴(yán)格的間距適用于連接到交流電源的電路和由市電供電的 SELV 電路之間的邊界，現(xiàn)在也適用于連接到電動(dòng)汽車中高壓電池的電路和使用 12 個(gè)電源供電的 SELV 電路之間的邊界。 -V系統(tǒng)，例如信息娛樂和車身電子設(shè)備(主要是照明)。

未通過 CISPR 25

在依靠高壓電動(dòng)汽車電池運(yùn)行的牽引逆變器中，驅(qū)動(dòng)高功率半導(dǎo)體開關(guān)所需的許多偏置電源均由低壓 12V 系統(tǒng)供電。問題在于，這些隔離電源將大量共模噪聲泵回到 12V 汽車電池線路中，導(dǎo)致它們無(wú)法滿足汽車國(guó)際無(wú)線電擾動(dòng)特殊委員會(huì) (CISPR) 25 傳導(dǎo)發(fā)射限制(該限制延伸至 108)兆赫。該噪聲很大程度上是由偏置電源隔離變壓器的初級(jí)和次級(jí)繞組之間的電容耦合的主開關(guān)波形驅(qū)動(dòng)的。初級(jí)接地和次級(jí)接地之間具有高浪涌電壓額定值的旁路電容器(Y 電容器)會(huì)形成一個(gè)小環(huán)路，以在很大程度上包含這種共模噪聲，電池線上的共模濾波進(jìn)一步降低了這種噪聲，從而可以通過 CISPR 25 限制。

為了加強(qiáng)大多數(shù)傳統(tǒng)汽車電路中使用的高壓 EV 電池和低壓 12V 電池系統(tǒng)之間的間距，共同目標(biāo)是 8 毫米的間距。這將涵蓋 400 V RMS、污染等級(jí) 2 和材料組 III;或 800 V RMS，相同污染等級(jí) 2，但材料組 I。

滿足多層 PCB 的爬電距離和間隙要求

IEC 嚴(yán)格的間距要求是由暴露于污染空氣的表面上的高壓擊穿(爬電)以及空氣本身的擊穿或電弧(間隙)驅(qū)動(dòng)的。在橋接初級(jí)-次級(jí)屏障的組件(例如變壓器或 IC)中，以及多層 PCB 的內(nèi)層(無(wú)空氣或濕氣暴露)時(shí)，間距要求要小得多，只要屏障能夠承受數(shù)千伏的高電壓即可。 - 潛力測(cè)試。加固屏障應(yīng)用中使用的 IC 的常見測(cè)試級(jí)別為 5 kV，這使得四層或多層 PCB 在內(nèi)層上具有交錯(cuò)的初級(jí)和次級(jí)接地。內(nèi)層內(nèi)有間距要求，但與暴露在空氣中的層的要求相比顯著降低。對(duì)于某些應(yīng)用程序，對(duì)于 800V 電池系統(tǒng)來(lái)說，1 毫米的間距就足夠了。

使用隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行演示

我們構(gòu)建了兩個(gè)板來(lái)演示UCC12051-Q1隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的發(fā)射性能與 CISPR 25 5 類限制的比較。該轉(zhuǎn)換器專為 5V 輸入和 5V 輸出而設(shè)計(jì)，負(fù)載電流為 100mA，具有典型的電池線電磁干擾濾波器。一塊板(未發(fā)布)在所有四層上的初級(jí)和次級(jí)之間的間距為 8 毫米，一塊板允許在兩個(gè)內(nèi)層中交錯(cuò)初級(jí)和次級(jí)接地，初級(jí)和次級(jí)接地之間的間距為 1 毫米。從初級(jí)接地到次級(jí)接地的額外有效電容估計(jì)為 11 pF。 UCC12051-Q1 內(nèi)部的隔離轉(zhuǎn)換器以 8 MHz 開關(guān)，以確保 CISPR 25 關(guān)注的第一個(gè)頻率是 32 MHz 的四次諧波。

圖 1是隔離式 5V 參考設(shè)計(jì)原理圖的片段，顯示了一個(gè) IC 隔離轉(zhuǎn)換器，其初級(jí)地和次級(jí)地之間帶有電容器，以抑制轉(zhuǎn)換器隔離變壓器產(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 5V 參考設(shè)計(jì)中 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的初級(jí)和次級(jí)接口，顯示添加的旁路電容器 C100 和 C101 以及交錯(cuò)內(nèi)層電容。

考慮到安全冗余的需要以及保持初級(jí)到次級(jí)總體間距的需要，我們串聯(lián)放置了兩個(gè) Y 電容器(C100 和 C101)來(lái)橋接初級(jí)和次級(jí)接地。因此，有效電容是每個(gè)電容器值的一半。某些情況下需要三個(gè)串聯(lián)電容器(330 pF 電容器)以保持必要的間距。

圖2中，左圖為未釋放板，各層間距為8mm;右圖是隔離式 5V 參考設(shè)計(jì)，頂層和底層的間距為 8 毫米，內(nèi)層的間距僅為 1 毫米，從而使它們具有重疊的初級(jí)和次級(jí)接地層。

圖 2：所有層上的 8 毫米間距(左)與僅頂層和底層上的 8 毫米間距(右)：頂層 - 紅色;第2層為深綠色;第 3 層——淺藍(lán)色;第 4 層——棕褐色;第 2 層和第 3 層重疊——淺綠色;任何層上都沒有銅——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)(在初級(jí)地和次級(jí)地之間增加了 11pF 的電容)只會(huì)有助于提高 200MHz 以上的輻射發(fā)射。事實(shí)上，即使沒有旁路電容器 C100 和 C101，交錯(cuò)層也允許輻射發(fā)射在所有高于 200 MHz 的頻率下通過 CISPR 25 Class 5(圖 3)。如果沒有交錯(cuò)層，我們需要在初級(jí)和次級(jí)接地之間添加額外的 Y 電容器，以便在相同的頻率范圍內(nèi)通過。

圖 3 200 MHz 以上的輻射發(fā)射與 CISPR 25 Class 5 的比較，無(wú)需任何額外的 Y 電容器。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。該電路板以超過 10 dB 的余量通過了限制。

令人驚訝的是，針對(duì) 30 至 108 MHz 范圍的濾波(C101 和 C102)及其嚴(yán)格的傳導(dǎo)發(fā)射限制得到了顯著增強(qiáng)。由于初級(jí)地和次級(jí)地之間有 110 pF 的有效附加電容，交錯(cuò)將整個(gè) 30 至 108 MHz 范圍內(nèi)的傳導(dǎo)噪聲降低了約 4 至 8 dB。在此頻率范圍內(nèi)，交錯(cuò)將 4 dB 的失敗轉(zhuǎn)換為具有 4 dB 余量的通過。

傳導(dǎo)發(fā)射與 CISPR 25

圖 4和圖 5顯示了這兩個(gè)板的傳導(dǎo)發(fā)射掃描，唯一的區(qū)別是內(nèi)層交錯(cuò)。兩次掃描均在同一線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) (LISN) 上進(jìn)行，具有相同的共模電池線路濾波和相同的 5V 輸出 100mA 負(fù)載。

圖 4隔離 5V 參考設(shè)計(jì)(具有交錯(cuò)層)傳導(dǎo)發(fā)射與 CISPR 25 5 類、30 至 108 MHz 的比較：以 4.5 dB 余量通過，最壞情況是在 82 MHz 時(shí)進(jìn)行“CISPR 平均值”檢測(cè)。

圖 5未發(fā)布的電路板(無(wú)交錯(cuò)層)傳導(dǎo)發(fā)射與 CISPR 25 5 類、30 至 108 MHz 的比較：未通過 3.8 dB 余量，最壞情況是 32 MHz 下的 CISPR 平均檢測(cè)。

具有估計(jì) 11 pF 電容的交錯(cuò)層對(duì)濾波的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于在 Y 電容器的有效 110 pF 電容中添加 11 pF，這將改善濾波約 1 dB。內(nèi)層接地層降低了橋接 Y 電容器的有效電感，使其能夠更好地分流這些高頻諧波。

這種濾波改進(jìn)增加了近距離接地層的優(yōu)勢(shì)，提高了電容器濾波的性能，無(wú)論目標(biāo)是限制輸出噪聲、控制非隔離應(yīng)用中的發(fā)射，還是減少半導(dǎo)體上的應(yīng)力和故障。