新能源车型关键零部件的EMC设计与整改分析
张瑞锋钟国华
(南京汽车集团有限公司汽车工程研究院）
摘要：新能源汽车已经大量参与到社会各个层面及人们日常生活中，同时中 国新能源汽车行业也处在技术升级的关键时期。本文针对新能源汽车关键零部件的
EM C领域进行讨论，基于基本概念和原理的深切理解与运用，对零部件内部复杂的
电磁环境进行抽丝剥茧的分析，并结合实际整改案例讨论研究EM C设计方案。
关键词：新能源EMC电磁环境
1引言
EMC设计及整改的复杂性问题是因为EMC 领域处理的是所有的不在2D图纸上也不是3D 装配图上体现的“隐藏”的器件问题。为了解决技 术难点问题，真正需要的是应用基本概念对复杂 的物理结构进行切实理解，因此我们先来阐述基 本概念。
2基本概念阐述
图1电容高频模型及频率曲线2.1无源器件的射频特性
EMI发射通常是由电路中无源器件的接收或 耦合所引起的。因为在高频情况下时，元件的阻抗 Z等效于电阻与元件引脚电感串联后，再与引脚 间的电容(寄生)相并联构成的阻抗，这样，无源器 件的阻抗特性发生了改变，不再是我们所普遍认 知的其本身的单一特性。电容、电感器件的高频模 型及频率曲线如图1、图2所示。
图2
电感高频模型及频率曲线
图3低频和高频情况下射频电流回路
在高频时，电容等效于电感与电阻串联后，串接在电容的两侧，如图1所示。在进行设计时，我 们需要清楚“为什么一只电容不仅仅是一只电 容？”是因为从频域来看，电容器的功能特性发生 了改变，在
自谐振频率f〇以上时，由于引线电感作 用，电容器的阻抗特性会变更为电感器。
在高频时，电感等效于一个电容并联在电感 上，同时又与电阻串联（引线阻抗），如图2所示。“为什么电感器不是电感？ ”同样在高频时，由于电 感两端的引线对电感中的每一个线圈都有分布电 容，于是电感器的阻抗特性发生了改变，在f〇以上时呈现容性。
我们必须清楚所选用无源器件的工作限值，考虑并合理运用高频情况下无源器件的频率特 性，采用一定的设计技术处理这些隐含的高频特 性是必须要做的工作。
现在理解了元器件的隐藏特性（就是阻抗值 随频率点变化的射频特性）就能够简简单单地满 足产品研发设计和信号完整性的要求，利用隐蔽 的元件特性需要考虑所设计的电路中所有的有源 器件的开关速度，以及隐藏的电阻，电容和电感等 因素。
2.2 P C B是如何产生EMI能量的
麦克斯韦方程组和洛伦兹力方程是经典电磁 学的基础方程。其中麦克斯韦方程组由安培定律、法拉第电磁感性定律、两个高斯定律推导出的。麦克斯韦的四个方程描写了电场与磁场间的关系，描述了产生EMI辐射的根本原因是由于时变电流。
在我们的电路设计和PCB板上往往都是同 时具有电阻、电容、电感元件，阻抗Z的幅值随频 率变化。
z=V r2+j X2 =V r+j(x L-x c)2(1)大多数电路的工作频率都在丨kHz以上，电抗 X的值通常会超过电阻值R。我们都知道，电流又 总是沿最小阻抗Z的路径流动。因此在高频时，最 小电抗X的回流路径将成为主导因素。
在低频和高频情况下射频电流回路的情形如 图3所示。左图表示信号和回流电流都具有直接 路径的情况。在低频情况下总的阻抗值很小，电流 回流没有任何困难。对于右图的电路回流路径与 传输路径的物理长度不同，于是会由于路径较长 而附加了额外的阻抗(包含乂^与H P C B板的电 源与信号线走线越长，电感越大。电路阻抗 Z=R+j277fL ，当电路频率增加时，阻抗值Z就会随 之增大。对于很高频率的信号，阻抗Z的值可以变 得很大。由于电流必须回到源头，并满足安培定 律，射频能量(交流电流分量)就会经过可能的最 低阻抗路径回流，当回流路径的阻抗大于377(1 时，自由空间就变成了回流路径，于是就发生了 EMI
辐射。
图4差模干扰与共模干扰
动力
电池
散热器
I t t I  I t t I  I t t I
公共地
共根电流路抒
T T T ^T
图5
电机控制器共模干扰传播路径
因此，PCB 布局和走线设计的关键点是合理 规划以避免PCB 上走线的物理长度过大引起在 高频情况下的射频电流以自由空间作为回流路径 的情况。PCB 上走线是否过长可以参考电气长的 概念，周期信号的走线需最小长度并尽量过孔数 量最少(每个过孔都会增加l -3nH 的感值)。
3设计与整改
3.1差模与共模电流分析
在新能源车型的整车电气电路中或零部件的
电路中都同时存在共模电流（CM )和差模电流 (DM )。两种类型的电流都会产生射频能量并传 播。共模电流是伴随着功能或差模信号传输产生 的副产品，但却是在EMC 达标的整改过程中最麻 烦的问题。差模干扰与共模干扰信号传输路径如 图4所示。
由差模电流产生的辐射发射是因为信号传输 和回流电流同时产生的射频能量成分，信号传输 和回流电流是相互反方向。对于差模电流产生的 辐射发射问题，我们要尽量使回流路径靠近信号 或电源的传输走线。两者产生的射频场彼此相反， 并在线外对消，就能减少干扰到最小。
共模电流是由信号传输和回流路径中的具有 相同方向的电流共同产生。共模电流射频场是由 信号线条和回流路程中的电流之和产生的，这个电 流之和是实际存在的，而且是产生射频发射的主 要原因。主驱电机控制器（Traction  M otor  Control Unit ，简称MCU )作为新能源汽车的关键零部件之 一，其共模干扰传播路径如图5所示。
共模电流的产生是因为缺少差模对消或者是 由于很差的共模带阻滤波器(抑制器)等原因，
也
佶号ffi
图7单点链状接地与平行接地
会由于接地反射和电源走线上的拉电流造成的波 动效应产生。最典型的情况是由于回流电流的路 径是设计不期望或不经意的回路路径引起，这样，回流电流没有与源信号路径成为成对的路径（例 如裂缝或平面割裂），会产生共模电流。
射频回流路径与信号传输线平行靠近，回流电 流与传输电流形成的磁通是相反方向，两个磁场叠 加时就产生了对消，这种耦合实现了磁通对消或磁 通最小化。如果传输路径与回流路径的有害磁通被 对消或最小化，就不存在辐射和传导辐射了。完好 的射频回流电流磁通对消示意如图6所示。
因此，通过正确运用并定制电源与周期性信号 的回流路径(包括地线、地平面等），可以带来产品 性能的大幅提升，附带还可以减少在电路增加的抑 制或吸收措施（比如常见的增加共模滤波器、Y电容甚至磁环等处理方法)缩减产品体积、成本。
3.2接地方法
“地”这个词是模糊的，可以在前面加多种类 型的形容词形成各种各样的地，比如：数字、模拟、信号、单点、多点、隔离、混合、安全、大地。所有的 接地类型或方法可以同时使用或者只使用一种。
单点接地结构是在一个系统内部各种各样的 子模块在同一个点接地,L1\L2\L3是接地线的感 值。其中链状接地容易实现节约导线，但对子模块 接地间的公共阻抗稱合很敏感；平行接地不存在 公共阻抗耦合问题，但需要很长的导线实现，高频 电感值较大。因此，当元器件电路或其他部件的工 作频率在1MHz以下时，单点地是最好的方式。在 更高频率下，引线电感或者线条走线电感会使阻 抗变的显著起来。单点链状接地与单点平行接地 如图7所示。
汽车辐射
各子模块就近接地，接地路径并联，使射频电 流接地阻抗最小化，还可以使导线电感最小化，克 服单点接地中高频时导线长产生的高阻抗Z及天 线效应。在频率非常髙的电路中，为了使引线电感 最小化必须使元器件的接地引线尽可能的短，引线电感可以产生跨接在两端的电动势，这个电动
势也是产生共模电流的原因之一。多点接地与混
图8多点接地
图9混合多点接地
图10 P C B与売体谐振
合多点接地如图8、图9所示。
新能源车型零部件的许多设计中，是用螺丝 钉将PCB板固定在金属装配板或金属壳体上，因为寄生电容、电感的存在，在高频时，会在电源平 面或地平面与壳体之间形成了谐振回路，如图10 所示。产生环路电流的情况取决于安装桩之间的 距离，并且与电源或地平面的自谐振频率有关。安 装桩之间的空间距离不应该大于最高频率（并非 工作频率）或者超出限值的某次谐波所对应的 人/20。这些接地桩可以是具有机械固定功能的螺 钉，也可以是某些导电海绵或其他导电材料。
在进行PCB地平面与与金属壳体连接时，必 须采取增加旁路电容的措施来滤除电源和地平面 间的射频能量。通常使用高质量的电容器为旁路 电容，其数值为0.1 P F并联0.001 |j l F加在每一个 接地点处以消除环流电流。
数字电路必须按照高频电路来处理。任何具有许多逻辑元器件的PCB都必须设计好的低电 抗X的配电网络。PCB内层的平面层、地层一般能 够给电源供电和信号电流一个低电抗的回流回 路，因此PCB内层的地层和平面层尽量保持是完 整、没有分割的，如图11所示。
射频环路电流是可以控制和引导的，并使能 量转移到其他不对电磁扰动敏感的电路和系统中 去。对应到零部件与整车之间的接地连接时，主驱 电机的旋变信号线需要双绞屏蔽，并单点接地；DCDC负极线束就近接地，每个电气设备的金属 外壳都应该和车地相接，接地点必须平整干净，保 证接地的接地电线接头完全与接地面切合；还可 以根据各电气设备的特性，进行分类集中单点接 地，总的形成多点接地的拓扑。
3.3怡当选择电容器
这里先普及一个误区，很多产品中都使用 0.1lx F
的电容。我们作为设计工程师也经常被问