车辆辐射骚扰源定位及优化
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2019年第4期 安全与电磁兼容
1 电动汽车整车EMC 问题严峻性
整车EMC 的系统级设计已经得到重视并形成一定的经验性结论[1]
，但是整车EMC 依然面临严峻挑战，主要体现在：整车EMC 测试阶段暴露的问题往往处于项目后期，导致优化时间不足；整车系统级可工程化应用的优化措施少，很多抑制措施需要同时进行结构变更；整车EMC 工程师板级优化经验不足，加之核心部件电路不互相公开，导致零部件优化周期长。
如本专题前文所述，某电动汽车在进行GB 14023-2011窄带测试中发现350 MHz 发射超标，通过系统级排除法、近场探头测试、整车环境验证等，最终确认导致350 MHz 发射超标的根源为BMS 中的电源隔离芯片ADUM5401。测试中尝试了在系统级、部件级进行滤波、屏蔽、接地等措施，但是效果不明显。本文将直接围绕BMS 主控板上的隔离芯片外围电路进行优化。
2 BMS 系统优化
测试发现，对350 MHz 发射有抑制效果的主要措施有：优化隔离芯片外围电路磁珠、电容的选型，对磁
珠频域特性以及电容容值进行有针对性的选择；采用交叠层电容拼接技术在隔离地之间构建等效电容，避免跨接瓷片电容的寄生效应。2.1  BMS 系统优化之磁珠选型
针对现有BMS 主板及超标频段，通过查询磁珠的频率-阻抗曲线来优选磁珠，使所选磁珠处于阻性区域内，最大程度地发挥磁珠在问题频段的高阻抗作用，将高频干扰能量以热量形式耗散。测试中，在ADUM5401高压采集端Viso 外围电路上串联TDK 如图1（a）所示特性磁珠， 175 MHz 降低约3 dB ；串联如图1（b）所示特性磁珠， 375 MHz 优化效果同样明显。
同时测试中发现，对一个干扰频段抑制效果明显的磁珠对另外频段没有效果，甚至导致另一个频段发射增强。因此本次优化测试中为了兼顾几个频段，分别使用如图1所示两种磁珠，确保在有效抑制375 MHz 发射强度时对原本较高的170 MHz 的发射也有很好的抑制效果。
2.2  BMS 系统优化之电容值选择
现有BMS 主板的ADUM5401隔离芯片外围电路的
电动汽车BMS 辐射发射优化方法
Radiated Emission Optimization Methods for Electric Vehicle BMS
北京新能源汽车股份有限公司 王志远 高新杰 冯来兵 王春杰
摘要
基于某电动汽车350 MHz 处的辐射发射超标问题，介绍了针对窄带干扰板级常用的几种优化措施。通过对芯片外围所用的电容、磁珠进行选型，降低了350 MHz 发射强度，并采用交叠层电容拼接方法在ADUM5401隔离芯片两侧地之间构建等效电容， 350 MHz 干扰幅值明显降低；最后对优化后的电池管理系统部件及电池包系统进行了优化效果验证。结果表明，超标频段发射强度明显降低，符合GB 14023-2011的限值要求。关键词
电磁兼容；电池管理系统；隔离电源；电容Abstract
Based on the case that 350 MHz emission of an electric vehicle outside of the limits of standard, several optimization measures for narrow band interference were discussed. Firstly, the capacitors and magnetic beads used in the peripheral circuit of ADUM5401 were optimized to reduce the EMI intensity of 350 MHz. Secondly, an equivalent capacitor was constructed between the two sides of the ADUM5401 isolation ground by using the overlapping plan stitching capacitor technology, which c
an effectively inhibit the emission. Finally, the optimized BMS and battery pack system were tested and the test results show that the emission intensity of 350 MHz decreased obviously and meets the limit requirement of  GB 14203-2011.
Keywords
EMC; BMS; isolation power; capacitor
北京电动汽车Location and Optimization of Vehicle Radiated Disturbance Sources
22SAFETY & EMC  No.4 2019
Viso 与GNDiso 之间设计有多种规格的表贴电容，其容量范围跨度为10 nF~10 μF。以上电容值对几十兆以下的干扰信号抑制效果明显，但是针对本文中出现的 375 MHz 较高频率窄带干扰信号的抑制能力略显不足。
无论是带引脚电容还是表贴电容，由于寄生参数导致的自谐振问题会使电容在谐振频率点以后失效。根据谐振频率计算公式，假设表贴式电容的寄生电感为1 nH，则100 pF 与200 pF 两种容值对应的谐振频率为500 MHz 与356 MHz。因此这两种容值组合，理论上对375 MHz 干扰有抑制作用。
现场测试中使用以上两种规格电容后实测发现，375 MHz 的发射强度降低约4 dB。2.3  隔离芯片辐射机理
ADUM5401等隔离芯片产品的EMI 抑制技术早已被广泛研究
[2-3]
。查阅ADUM5401芯片的“datasheet”，其
振荡器电路工作频率约180 MHz，同时伴随有360 MHz 倍频发射。
当驱动电流沿着PCB 走线流动时，会在接地层感应出镜像电荷并随之流动，当镜像电荷移动到隔离器件接地层之间的间隙时，因通路阻断产生差分电压，从而导致较强的输入到输出的偶极子辐射，如图2所示[2]。
针对以上辐射机理，可以通过在两侧隔离地之间串联电容，或者在两侧隔离地之间构建一定容量的等效电容，以降低辐射发射，如图3所示。隔离地之间形成电容有如下方法：通过在输入地、输出地之间跨接瓷片电容；将两侧隔离地相互交叉而形成一定重合面积，称为
交叠层拼接电容；还可以借助板层中的过渡层分别与两侧隔离地形成对称的两个交叠区域，称为浮动拼接电容。
2.4  串联电容现场实现方式
在不更改PCB 板层布局的前提下，现场优化测试可以通过跨接瓷片电容与手工构建等效电容两种方法定性验证优化效果：
（1）串联瓷片电容。现场优化中将芯片两端的隔离地通过1 nF 瓷片电容连通，测试发现对175 MHz 有明显效果，但是350 MHz 更差。根据设计经验，1 nF 瓷片电容的理论谐振频率约为160 MHz，因此对350 MHz 干扰自然没有抑制能力。同时由于电容的寄生参数影响，同一容值电容很难兼顾多个频段，
且瓷片电容在更高频的滤波能力很难发挥。因此如何消除寄生效应、实现更宽频段的滤波是个难题。
（2）隔离地手工构建等效电容。由于改板需要周 期，测试中基于现有材料，在隔离芯片背面两侧地之间对称地粘贴一定面积铜箔，目的是通过铜箔与隔离芯片两侧地构建浮动拼接电容。由于手动操作无法确定铜箔与内部两侧地、电源层的距离，因此其容值无法计算。但是测试结果显示，背面粘贴铜箔可以降低发射值约 3 dB。
鉴于隔离芯片两侧地可重合的面积有限，而交叠层电容拼接的等效电容是浮动拼接电容的两倍，因此为了获得合适的电容值，正式改板采用交叠层拼接电容技术。
（b） 磁珠MMZ1608Y301B
（a）磁珠MMZ1608D241
图1 
不同特性磁珠阻抗曲线示意图
图2 输入与输出偶极子辐射示意图
图 3 
两侧隔离地串联电容示意图
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2019年第4期 安全与电磁兼容
2.5  交叠层电容拼接
确定优化措施后，对PCB 板层进行重新设计，交叠层拼接电容区域如图4所示。
图4中，交叠层长、宽分别为：
L =19.5 mm，W = 11 mm ；交叠层低压侧电源地与高压侧隔离地之间的间距d =44 mil，约为1.11 mm。则交叠区域面积A 为
A =L ×W                                                                    （1）根据平行板电容的理论计算公式
C =Aε/d                                                                        （2）ε= ε0×εr                                                                      （3）式中，ε为介电常数；自由空间介电常数ε0为8.854×10-12 F/ m ；
εr 为PCB 材料的相对介电常数，FR4板材取4.5。因此由式（1）～式（3）式计算得到交叠层拼接电容值为：
C =850 pF。通过上述交叠层电容拼接方法，在隔离地之间建立起电容通道，为高频干扰电流提供了低阻抗通道，可以有效降低隔离芯片通过外接线束的对外发射。由于这种电容不像带引脚的电容或者SM
D 电容具有寄生参数，因此较之传统电容器件具有更好的高频滤波效果。
3 板级优化后的对比测试
优化后的BMS 系统测试曲线如图5所示。其中红限值线为本公司企标要求，黑与绿曲线分别为优化前后的测试结果。由图可见，上述优化措施对
375 MHz 具有明显抑制效果，发射幅值降低约14 dB。
通过零部件测试的BMS 更新到电池包后，重新对新状态电池包进行了最终优化效果验证，优化前后的电池包测试结果如图6所示。
由图可见，优化后的BMS 发射强度较之原来降低约25 dB，优化措施改善效果显著。由于整车GB 14023- 2011测试中350 MHz 仅超标约2 dB，因此优化后电池包可以确保整车顺利通过测试。
4 结语
整车EMC 的开展融合了屏蔽、滤波与接地技术，三种手段没有高低之分，在EMC 优化中可以单个强化也可以组合优化。研发经验表明，研发初期在强发射及高敏感端口增加滤波电路或者屏蔽处理，可以达到事半功倍的效果；对于板级高频发射芯片的应用要博采众长、善于借鉴，杜绝因芯片应用不当导致的超标风险；最后，要熟悉并熟练应用各种滤波器件、器材，认识到“电容、磁环千千万，选对用对是关键”。
参考文献
[1]
高新杰, 李燕侠, 李国珍, 等. 电动汽车的系统级EMC 设计[J].安全与电磁兼容, 2015(3): 27-31.
[2] YE X, HOCKANSON D M, LI M, et al. The EMI benefits of ground plane stitching in multi-layer power bus stacks[C]//Proc. of IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility. Symposium Record.Washington, DC, USA: IEEE, 2000(2): 833-838. [3]
GISIN F, PANTIC-TANNER Z. Minimizing EMI caused by radially propagating waves inside high speed digital logic PCBs[C]//Proc. of International Conference on Telecommunications in Modern Satellite, Cable and Broadcasting Service. Nis, Yugoslavia: IEEE, 2001(2): 624-631.
编辑：王淑华 E-mail:wangsh@cesi
图4 ADUM5401
芯片两侧隔离地交叠层区域示意图
图5 BMS
优化前后辐射发射对比图
图6 
电池包优化前后辐射发射对比图