نه نکته EMI/EMC در طراحی مدار خودرو

   صنعت خودرو و تولیدکنندگان مدار های خودرو باید انواع مختلفی از سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) را پاس کنند. به عنوان مثال ، دو الزام این است که اطمینان حاصل شود سیستم های الکترونیکی تداخل الکترومغناطیسی (EMI) یا نویز الکتریکی از خود منتشر نمی کنند و از نویز ساطع شده توسط سیستم های دیگر مصون باشند. این مقاله برخی از این نیازها را بررسی می کند و نکات و تکنیک هایی را برای طراحی مدار های الکترونیکی ارائه می دهد که می تواند برای اطمینان از انطباق طرح های تجهیزات با این الزامات مورد استفاده قرار گیرد.
CISPR 25 استانداردی است که چندین روش آزمایشی را با محدودیت های پیشنهادی برای ارزیابی سطح انتشار تابش شده از یک قطعه نصب شده در خودرو ارائه می دهد. علاوه بر راهنمایی هایی که CISPR 25 به تولید کنندگان ارائه می دهد ، اکثر تولید کنندگان مجموعه استاندارد داخلی مجموعه خود را نیز تهیه کرده اند. هدف اصلی آزمایش CISPR 25 این است که اطمینان حاصل شود که قطعه ای که در خودرو نصب می شود با سیستم های دیگر موجود در خودرو تداخل نخواهد داشت ، CISPR 25 نیاز دارد که سطح نویز الکترومغناطیسی در اتاق آزمایش اندازه گیری شود که نویز این اتاق حداقل 6dB پایین تر از کمترین سطح اندازه گیری شده خارج اتاق است. از آنجا که CISPR 25 تشعشع هایی را در نظر دارد که سطح آن کمتر از 18dB (μV / m) است ، سطح نویز محیط باید کمتر از 12 dB (μV / m) باشد. به عنوان مثال ، این مقدار نویز تقریباً قدرت میدان برای ایستگاه رادیویی AM معمولی ، در فاصله یک کیلومتری آنتن است. در محیط های امروزی ، تنها راه برای برآورده کردن این نیاز ، انجام آزمایش در یک محفظه مخصوص است که محیط آزمایش را از نویز های های خارج محافظت کنید. علاوه بر این ، از آنجا که اتاق بینهایت بزرگ مقرون به صرفه نیست ، محافظت از محیط آزمایش در برابر بازتاب سیگنال های تولید شده در اتاق بسیار مهم است. بنابراین ، دیواره های محفظه آزمایش باید با ماده ای پوشانده شوند که امواج الکترومغناطیسی (EM) را منعکس نکند. اتاق های آزمایش گران هستند و معمولاً ساعت به ساعت اجاره می شوند. برای صرفه جویی در هزینه ها ، ایده خوبی است که مسائل EMC / EMI را در مرحله طراحی ارزیابی کنید تا برای اولین بار در محفظه به موفقیت برسید. یک استاندارد تست دیگر مجموعه تست های ISO 11452-4 Bulk Current Injection (BCI) است که استفاده می شود برای بررسی اینکه آیا یک جز component تحت تأثیر میدانهای الکترومغناطیسی باند باریک قرار دارد یا خیر. آزمایش با القای سیگنالهای اختلال در فاصله مستقیم به مهارهای سیم کشی با یک پروب جریان انجام می شود.

   نکته اول : حلقه های مدار را کوچک کنید

   در طراحی مدار های الکترونیکی هنگامی که یک میدان مغناطیسی وجود دارد ، یک حلقه از مواد رسانا به عنوان یک آنتن عمل می کند و میدان مغناطیسی را به جریانی که در اطراف حلقه جریان دارد تبدیل می کند. مقاومت جریان متناسب با مساحت حلقه محصور است. بنابراین ، تا آنجا که ممکن است ، حلقه ها را از تشعشع دور نگه دارید و مناطق محصور شده را تا حد ممکن کوچک نگه دارید. نمونه ای از حلقه ای که ممکن است وجود داشته باشد ، سیم های سیگنال داده دیفرانسیل است. یک حلقه می تواند بین فرستنده و گیرنده با خطوط دیفرانسیل تشکیل شود. حلقه مشترک دیگر زمانی است که دو زیر سیستم یک مدار را به اشتراک می گذارند ، شاید یک نمایشگر و یک واحد کنترل موتور (ECU) باشد که صفحه نمایش را هدایت می کند. یک اتصال مشترک (GND) در شاسی خودرو وجود دارد - اتصال به این GND در انتهای صفحه نمایش و در انتهای ECU سیستم. هنگامی که سیگنال ویدئویی با سیم زمینی خود به صفحه نمایش متصل می شود ، می تواند یک حلقه بزرگ در سطح زمین ایجاد کند. در بعضی موارد ، حلقه ای از این دست اجتناب ناپذیر است. با این حال ، با اتصال یک سلف یا یک مهره فریت در اتصال به زمین ، یک حلقه DC هنوز می تواند وجود داشته باشد ، اما از نقطه نظر انتشار آلاینده های RF ، حلقه شکسته می شود. همچنین ، هنگام ارسال سیگنال از طریق کابل جفت تابیده ، توسط هر جفت درایور / گیرنده دیفرانسیل یک حلقه تشکیل می شود. به طور کلی ، این حلقه مساحت کمی برای قسمت کابل پیوند دارد زیرا جفت پیچ خورده کاملاً بهم پیوسته است. با این حال ، هنگامی که سیگنال به برد رسید ، باید کوپلینگ زیاد حفظ شود تا از باز شدن سطح حلقه جلوگیری شود.

   نکته دوم : خازن های بای پس ضروری هستند

   مدارهای CMOS به دلیل سرعت بالا و اتلاف توان بسیار پایین بسیار محبوب هستند. یک مدار ایده آل CMOS فقط در صورت تغییر حالت و در صورت نیاز به شارژ یا تخلیه ظرفیت های گره ، برق را مصرف میکند. از نقطه نظر منبع تغذیه ، یک مدار CMOS که به طور متوسط ​​به 10 میلی آمپر نیاز دارد ممکن است چندین برابر آمپر بکشد در حین انتقال لبه کلاک ها، سپس جریان کم یا بدون جریان بین سیکل ها باشد. بنابراین ، تکنیک های محدودکننده انتشار بیشتر از حد متوسط ​​روی ولتاژ و اوج ولتاژ متمرکز هستند. افزایش جریان از منبع تغذیه به پین ​​برق روی تراشه در هنگام انتقال ساعت منبع اصلی انتشار است. با قرار دادن یک خازن بای پس نزدیک هر پایه برق ای سی ها، جریان مورد نیاز برای تأمین تراشه در طول لبه ساعت مستقیماً از خازن تأمین می شود. سپس شارژ درپوش با جریان پایدار و کمتری بین چرخه جمع می شود. خازنهای بزرگتر برای تأمین جریانهای زیاد مناسب هستند ، اما در برابر تقاضای سرعت بسیار بالا واکنش ضعیفی نشان می دهند. خازن های بسیار کوچک می توانند به سرعت در برابر تقاضا واکنش نشان دهند ، اما ظرفیت کل شارژ آنها محدود است و به سرعت از بین می رود. بهترین راه حل برای بیشتر مدارها استفاده از ترکیبی از خازن های با اندازه های مختلف به طور موازی ، شاید به طور موازی خازن های 1uF و 0.01uF است. خازن های اندازه کوچکتر را بسیار نزدیک به پایه های تراشه قرار دهید ، در حالی که برای طراحی مدار می توانید خازن های بزرگتر را در فاصله دورتر قرار دهید.

   نکته سوم : تطبیق خوب امپدانس EMI را به حداقل می رساند

   هنگامی که یک سیگنال با سرعت بالا از طریق یک خط انتقال ارسال می شود و با تغییر در امپدانس مشخصه در آن خط مواجه می شود ، بخشی از سیگنال به منبع سیگنال بازتابانده می شود و بخشی در مسیر اصلی ادامه می یابد. بی شک ، بازتاب منجر به انتشار می شود. برای EMI پایین ، یک روش طراحی سریع با سرعت بالا یک ضرورت است. انبوهی از منابع خوب برای اطلاعات طراحی خط انتقال وجود دارد. در اینجا برخی اقدامات احتیاطی پیشنهادی هنگام طراحی خطوط انتقال وجود دارد:
• در طراحی مدار یاد داشته باشید که سیگنال بین صفحه زمین و خط انتقال وجود دارد. انتشار می تواند در اثر قطع شدن خط انتقال یا صفحه زمین ایجاد شود ، بنابراین به بریدگی های سطح زمین یا عدم تداوم زیر خطوط سیگنال توجه کنید.
• سعی کنید از زاویه های تیز روی خطوط سیگنال جلوگیری کنید. گوشه های منحنی زیبا بسیار بهتر از چرخش های زاویه سمت راست هستند. مانند برق روی کابل کواکسیال ، اتصالات برق ، درپوش اتصال AC و بسیاری دیگر. برای به حداقل رساندن بازتاب در اجزا ، سعی کنید از اجزای کوچک مانند اندازه 0402 استفاده کنید و عرض خطوط را برابر عرض پد کامپوننت 0402 قرار دهید. همچنین ، حتماً با کنترل ضخامت دی الکتریک در مدار چاپی، امپدانس مشخصه خط انتقال را تنظیم کنید.

   نکته چهارم : شیلد کردن

   از روشهای محافظتی میانبر استفاده نکنید. هنگام طراحی برای به حداقل رساندن میزان انتشار ، یک محافظ در اطراف قسمت متخلف مدار قرار دهید. ممکن است هنوز انرژی ساطع کند ، اما محافظت خوب می تواند انتشار را گرفته و آنها را قبل از فرار از سیستم به زمین بفرستد. شکل زیرنشان می دهد که چگونه محافظ می تواند EMI را کنترل کند. محافظ می تواند انواع مختلفی داشته باشد. این ممکن است به سادگی محصور کردن یک سیستم در یک حالت رسانا باشد ، یا ممکن است شامل طراحی محفظه های فلزی کوچک سفارشی باشد که دور منابع انتشار لحیم می شوند.

   نکته پنجم : اتصال کوتاه زمین

   هر مقداری از جریان که به یک تراشه سرازیر می شود دوباره خروج می کند. در این نوشته چندین نکته در مورد اتصال کوتاه به تراشه وجود دارد - خازنهای نزدیک به IC ، کوچک نگه داشتن حلقهها و غیره. در یک مورد ایده آل ، یک لایه از مدار چاپی به زمین اختصاص یافته است و مسیر رسیدن به GND بیش از یک ویا یا ترک کوچک نیست. با این حال ، برخی از طرح های صفحه دارای بریدگی هایی در صفحه های زمینی هستند که می توانند جریان های زمینی را مجبور کنند مسیری طولانی را از تراشه به سمت منبع برق طی کنند. در حالی که جریان GND این مسیر را طی می کند ، مانند یک آنتن برای انتقال یا دریافت نویز و تداخلات الکترومغناطیسی عمل می کند.

   نکته ششم : به اندازه نیاز فرکانس را بالا ببرید

   در اینجا نگرانی در مورد حاشیه زمان بندی و استفاده از سریعترین منطق ممکن برای ارائه بهترین زمان پردازش وجود دارد. متأسفانه ، منطق بسیار سریع دارای لبه های تیز با محتوای بسیار فرکانس بالا است که تمایل به تولید EMI دارد. یکی از راه های کاهش میزان EMI سیستم استفاده از کندترین منطق ممکن است که هنوز هم نیازهای زمان را برآورده می کند. بسیاری از FPGA ها برنامه ریزی قدرت درایو را در سطوح پایین تر ، که یکی از روش های کاهش سرعت لبه ها است ، فراهم می کنند. در برخی موارد ، می توان از مقاومت های سری بر روی خطوط منطقی برای کاهش میزان شیب لبه سیگنال ها در سیستم استفاده کرد. فرکانس های بالا تر برای تشعشع به انتن های کوچکتر نیاز دارند.

   نکته هفتم : سلف های خطوط تغذیه

   در نکته دوم بحث در مورد خازن های بای پس به عنوان راهی برای کاهش تأثیر افزایش جریان جریان. سلف های موجود در خطوط تغذیه ، روی دیگر همان سکه است. با قرار دادن یک سلف یا مهره فریت بر روی یک خط منبع تغذیه ، مدارهای متصل به آن منبع را مجبور می کند تا نیازهای انرژی پویا خود را از خازنهای بای پس ، و نه تمام راه بازگشت از منبع تغذیه ، بگیرند.

   نکته هشتم : خازن های ورودی منابع تغذیه سوییچینگ

   یک موضوع تکراری در هنگام حل مشکلات EMI کاهش dv / dt و / یا di / dt در هر زمان ممکن است. در این زمینه ، مبدل های DC / DC ممکن است کاملاً بی ضرر به نظر برسند تا زمانی که متوجه شوند مستقیماً از DC به DC تبدیل نمی شوند. بلکه آنها از DC به AC به DC می روند. از این رو ، AC در وسط احتمال ایجاد مشکلات EMI را دارد. منطقه ای که طراحان خودرو نگران ایجاد تداخل هستند ، باند رادیویی AM است. اکثر اتومبیل ها به رادیوی AM مجهز هستند که دارای تقویت کننده بسیار حساس و با بهره زیاد از 500 کیلوهرتز تا 1.5 مگاهرتز است که قابل تنظیم است. اگر یک قطعه در این باند سیگنال ساطع کند ، احتمالاً از رادیو AM قابل شنیدن خواهد بود. بسیاری از منابع تغذیه سوئیچینگ از فرکانس های سوئیچینگ در همین باند استفاده می کنند که منجر به بروز مشکلاتی در برنامه های کاربردی خودرو می شود. در نتیجه ، اکثر لوازم سوئیچینگ خودرو از فرکانس های سوئیچینگ بالاتر از این باند استفاده می کنند - اغلب در 2 مگاهرتز یا بالاتر. اگر فیلتر یا ورودی یا خروجی منبع تغذیه سوئیچینگ کافی نباشد ، ممکن است بخشی از این نویز سوئیچینگ به سیستم های فرعی دیگری که ممکن است به فرکانس های اصلی یا زیر هارمونیک حساس باشند راه پیدا کند.

   نکته نهم : مراقب تشدیدها باشید

   برای منابع مختلف تداخل ، سلف ها و خازن هایی برای رام كردن شر dv / dt و di / dt تجویز شده است كه می تواند منجر به EMI شود. با این حال ، سلف ها و / یا خازن ها می توانند دارای ویژگی های نامطلوب مربوط به خودی خود باشند. این مشکل اغلب می تواند با افزودن مقاومت به موازات سلف برای جذب انرژی نوسان قبل از اینکه به اندازه کافی بزرگ شود و باعث ایجاد مشکل شود ، برطرف شود. مسئله احتمالی دیگر این است که یک سلف سری وجود دارد ، یا یک المان الکتریکی یا یک القا گر از یک خط برق ، که منجر به یک المان با یک خازن بای پس می شود. مدار L-C حاصل دارای پتانسیل نوسان در فرکانس تشدید است. یک بار دیگر ، این را می توان با یک مقاومت ، اغلب به طور موازی با سلف ، رام کرد.

   نتیجه گیری

   از آنجایی که خودروها علاوه بر عملکردهای سرگرمی و راحتی بیشتر به تجهیزات الکترونیکی برای عملکرد حیاتی خودرو اعتماد می کنند ، نیاز به کار بدون خطا در حضور تداخل و عدم تداخل در سیستم های دیگر در داخل خودرو افزایش می یابد. با پیروی از نکات و تکنیک های ذکر شده در این مقاله ، و از طریق انتخاب اجزای مناسب ، مهندسان قادر به طراحی سیستم های قوی هستند که سیستم های خودرویی را قادر به کارایی با قابلیت اطمینان بدون مشکلات EMI می کند.