Уменьшение электромагнитных помех в автомобильных системах с двумя аккумуляторами на 48/12 В
В статье рассматриваются способы минимизации паразитных индуктивностей в цепях питания автомобильных преобразователей и уменьшения выбросов напряжения при коммутации. Представленные методики позволяют уменьшить уровень электромагнитных помех, всплески напряжения на переключателях и повысить эффективность преобразования.
Традиционная архитектура автомобильных батарейных источников питания, в которой используются 12-В свинцовокислотные аккумуляторы, исчерпала свои возможности в связи с постоянно растущими требованиями к мощности автомобильных систем, переходом от механических компонентов к электрическим для снижения веса автотранспортных средств и ужесточающимися экологическими нормами [1–3].
Для преодоления существующих ограничений автопроизводители разработали систему, обеспечивающую работу 12-В свинцовокислотных аккумуляторов (для совместимости с существующими системами) в комбинации с 48-В литиево-ионными аккумуляторами. Напряжение 48 В позволяет работать с мощными нагрузками, к которым относятся элементы трансмиссии и шасси, системы безопасности, электроусилитель руля, системы стабилизации крена кузова и т. д.
Архитектура с двумя аккумуляторами 48/12 В, представленная на рисунке 1а, улучшает эксплуатационные характеристики автомобилей с двигателем внутреннего сгорания, нивелирует издержки, обусловленные увеличением стоимости и веса систем с гибридной трансмиссией. Для восполнения энергии в 48-В аккумуляторе автомобиль оснащается интегрированным стартером-генератором (integrated starter-generator, ISG), или стартером-генератором с ременным приводом (belt starter-generator, BSG), который также позволяет экономить топливо, прежде предназначенное для поддержа- ния высокого уровня напряжения в сети.
Понижающий DC/DC преобразователь [4]преобразует напряжение 48 В в 12 В для заряда и поддержания работы подключенных к 12-В аккумулятору систем, к которым относятся системы управления и зажигания, освещения, мультимедийные системы и др. В качестве альтернативы можно использовать понижающе-повышающий преобразователь напряжения совместно с предохранительными переключателями (safety switches) [5] для одновременной подачи напряжения на нагрузку с двух аккумуляторов сразу.
Рисунок 1
а) автомобильная архитектура с шинами 48 и 12 В с двумя аккумуляторами и высоковольтным двигателем-генератором; б) диапазон напряжения 48-В аккумулятора в соответствии со стандартом LV 148
Уровни напряжения 48-B аккумулятора
Уровни и пределы напряжения при разных условиях эксплуатации для батареи 48 В (см. рис. 1б) установлены в автомобильных стандартах LV 148/VDA 320 [6] и ISO 21670. Динамический тест на перенапряжение E48–02 в LV 148  определяет максимальное напряжение до 70 В в течение не менее 40 мс. В случае перенапряжения эксплуатационные параметры системы не должны ухудшаться в течение всего интервала, определенного LV 148. Для поставщиков полупроводникового оборудования это значит, что все устройства, подключенные к батарее 48 В, должны выдержать напряжение 70 В на входе. Если же учесть то, что в автомобильной промышленности принято устанавливать Уровни и пределы напряжения при разных условиях эксплуатации для батареи 48 В (см. рис. 1б) установлены в автомобильных стандартах LV 148/VDA 320 [6] и ISO 21670. Динамический тест на перенапряжение E48–02 в LV 148  определяет максимальное напряжение до 70 В в течение не менее 40 мс. В случае перенапряжения эксплуатационные параметры системы не должны ухудшаться в течение всего интервала, определенного LV 148. Для поставщиков полупроводникового оборудования это значит, что все устройства, подключенные к батарее 48 В, должны выдержать напряжение 70 В на входе. Если же учесть то, что в автомобильной промышленности принято устанавливать
Рисунок 2
а) схема понижающе-повышающего преобразователя напряжения; б) сигнал напряжения на переключателе. Эквивалентные схемы в моменты коммутации MOSFET в режиме: в) понижающего и г) повышающего преобразования
Проблемы с ЭМП автомобильного DC/DC-стабилизатора
Низкочастотные электромагнитные помехи источника питания относительно легко поддаются контролю с помощью обычного фильтра. Куда большее беспокойство вызывают помехи, возникающие из-за высоких скоростей нарастания, связанных со скачками тока и напряжения во время коммутации переключателей. Кроме того, проблемы с помехами могут возникнуть из-за недостаточного или слишком высокого уровня сигнала, а также дребезга контактов переключателя.
На рисунке 2а показана схема понижающе-повышающего преобразователя напряжения с высоковольтным (HV) и низковольтным (LV) портами, обозначенными как BN48 и BN12, соответственно. На рисунке 2б, в свою очередь, показан сигнал напряжения коммутатора при работе в режиме пониженной нагрузки. Частота переключения коммутатора колеблется в диапазоне 50–250 МГц в зависимости от величины паразитной индуктивности контура питания (LLOOP) выходной емкости MOSFET (COSS) и собственной паразитной емкости индуктора (CEPC). Помехи от высокочастотного переключения распространяются в ближнем поле [7], и их довольно трудно ослабить с помощью обычной фильтрации. Аналогичный эффект имеет обратное восстановление внутреннего диода MOSFET- транзистора, которое увеличивает напряжение коммутации, поскольку ток восстановления диода протекает в индуктивности паразитного контура.
Таким образом, энергия, запасенная в паразитной индуктивности контура питания до коммутации MOSFET, обуславливает скачок напряжения на переключателе в момент коммутации. Она рассеивается в последующих затухающих колебаниях. Кроме того, компоненты демпфирующих цепей или ЭМП-фильтров, служащие для контроля выбросов энергии, в еще большей мере увеличивают потери мощности и стоимость устройства. Следовательно, сокращение паразитной индуктивности контура питания является основным способом уменьшить электромагнитные помехи и повысить общую эффективность устройства.
Рисунок 3
Контуры понижающе-повышающего преобразователя напряжения, оказывающие влияние на ЭМП
Влияние площади контуров на ЭМП
На рисунке 3 показана схема, которая определяет ВЧ-контур понижающего или повышающего преобразователя напряжения. Из рисунка видно, что минимизация площади контура питания имеет большое значение благодаря пропорциональной минимизации величины паразитной индуктивности и, как следствие, соответствующего уменьшения магнитного поля и помех. Такая схема позволяет сдвинуть резонансную частоту паразитного LC-контура в область более высоких значений за счет меньшей паразитной индуктивности. В результате уменьшается суммарная запасенная реактивная энергия, пик напряжения при коммутации и звон.
На рисунке 3 также показаны контуры драйверов затвора MOSFET повышающей и понижающей стороны при коммутации. Корректная компоновка элементов силового каскада на печатной плате сведет к минимуму паразитные индуктивности контуров питания, драйвера затвора, и взаимные паразитные индуктивности станут минимальными [7–8].
Рисунок 4
Рисунок 5
Примеры расположения компонентов на печатной плате понижающе-повышающего преобразователя напряжения
Схема силового каскада преобразователя напряжения с оптимизированной вертикальной конструкцией контура питания. Контроллер LM5146-Q1 100 В со встроенными драйверами затвора [4] расположен рядом с полевыми транзисторами для минимизации длины дорожек к драйверам
Маршрутизация и размещение элементов
– Цепь питания и ее компоненты следует располагать на верхнем слое печатной платы.
– Не стоит размещать дорожки или индуктивность узла коммутатора на нижнем слое платы, где они могут навести ЭМП на другие части устройства.
Разработка цепи заземления
– Заземляющий слой или цепь располагается как можно ближе к компонентам цепи питания на верхнем слое для подавления электромагнитных помех, уменьшения паразитной индуктивности и защиты от шума.
– При проектировании задается минимальное расстояние по оси z между верхним слоем, где расположены элементы цепи питания, и вторым земляным слоем.
– Межслойный интервал указывается на уровне 0,0254 мм (6 мил).
Развязывающие конденсаторы
– Установка конденсаторов CBN48 уменьшает площадь контура питания (контур 1 на рисунке 3). Контур классифицируется как горизонтальный или вертикальный в зависимости от расположения конденсаторов относительно MOSFET- транзисторов.
– Участки соединения конденсаторов CBN48 и CBN12 с земляным слоем должны состоять из локализованных плоскостей.
– В цепи должно присутствовать несколько соединений с земляным слоем или внешним заземлением.
– Применяются керамические конденсаторы типоразмером 0402 или 0603 с низкой эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL), расположенные максимально близко к полевым MOSFET для минимизации паразитной индуктивности контура питания.
Расположение индуктивностей и узлов коммутатора
– Индуктивности устанавливаются рядом с MOSFET транзисторами.
– Следует минимизировать площадь медного покрытия в узле коммутатора, чтобы уменьшить емкостную связь и электромагнитные помехи. Медный слой должен покрывать только контактную площадку под индуктивностью, а отведенная под контакты MOSFET площадь минимальна.
– Индуктивность выбирается не с выводными контактами, а с контактами, расположенными под корпусом.
– Необходимо избегать больших вертикальных компонентов или их контактов, а также частей корпуса, которые могут работать в виде излучающей антенны.
– Следует удостовериться, что конец обмотки индуктивности, связанный с узлом переключателя, находится внутри нее и он экранирован внешними витками обмотки, подключенной к 12-В шине. С этой целью проверяется точечное положение индуктивности на плате.
– По возможности применяется экранированный индуктор, контакты экрана которого соединяются с земляным слоем.
Расположение драйвера затвора транзистора
– Контроллер драйвера затвора устанавливается как можно ближе к силовому MOSFET.
– Дорожки от контактов HO и SW MOSFET к транзистору создаются таким образом, чтобы площадь контура и расстояние до затвора и истока было минимальным (см. контур 2  на рисунке 3).
– Аналогично, длина дорожки от контакта LO до затвора MOSFET должна быть минимальной (см. контур 3  на рисунке 3). – Связь между контурами питания и драйверов затворов минимизируется с помощью трассировки с использованием только вертикальных или горизонтальных проводников в цепи драйверов.
Снижение ЭМП
– Применяется многослойная печатная плата с внутренними слоями заземления, что значительно уменьшает электромагнитные помехи по сравнению с двухслойной печатной платой.
– Расчет трактов ВЧ-токов вблизи MOSFET-транзисторов должен предотвратить их возможное разрушение.
– Следует рассмотреть вариант использования экранов в металлическом корпусе для оптимизации характеристик для обеспечения электромагнитной совместимости. Экран должен покрывать все компоненты цепи питания кроме фильтра электромагнитных помех и подключаться к земляному слою на печатной плате, образуя клетку Фарадея.
Рисунок 6
Вид сбоку на печатную плату с топологией, показанной на рисунке 5. На рисунке представлена четырехслойная печатная плата с оптимизированной площадью контура между слоями 1 и 2
Примеры проектирования топологии печатной платы
На рисунке 4 показаны два примера расположения компонентов на печатной плате. На рисунке 4а транзистор, развязывающие конденсаторы и индуктивность установлены так, чтобы образовать горизонтальный контур. Цепь питания при этом находится на верхнем слое печатной платы, а контроллер – на нижнем. Такое расположение индуцирует экранирующий ток на земляном слое и снижает индуктивность паразитного контура.
На рисунке 4б представлена аналогичная схема, но с повернутым на 90° транзистором Q1. Такое расположение улучшает теплоотвод и позволяет удобнее установить конденсатор CBN48–1 типоразмером 0603 рядом с транзистором для высокочастотной развязки. Кроме того, благодаря U-образной ориентации компонентов силового каскада разъединяющие конденсаторы порта LV расположены так, чтобы минимизировать расстояние между ними и MOSFET.
Рисунок 7
Сигналы напряжения коммутационного узла при VV48 = 48 В и IV12 = 10 A: а) оптимизированная схема; б) схема с горизонтальным контуром
Печатная плата с улучшенной топологией
На рисунке 5 показана плата с улучшенной расстановкой компонентов, что позволяет в еще большей мере сократить площадь контура питания и повысить эффективность схемы. Такая компоновка позволяет организовать параллельное подключение MOSFET, чтобы улучшить распределение тепла, что особенно актуально в приложениях с большим током. Кроме того, приведенная компоновка использует земляной слой для замыкания контура питания. Этот слой расположен под верхним слоем, что сокращает размеры платы. В то же время, при таком расположении компонентов токи, текущие в противоположных направлениях в вертикальном контуре, участвуют в самоподавлении поля, дополнительно уменьшая паразитную индуктивность. На рисунке 6 демонстрируется принцип организации самоподавляющего контура в структуре многослойной печатной платы.
Четыре керамических конденсатора CBN48–1… CBN48–4 типоразмерами 0402 или 0603 с малой эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) расположены очень близко к верхнему MOSFET между развязывающими конденсаторами CBN48–5 и CBN48–6 типоразмером 1210. Видны возвратные соединения этих конденсаторов с земляным слоем через несколько переходных отверстий диаметром 0,3 мм (12 мил). Земляной слой обеспечивает протекание тока под MOSFET к истоку по контуру с минимальной площадью.
Еще одним важным аспектом такой компоновки является то, что медная подложка узла коммутатора включает в себя только площадку индуктивности и небольшую площадку для контактов MOSFET. Земляной слой экранирует эту подложку со своей стороны. Расположение узлов SW и BST на одной стороне платы означает то, что переходы с высокими значениями dv/dt не оказывают влияния на компоненты, находящиеся на нижней стороне. Это позволяет сократить электромагнитные помехи и избежать неблагоприятных наводок. Наконец, использование двух керамических конденсаторов CBN12–1 и CBN12–2 с каждой стороны индуктивности оптимизирует токовые петли, а наличие двух параллельных обратных каналов от 12-В порта разделяет обратный ток на две части, помогая смягчить эффект «помех от земли» (ground bounce).
На рисунке 7а показан сигнал напряжения в узле переключателя на плате с рисунка 5. Это напряжение было измерено с помощью широкополосного датчика. Как видно, дребезг практически отсутствует – имеются только выбросы с малой амплитудой и незначительный выброс при замыкании, что предвещает малые электромагнитные помехи на частоте выше 50 МГц. Для сравнения, на рисунке 7б приведены результаты аналогичного измерения с использованием той же схемы, но с расположением компонентов, как на рисунке 4б. Пиковый сигнал на оптимизированной плате с рисунка 5 ниже приблизительно на 4 В; при этом КПД больше на 0,25–0,5% в зависимости от нагрузки [9].
Рисунок 8
Результаты тестирования на кондуктивные помехи в диапазонах: а) 150 кГц…30 МГц; б) 30–108 МГц
На рисунке 8 показаны кондуктивные помехи, измеренные в диапазоне 150 кГц…108 МГц в режиме понижающего преобразователя при нагрузке 10 А на контакте LV. При тестировании использовался анализатор спектра Rohde & Schwarz; пиковые и средние результаты сканирования обозначены желтым и синим цветом, соответственно. Результаты соответствуют требованиям, предъявляемым CISPR 25 к классу 5. Линии, обозначенные красным цветом, – максимальные и средние предельные значения 5-го класса.
Силовые агрегаты мягких гибридных электромобилей (mild hybrid electric vehicles) накапливают энергию в 48-В аккумуляторе, используя ее для управления двигателем и вспомогательными электрическими устройствами, а также для питания 12-В систем.
Мы рассмотрели схемы и такие варианты расположения компонентов системы питания, которые позволяют уменьшить уровни электромагнитных помех в автомобильных стабилизаторах постоянного напряжения, в которых используется контроллер с внешними силовыми MOSFET.
Итак, для снижения ЭМП следует минимизировать площади контуров; использовать многослойные печатные платы с внутренними земляными слоями для экранирования; минимизировать длины дорожек, избегать прямых углов при соединении контактов; свести к минимуму размеры контактных площадок в коммутационных узлах.
Оптимизация топологии печатной платы может значительно снизить паразитную индуктивность схемы, улучшить характеристику электромагнитных помех стабилизатора, повысить эффективность системы, а также уменьшить скачки напряжения на переключателях.