關(guān)于車載無線電EMI 問題和解決方案

對于我們這些在日常通勤中花費過多時間在走走停停的交通（或完全停在所謂的州際公路上）的人來說，知道這段空閑時間可以用于許多其他目的，并且汽車一直是幫助我們完成一些其他“任務(wù)”的技術(shù)的關(guān)鍵市場，例如電話交談、短信和電子郵件、在線購物和沖浪、電影下載和視頻流、游戲玩，等等。如果您在交通中向左或向右看，您會發(fā)現(xiàn)這些任務(wù)中的大部分都是圍繞手機的使用而發(fā)展的。為了補充這種高使用率，其中一項較新的實施技術(shù)是車載無線充電功能內(nèi)置于中央控制臺區(qū)域或其他一些易于訪問的位置。目的？移除所有這些插入式電纜并在充電時將手機放在已知位置。

背景

在過去的三年中，無線電力技術(shù)“戰(zhàn)爭”以“Qi”或無線電力聯(lián)盟 （WPC） 成為贏家，而現(xiàn)在是低功耗的事實標(biāo)準(zhǔn)。全球所有領(lǐng)先手機制造商實施 Qi 技術(shù)進一步驗證了這一點。在此之前，汽車制造商確實在他們的車輛中實施了無線充電，但人們一直擔(dān)心是否會因為買家的手機不兼容嵌入式充電技術(shù)而失去銷售。

提供無線充電功能的車型實施數(shù)量已從 2016 年初的 40 多款增長到 100 多款（目前），這相當(dāng)于超過 1200 萬輛（240 萬輛 OEM 安裝，970 萬輛售后市場）具有基于 Qi 的車輛僅在 2018 年安裝的車輛系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中的大多數(shù)都符合 Qi 基本功率配置文件 （BPP） 和 5W（瓦）。新的方向是更快的充電和更高的功率。大多數(shù)新設(shè)計的目標(biāo)是符合 Qi 擴展功率配置文件 （EPP） 或 15W 功能。這種能夠更快充電的額外便利伴隨著必須克服的額外技術(shù)障礙。三個主要問題是 EMI 合規(guī)性、效率和熱限制。

15W系統(tǒng)

在 WPC 標(biāo)準(zhǔn)中，有子類別（例如 MP-A8、MP-A9、MP-A13）指定了無線電力系統(tǒng)的各個方面以及放置在中控臺內(nèi)的發(fā)射 （Tx） 線圈的配置區(qū)域。出于互操作性目的，該標(biāo)準(zhǔn)定義了：輸入直流電壓、Tx 線圈尺寸和形狀、電氣參數(shù)、頻率控制（固定與可變）、功率水平和功率控制（電壓/頻率/相位/占空比）。使用車輛主電池的輸入電壓通常為 12V 進入發(fā)射器電路，因此具有升高的電壓，產(chǎn)生的電場 （E） 比與許多桌面無線充電器相關(guān)的 5V 輸入電壓更強。由于系統(tǒng)內(nèi)的諧振操作模式，線圈（諧振器/天線）上的實際電壓可能在 100V 左右，

EMI 問題和解決方案

在較新的車輛上，有許多射頻系統(tǒng)，所有這些系統(tǒng)都需要共存以確保它們所做的事情不會影響其他任何東西。其中一些是：AM/FM 收音機、GPS、ADAS 系統(tǒng)、多個蜂窩頻段、藍(lán)牙、WiFi、資產(chǎn)跟蹤、短波收音機、密鑰卡、警察掃描儀、遠(yuǎn)程信息處理等，甚至可能還有一些 CB 收音機對于所有那些 10-4 哥們在那里。

其中一些射頻系統(tǒng)在 Qi EPP 無線電力系統(tǒng)的 87-205 KHz（最高可達 300 KHz）基頻范圍內(nèi)和/或通過低諧波運行。525 KHz 至 1705 KHz（在美洲）的 AM 收音機被要求無 EMI，因為它被用作緊急廣播系統(tǒng)的一部分。新的遠(yuǎn)程無鑰匙進入系統(tǒng) （RKE） 以 125 KHz 運行，一些輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng) （TPMS） 也使用此頻率來驅(qū)動啟動器 LC 線圈電路。

汽車應(yīng)用對 EMI 有非常嚴(yán)格的要求。CISPR 25（Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques）是一項非監(jiān)管工程汽車標(biāo)準(zhǔn)，它設(shè)定了為保護其他車載接收器而必須滿足的傳導(dǎo)和輻射發(fā)射限值。它在 150 kHz 至 2500 MHz 的頻率范圍內(nèi)定義了這些限制，這些限制可能由其他車載天線傳導(dǎo)。

在 CISPR 25 中，有一些類別定義了允許的傳導(dǎo)和輻射噪聲發(fā)射限值的水平，輻射噪聲是真正值得關(guān)注的問題。表 1 中給出了通過 FM 無線電頻段的峰值、準(zhǔn)峰值和平均測量電壓的類發(fā)射 ［輻射］ 限制與頻段。

表 1：按類別劃分的 CISPR 25 輻射限值

隨著 Qi EPP 功率水平的提高，滿足 Class 4 一直是一個挑戰(zhàn)，目前市場上還沒有 Class 5 系統(tǒng)。對于車載無線充電，高達 1.8 MHz 的 AM 頻率是最敏感的，但認(rèn)證測試確實會超過 1 GHz。圖 1 提供了實際的 CISPR 25 Class 5 測量數(shù)據(jù)。

圖 1：CISPR 25 5 類初始測試 100 KHz 至 30 MHz

從圖中可以看出，該設(shè)計并未完全通過 5 類認(rèn)證，但確實符合 4 類要求。EMI 噪聲抑制從系統(tǒng)的電氣設(shè)計開始，以下部分介紹了設(shè)計中用于滿足 CISPR 25 要求的一些關(guān)鍵領(lǐng)域。

減輕 EMI 噪聲的第一個領(lǐng)域是實施固定頻率系統(tǒng)。在 Qi 標(biāo)準(zhǔn)中，有一些方法可以讓可變頻率更好地“調(diào)整”兩側(cè)以提高性能。然而，為了滿足與車載電源系統(tǒng)相關(guān)的嚴(yán)格 EMI 噪聲水平，不斷變化的頻率將使?jié)M足這些要求變得更加困難。此外，歐洲汽車制造商對 145 KHz 以上有限制，因此當(dāng)前解決方案的固定工作頻率設(shè)置在 127 KHz 左右。

下一個技術(shù)是通過 Tx 線圈去除方波電流，并使這些電流盡可能接近正弦曲線。這種方法減少了可能產(chǎn)生的噪聲“尖峰”。這可以通過使用電感器來實現(xiàn)，因為這種無源器件可以消除由開關(guān) （MOSFET） 的開/關(guān)產(chǎn)生的方波電流，并有助于確保開關(guān)方案“干凈”且無噪聲。

通過在電源線上添加一個與 Tx 線圈繞組串聯(lián)的共模濾波器 （CMF），可以實現(xiàn)進一步的 EMI 抑制。通過線圈的電流是 100% 的交流電 （AC），并且沒有像許多涉及直流電流和一些允許紋波電流的電源那樣包含直流電 （DC）。線圈的電流可以認(rèn)為是 100% 的紋波電流。因此，選擇用于該 CMF 的鐵氧體材料很重要，并且在 127 KHz 固定頻率下，交流磁芯損耗必須處于絕對最小值。

另一種 EMI 噪聲抑制技術(shù)是添加 EMI 噪聲抑制磁片，以吸收可能從主 Tx 屏蔽背面?zhèn)鬏敵鰜淼墓ぷ黝l率、諧波和雜散噪聲。磁片通過兩種方法消除 EMI 噪聲。首先，這些材料的磁導(dǎo)率 （μ‘） 使這些屏蔽能夠包含 ［吸收］ EMI 噪聲磁通量 （φ） 并防止其被輻射。接下來，這些屏蔽的電阻特性 （μ”） 為不需要的頻率的通量場創(chuàng)建了一個電阻路徑，并衰減了 EMI 噪聲并以熱量的形式將其從環(huán)境中移除。這種關(guān)系在公式 1 中給出。

μ = μ’ – jμ” ［等式。1］

對于 EMI 抑制應(yīng)用，更高的 μ‘ 通過磁通量抑制產(chǎn)生更好的屏蔽性能，而更高的 μ’ 通過材料磁芯損耗產(chǎn)生更好的噪聲抑制。μ‘ 值太高會降低性能。由于一種稱為磁耦合 （K） 的現(xiàn)象，具有額外的磁片可以改變 Tx 線圈的電感值并通過互耦合（M 或 Lm）使電路失諧，并使其遠(yuǎn)離所需的固定頻率。

最后，如果 EMI 抑制片確實會導(dǎo)致固定頻率問題，那么也可以使用非磁性材料來抑制 EMI 噪聲。挑戰(zhàn)在于獲得一種能夠吸收一定程度的噪聲能量的材料，但又不會過于金屬化，以至于不能簡單地反射 EMI 噪聲而不是去除它，也不會抑制所需的 H 場。具有低表面電阻（~4 ohms/square）的銀合金基薄膜已被使用，并展示了高達 1 MHz 的改進的 EMI 噪聲抑制和有問題的諧波的衰減。這些放置在繞組頂部的非磁性薄片傾向于更好地抑制基于電壓/E 場的諧波，而不是基于電流/H 場的諧波。

Tx 線圈帶有自己的磁屏蔽，其中包含由通過繞組的正弦電流產(chǎn)生的磁通量。對于基本工作頻率 （127 KHz），屏蔽材料被選擇為具有更高的 μ’ 和非常低的 μ”，以不衰減所需的磁通量場。該屏蔽包含工作頻率下的所需磁通量以提高性能和一些諧波通量，因此成為整體 EMI 合規(guī)性解決方案的一部分。

Chris T. Burket已在 TDK 工作超過 25 年，并在洛杉磯辦事處占據(jù)了一張辦公桌。他曾在 TDK 擔(dān)任過多個職位，目前是一名產(chǎn)品營銷工程師。他開著一輛 1968 年的 Camaro，新車時沒有配備集成無線充電系統(tǒng)選項。