使用交錯接地平面改善隔離式電源噪聲濾除

本期，我們將聚焦于電動汽車高壓電池系統(tǒng)帶來的電擊危險及共模噪聲問題并介紹相關(guān)方法改善此問題。

過去，汽車電子設(shè)備通過與用來啟動車輛的同一 12V 鉛酸電池供電。即使在發(fā)電機運行且電池電纜斷開的情況下可能發(fā)生高達 42V 的浪涌，電壓仍會保持在低于 60VDC 的安全超低電壓 (SELV) 范圍內(nèi)。因此，無需擔心導(dǎo)電印刷電路板 (PCB) 布線的間距問題，來避免汽車電路中發(fā)生電擊危險。

由于電動汽車 (EV) 的電機需要更高的電壓（400V 或 800V）才能運行，因此電擊危險現(xiàn)在是汽車應(yīng)用中需要關(guān)注的一個問題。連接到交流電源的電路與使用公用電力的 SELV 電路之間的邊界所適用的嚴格間隔，現(xiàn)在也適用于連接到電動汽車中高壓電池的電路與使用 12V 系統(tǒng)運行的 SELV 電路之間的邊界，如信息娛樂系統(tǒng)和車身電子裝置（主要是照明）。

無法滿足 CISPR 25

為了驅(qū)動使用高壓電動汽車電池運行的牽引逆變器中的大功率半導(dǎo)體開關(guān)，需要用到輔助電源，其中許多都是由低壓 12V 系統(tǒng)供電。問題是，這些隔離式電源會將大量共模噪聲泵回 12V 汽車電池線路，導(dǎo)致其無法滿足汽車國際無線電干擾特別委員會 (CISPR) 25 傳導(dǎo)發(fā)射限制，該限制擴展至 108MHz。此噪聲很大程度上由輔助電源隔離變壓器的初級繞組和次級繞組之間的主開關(guān)波形電容耦合來驅(qū)動。初級接地和次級接地之間具有高額定浪涌電壓的旁路電容器（Y 電容器）會形成一個小環(huán)路，很大程度上可以抑制這種共模噪聲，而電池線路上的共模濾波可以進一步降低這種噪聲，從而可以符合 CISPR 25 限制要求。

汽車電路的間距要求

關(guān)于高壓電動汽車電池和大多數(shù)傳統(tǒng)汽車電路中使用的低壓 12V 電池系統(tǒng)之間的增強間距，常見的目標是 8mm 間距。這將涵蓋 400VRMS、污染等級 2 和材料組 III；或 800VRMS，同樣是污染等級 2，但材料組 I。有關(guān)間距要求的更多詳細信息，請參閱國際電工委員會 (IEC) 60664-1 標準“低壓供電系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的絕緣配合第 1 部分：原理、要求和試驗”。

滿足多層 PCB 的爬電距離和間隙要求

IEC 的嚴格間距要求是由暴露在污染空氣中的表面的高壓擊穿（爬電）以及空氣本身的擊穿或電弧（間隙）來推動。在橋接初級-次級隔離柵的元件中（如變壓器或集成電路 (IC)），以及不接觸空氣或水分的多層 PCB 的內(nèi)層中，間距要求低得多，只要隔離層能夠承受數(shù)千伏高電壓測試即可。對于增強型隔離柵應(yīng)用中使用的 IC，常見的測試電平為 5kV，這使得具有四層或以上的 PCB 能夠在內(nèi)層上實現(xiàn)初級接地和次級接地相互交錯。內(nèi)層有間距要求，但與暴露在空氣中的層相比，要求顯著降低。在某些應(yīng)用中，1mm 間距對于 800V 電池系統(tǒng)來說就已足夠。

采用隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器的演示

我們構(gòu)建了兩塊電路板，用于對比 CISPR 25 5 類限制來演示我們 UCC12051-Q1 隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器的發(fā)射性能。該轉(zhuǎn)換器包含一個典型的電池線路電磁干擾濾波器，專為在 100mA 負載下 5V 輸入和 5V 輸出而設(shè)計。一個板（未發(fā)布）的所有四個層上初級和次級之間的間距都為 8mm，還有一個板（汽車級、CISPR 25 5 類發(fā)射、隔離式 5V 輔助電源參考設(shè)計）允許在兩個內(nèi)層中實現(xiàn)初級接地和次級接地交錯，且初級接地和次級接地之間的間距為 1mm。初級接地到次級接地的附加有效電容估計為 11pF。UCC12051-Q1 內(nèi)部的隔離式轉(zhuǎn)換器以 8MHz 進行切換，確保它在 CISPR 25 方面的第一個頻率是其在 32MHz 下的四次諧波。

圖 1 是隔離式 5V 參考設(shè)計原理圖中的一個片段，其中顯示了一個 IC 隔離式轉(zhuǎn)換器，它具有初級接地連接到次級接地電容器，用于抑制由轉(zhuǎn)換器的隔離變壓器產(chǎn)生的高頻噪聲。未發(fā)布的電路板與隔離式 5V 參考設(shè)計相同，只是缺少 PCB 層交錯。

圖 1. 隔離式 5V 參考設(shè)計中直流/直流轉(zhuǎn)換器的初級和次級接口，其中顯示增加了旁路電容器 C100 和 C101 以及交錯內(nèi)層電容

鑒于需要冗余以確保安全，并且需要保持初級接地到次級接地的整體間距，我們放置了兩個串聯(lián) Y 電容器（C100 和 C101），用來橋接初級接地和次級接地。因此，有效電容是每個電容器值的一半。在某些情況下，需要三個串聯(lián)電容器（330pF 電容器）來保持必要的間距。

在圖 2 中，左側(cè)圖像是未發(fā)布的電路板，所有層的間距均為 8mm；右側(cè)圖像是隔離式 5V 參考設(shè)計，頂層和底層的間距為 8mm，內(nèi)層間距僅為 1mm，使得它們的初級平面和次級接地平面能夠重疊。

圖 2. 所有層上全部間距 8mm（左）與僅頂層和底層間距 8mm（右）：頂層為紅色；第 2 層為深綠色；第 3 層為淺藍色；第 4 層為棕褐色；第 2 層和第 3 層的重疊為淺綠色；任何層上無銅為黑色

輻射發(fā)射與 CISPR 25

對于隔離式 5V 參考設(shè)計，我們預(yù)計這種交錯加上初級接地和次級接地之間增加的 11pF 電容，只會對 200MHz 以上的輻射發(fā)射有所幫助。實際上，在所有高于 200MHz 的頻率下，交錯層使輻射發(fā)射能夠符合 CISPR 25 5 類標準，即使沒有旁路電容器 C100 和 C101 也是如此（圖 3）。在沒有交錯層的情況下，我們在初級接地和次級接地之間需要額外的 Y 電容器，才能在相同的頻率范圍內(nèi)符合要求。有關(guān)發(fā)射測試設(shè)置，請參閱測試報告。

圖 3. 無額外 Y 電容器的情況下，200MHz 以上輻射發(fā)射與 CISPR 25 5 類要求。此特定掃描未包含在隔離式 5V 參考設(shè)計測試報告中。電路板以大于 10dB 的裕度達到了限制要求

出乎意料的是，在嚴格的傳導(dǎo)發(fā)射限制下，30MHz 至 108MHz 范圍的濾波（C101 和 C102）得到顯著增強。借助初級接地和次級接地之間 110pF 的有效附加電容，交錯改善了整個 30MHz 至 108MHz 范圍內(nèi)的傳導(dǎo)降噪，幅度大約為 4dB 至 8dB。在該頻率范圍內(nèi)，交錯使得結(jié)果從以 4dB 之差達不到要求，變?yōu)橐?4dB 的裕度達到要求。

傳導(dǎo)發(fā)射與 CISPR 25

圖 4 和圖 5 顯示了這兩個電路板的傳導(dǎo)發(fā)射掃描，唯一的區(qū)別是內(nèi)層交錯。兩次掃描都在相同的線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) (LISN) 上進行，采用相同的共模電池線路濾波，以及相同的 5V 輸出 100mA 負載。

圖 4. 隔離式 5V 參考設(shè)計（有交錯層）傳導(dǎo)發(fā)射與 CISPR 25 5 類（30MHz 至 108MHz）：以 4.5dB 的裕度達到要求，最壞情況是在 82MHz 下進行的“CISPR 平均值”檢測

圖 5. 未發(fā)布電路板（無交錯層）傳導(dǎo)發(fā)射與 CISPR 25 5 類（30MHz 至 108MHz）：以 3.8dB 的裕度未達到要求，最壞情況是在 32MHz 下進行的 CISPR 平均值檢測

估計電容為 11pF 的交錯層對濾波的貢獻遠大于在 Y 電容器的有效 110pF 電容上增加 11pF，后者將使濾波改善約1dB。內(nèi)層接地層可降低橋接 Y 電容器的有效電感，使它們能夠更好地分流這些高頻諧波。

這一濾波改進加上近端接地平面的優(yōu)點，可以提高電容器濾波的性能，無論目標是限制輸出噪聲、控制非隔離式應(yīng)用中的發(fā)射，還是減少半導(dǎo)體上的應(yīng)力和故障。