车载电源的电磁兼容性（EMC）设计

2020-10-10张保国

通信电源技术 2020年12期

张保国

（广州海格通信集团股份有限公司，广东广州 510000）

0 引言

车载电源一般应用于特殊车辆装备，为特殊车辆供电。车载电源的交直流充电中采用电源转换器作为主要功率器件，而电源转换器的应用将导致产生不同类型的电磁干扰信号。不仅相对复杂，而且直接会影响车载电源的正常运行。因此，有必要加强对车载电源电磁兼容性的相关研究，加强车载电源电磁兼容性（EMC）。

1 车载电源系统及电磁兼容设计概述

1.1 车载电源系统

车载电源系统主要分为蓄电池和发电机两大部分，主要包括底盘电系统、中控系统、电源系统以及打火电系统等[1]，如图1所示。

图1 车载电气系统

车载电源系统通过并联方式进行连接，由发电机或蓄电池为车载电源供能。实际应用中，发电机和蓄电池的运行会受到温度和操作状态等众多因素的影响，可能会产生电压不稳的情形。目前，车载电源供电的电压主要有12 V、24 V以及48 V共3种。以24 V车载电源为例，蓄电池的输出电压在车辆点火过程时，会瞬间被拉低至5～6 V，启动结束时会出现负载突降，引发浪涌电压激增，实际操作数据可能超过50 V。电压突然激增会影响设备的正常运行和工作，情况严重时甚至会损坏设备。车载电源为适应车载电气系统宽范围的电压变化，有效保障车载电气系统和特种设备系统正常工作的电压，需在车载电源设计时，充分考虑电池供电能力与车载电气系统和特种设备系统间的协调配合。车载电源的优劣会直接影响车载电气系统和特种设备系统的正常运行。目前，车载电源和车载电气系统的设计向着轻量化、高效率以及小体积的方向发展[2]。

1.2 电磁兼容（EMC）简介

电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC），一般又称作“电磁兼容性”。近年来对电磁兼容的研究逐渐增多，理论不断完善，相关内容不断丰富。对电子系统和电子设备而言，电磁兼容性指其在运行过程中不会受到外部环境和外部设备的影响，具有较强的抗电磁干扰能力[3]。

电磁兼容的电磁环境是可预期的或直接给定的。电磁兼容对电子设备和系统的电磁干扰强度有直接要求，必须保证在标准范围内。电磁干扰的直接引发因素是电磁干扰源。电磁兼容要求电子系统或电子设备能抵抗一定范围内的电磁干扰强度，即在一定电磁干扰强度的影响下，电子系统和电子设备仍能正常稳定运行，可认为电磁兼容的实质是抗干扰能力的延伸。电磁兼容研究是通过补救或防范的方式，实现电子系统和电子设备的主动预测分析和主动抵抗防护。

2 电磁兼容（EMC）特点

电磁兼容性不足的直接体现是电磁干扰。电磁干扰是指干扰源向空间和其他电子设备释放电磁等有害能量的过程。在进行车载电源电磁兼容设计时，应该综合考虑干扰源和电子设备中可能引发干扰的敏感器件以及传递干扰的耦合途径等。要想提升车载电源的电磁兼容水平，首先要对干扰源进行必要干涉，尽可能采取有效手段移出或处理掉干扰源。若干扰源得不到有效处理，需要优化和处理耦合路径，通过切断等措施有效实现电磁兼容。电磁兼容设计是为了提高设备的抗干扰能力，从而提高设备的电磁兼容性能。车载电源在工作中会受到较为严重的电磁干扰问题，尤其是车载电源启动、点火或负载突然消失的情况下，可能瞬间产生较大的电压和电流波动而引发故障。车载电源的主要干扰源包括车载电源散热器和高频变压器等，受到的干扰和辐射以传导干扰为主[4]。

3 车载电源的EMC设计

3.1 传导干扰与EMC设计

车载电源受到干扰的主要形式是传导，包括差模干扰和共模干扰。差模干扰针对的主要对象是电源线和车载电源中的信号线，共模干扰主要指的是信号线、电源线以及大地间的干扰。在车载电源的电磁兼容设计中分析输入滤波器，采用差模电感和共模电感有效抑制或消除共模干扰及差模干扰。共模、差模干扰抑制原理如图2所示。

图2 共模、差模干扰抑制原理图

经过发展，滤波器已被完美引入车载电源中进行信号处理。针对电磁干扰来说，滤波器的引入能起到一定的抑制作用，还能影响并阻碍电磁干扰信号的传输过程和路径。在引入滤波器时，需要考虑体系中的差模/共模元件及其电化学参量，并在应用过程中根据实际运行情况进行反复调试，保证滤波器的设计满足车载电源电磁兼容设计的要求[5]。

3.2 辐射干扰与EMC设计

车载电源变换器中，辐射干扰和电路回路面积、开关频率以及电路布线电流等因素息息相关。车载电源变换器中的电磁辐射主要以天线方式进行。解析后级高频变压器原副边回路，在车载电源启动和开关管快速通断的情况下，变压器绕组、原边开关管以及电容会形成高频环路，即环形天线。环形天线会向周围电子设备发射磁场产生电磁干扰。另外，车载电源中的整流二极管、次级线圈以及电容器能够形成电流回路，在车载电源启动或高度通断的情况下也会产生电磁辐射，产生较强的电磁干扰。

3.2.1 主回路布线处理

分析表明，在车载电源的兼容设计中必须着重考虑高频回路因素的影响，通过优化处理缩小高频回路。后级电流回路如图3所示，其中It1和Ip1分别是拓扑电流和高频回路，4个回路作为主要的辐射源。提高车载电源的电磁兼容性能，考虑优化缩小回路面积，以此实现电磁辐射水平的控制，对高抗辐射能力至关重要。

图3 后级电流回路示意图

3.2.2 控制回路布线处理

为进一步提高车载电源的电磁兼容性能，引入模拟芯片，实现对主电路开关管动作的控制。但是，模拟芯片中的传输线极易受到外界因素干扰，可能出现延时，严重时可能引发误触而烧毁元器件。此外，模拟芯片中的电路会产生一定的电磁干扰，影响车载电源中的其他电子设备。综合分析，建议优化模拟芯片，采用最小化处理。比如，尽可能缩短被控开关器件和芯片脉冲输出端间的线程，有效加快车载电源的驱动速度，提高模拟芯片的电磁抗干扰能力。

3.2.3 接地处理

车载电源的电磁兼容设计中要考虑接地问题，设计科学的接地中心，建议采用“单点接地”的方法。如果在接地处理中采用多点接地方式，会导致出现接地回路，从而影响系统运行和开关管开断。

3.2.4 屏蔽处理

切断传播途径是电磁屏蔽有效的方式之一。通过切断传播途径，能有效防止电源向外界发出电磁辐射干扰，也能保证外界的电磁干扰不被传入车载电源设备。车载电源设计中，采用外壳屏蔽方式，外壳材料采用铝金属材料，同时结合内部电源情况和辐射源，合理选择设计的开口位置，以此保证实现最佳的电磁屏蔽效果。开口设计需要充分考虑尺寸问题，一般要保证其尺寸小于波长的1/100。

3.3 整车EMC设计

干扰源和干扰源线束应远离敏感装置而独立布置。如果无法避免，应尽可能将两者垂直交叉布置；如果也无法做到交叉布置，则要求两者平行，且平行间距不小于400 mm。线束一般在金属车身的凹槽和夹角内进行布置。EMC设计应该注重整车的线束设计，面对电磁干扰强度较大的环境时，一般采用双绞线加强信号线。高压电缆设计时，应采用带屏蔽层的高压电缆，且屏蔽层需要可靠接地。屏蔽设计和接地设计等可以有效去耦，提高EMC性能。

3.4 车载综合电源供电设计

在电磁兼容基础上提出了车载综合电源供电设计，车载综合电源供电设计如图4所示。

蓄电池中的储电经过逆变器后，以220 V交流电的方式输出。为优化车载综合电源的供电设计，在车载电源中引入车辆底盘发电机和风能等绿色发电能源系统。建议在车载电源中引入外接交流电源供电模式，多种供电模式组合应用于车载供电和蓄电池组充电。目前，车载电源开发中不仅要配备必要的主车蓄电池，还应结合车辆的具体用电和设备功率等需求，为其配备铅酸蓄电池组。将铅酸蓄电池和主车蓄电池协调配合使用，结合智能电池分离系统实现车载电源的完美供电。

图4 车载综合电源供电设计图

图4中提出的综合供电设计模型，总输出功率超过1 000 W，基本能实现4 000 W以下的供电。与传统的车载电源相比，该模型系统的空间占用面积更小、持续供电时间更长且适用车辆范围更广。另外，该模型设计实现了主车蓄电池和铅酸蓄电池的智能协调配合，有效实现了交流/直流电源的有效供电，能有效满足车载电源中用电设备的电源供应。