隨著汽車市場不斷發(fā)展，車企對自動化,、安全性和功率優(yōu)化的需求日益增長。在這種背景下,，直流電機在車身應用中發(fā)揮著重要作用。在油車和電動車門鎖,、車窗升降,、油液泵、方向盤調(diào)節(jié),、電動后備箱等各種功能設備都會用到直流電機,。在可靠性、易用性,、監(jiān)測和保護方面,，用專用驅(qū)動芯片控制直流電機具有優(yōu)勢，并且能夠提供先進的驅(qū)動功能,，例如,，用PWM輸入信號驅(qū)動電機，通過改變占空比調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩,，最終實現(xiàn)高級的功能,。但是，PWM信號會引起明顯的電磁干擾,，導致射頻干擾和信號失真等問題,。在極端情況下，EMI可能會對車輛安全產(chǎn)生嚴重影響,，干擾安全氣囊,、防抱死制動、電子穩(wěn)定控制等重要安全系統(tǒng),，給駕駛員和乘客埋下嚴重的安全隱患,。因此，必須精心設計開發(fā)電機及控制電路,，最大限度地降低EMI干擾，確保全車所有電子系統(tǒng)都能可靠運行,。通過仔細篩選電子元器件,，采用正確的接地和屏蔽技術,，選用合適的濾波器，可以有效降低開關噪聲和其它EMI輻射源,。

　　轉(zhuǎn)向柱電機驅(qū)動器

　　越來越多的汽車制造商采用有刷直流電機控制車輛方向盤轉(zhuǎn)向柱,，以提升駕駛體驗、舒適度和安全性,。在轉(zhuǎn)向柱內(nèi)有升降電機和位移電機,，升降電機用于升高或降低方向盤，使方向盤適合不同身高的駕駛員,；位移電機用于向前或向后移動方向盤,，為駕駛員提供更舒適的駕駛位置。圖1是轉(zhuǎn)向柱電機驅(qū)動應用的典型框圖,。

　　▲圖1：雙電機轉(zhuǎn)向柱的框圖

　　意法半導體的VIPower M0-7 H橋驅(qū)動器系列包含為各種汽車應用專門設計的多種直流電機驅(qū)動器,。在一個單一的封裝內(nèi)集成邏輯功能和功率結(jié)構(gòu)，M0-7系列可實現(xiàn)驅(qū)動,、保護,、故障診斷等先進的功能，同時最大限度地縮小封裝尺寸,。該系列產(chǎn)品中的VNHD7008AY和VNHD7012AY兩款電機驅(qū)動器是控制轉(zhuǎn)向柱執(zhí)行器的最佳選擇,，PowerSSO-36封裝使其集成到新設計或現(xiàn)有設計中變得更簡單高效。

　　VNHD7008AY/VNHD7012AY還需用兩個外部功率MOSFET才能實現(xiàn)完整的H橋功能,。STL76DN4LF7AG和STL64DN4F7AG是采用意法半導體的STripFET F7技術的高性能功率開關管,，符合AEC Q101標準，適合汽車應用,。雙島PowerFLAT 5x6封裝是另一個產(chǎn)品亮點,，可節(jié)省電路板空間，實現(xiàn)緊湊設計,。

　　VNHD7008AY / VNHD7012AY以20 kHz頻率和85%占空比的脈沖電流驅(qū)動兩個電機順時針或逆時針運轉(zhuǎn),。

　　測試

　　按照CISPR 25國際標準規(guī)定，用一個桿狀單極天線測量待測產(chǎn)品在特定頻段內(nèi)的EMI強度,。為減少外部干擾因素,，測量過程是在消聲室內(nèi)完成，如圖2所示,。

　　▲圖2：EMI測試裝置框圖

　　該測試裝置由多個元器件組成,，包括測試計劃要求的本機接地的被測設備（EUT）、負載模擬器 （Load sim）,、人工網(wǎng)絡 （AN）,，以及介電常數(shù)相對較低的支架 （εr≤1.4）。測試裝置使用一個600 毫米 x 600 毫米的天線桿和一個室外電磁輻射測試接收器,，以確保EMI的測量結(jié)果準確可靠,。

　　根據(jù)CISPR 25標準設置接收器的參數(shù),，如表1所示。

　　▲表1：測試接收器的輻射參數(shù)（CISPR 25標準）

　　上面的表格（表1）列出了不同的無線電電視廣播類型,，定義如下：

　　▲長波

　　▲中波

　　▲短波

　　▲調(diào)頻

　　▲電視波段

　　▲數(shù)字音頻廣播

　　▲地面數(shù)字電視

　　▲衛(wèi)星數(shù)字無線電廣播

　　降噪指引

　　在使用直流電機驅(qū)動器VNHD7008AY或VNHD7012AY設計轉(zhuǎn)向柱時,，測試結(jié)果可以用于制定EMI電磁干擾優(yōu)化指引。

　　1. 初始狀態(tài)

　　在原始應用板上,，轉(zhuǎn)向柱沒有接地,，也沒有補償網(wǎng)絡。輻射噪聲是用峰值檢測器和均值檢測器捕獲的（如圖3所示）,。

　　▲圖3：原始板的實測輻射波形

　　測試結(jié)果顯示,，在包括LW、MW和SW在內(nèi)的AM （調(diào)幅） 頻段內(nèi),，電磁輻射強度很高,。如上圖所示，在0.5 MHz至1.7 MHz頻段內(nèi),，EMI輻射強度最為突出,，并且超過了限制規(guī)范。

　　2. 接地連接

　　將轉(zhuǎn)向柱體直接連接系統(tǒng)接地是一條經(jīng)過實踐檢驗的指引,。圖4所示是電路板接地后的輻射平均值和峰值波形,。

　　▲圖4：原始板接地后的實測輻射波形

　　分析認為，將轉(zhuǎn)向柱體接地有助于提高EMC （電磁兼容性）性能,。然而,，電磁輻射主要是由PWM （脈沖寬度調(diào)制）信號的諧波以及上升沿和下降沿的陡坡斜率和不對稱斜率引起的，過濾輸入噪聲的難度很大,，因為電池線路中的電流較高,，這意味著需要高飽和電流電感濾波器，可能會影響應用平臺的最終成本,。

　　3. 延長開關升降沿時間

　　為了降低電路板在0.5 MHz - 1.7 MHz頻段內(nèi)產(chǎn)生的輻射,，還建議延長開關上升沿和下降沿的升降時間，并使上升沿和下降沿勻稱均等,，具體措施辦法見圖5,。

　　▲圖5：優(yōu)化電路的框圖

　　增加一個額外的柵極-漏極電容器將會提高柵極-漏極總電容，并延長低邊功率 MOSFET的開關時間,；增加MOSFET柵極電阻并引入不對稱柵極驅(qū)動電路可以讓開關的上升斜率與下降斜率均等,；優(yōu)化輸入濾波器的電容值有助于進一步減少在這一頻段的電磁輻射。

　　3.1 額外的柵極-漏極電容器

　　通過給外部低邊功率MOSFET開關管增加一個額外的柵漏電容,，可以把0.5 MHz ~ 0.8 MHz頻段內(nèi)的電磁輻射平均降低10 dBμV/m,，0.8 MHz至1.7 MHz頻段內(nèi)的輻射降低約20 dBμV/m，其中dBμV/m表示以微伏每米（μV/m）為參考量的輻射強度的對數(shù)比值。

　　這一改進不受轉(zhuǎn)向柱體是否接地的影響,，但接地可以進一步減少電磁干擾,，提高系統(tǒng)的整體電磁兼容性能。建議增加的柵極漏極電容器的最大容值為470 pF,，以防止系統(tǒng)突然關閉。事實上,，開關上升斜率增加過多可能會觸發(fā)VNHD7008AY / VNHD7012內(nèi)部的VDS （漏源電壓）保護機制（專門設計用于防止電池線短路沖擊電機）,。考慮到電容值的公差和溫度范圍變化,，更高的電容值（高達560 pF）也是可以接受的,，但不建議使用。把所有這些因素考慮進去,，470 pF的容值將確保系統(tǒng)有一個安全裕量,。圖6所示是電路改進方法可以實現(xiàn)的最佳結(jié)果，該圖描述了在增加柵極漏極電容器和轉(zhuǎn)向柱接地后的系統(tǒng)輻射強度,。

　　▲圖6：在轉(zhuǎn)向柱接地和增加柵漏電容后的輻射波形

　　3.2 非對稱柵極驅(qū)動

　　該電路優(yōu)化需要提高H橋電機驅(qū)動器輸出到低邊MOSFET柵極的電路的電阻,，下面所示電路（圖7）是一個非對稱柵極驅(qū)動解決方案。

　　▲圖 7：非對稱柵極驅(qū)動電路解決方案

　　減少電磁輻射有兩個解決方案：第一個方案是將柵極電阻 （R1） 從470 Ω提高到 1 kΩ,，第二個方案是增加二極管D1并串聯(lián)470Ω電阻,，以實現(xiàn)不對稱柵極驅(qū)動。此外,，增加柵極-漏極電容可以讓開關波形變得更勻稱,，電機端子上的開關上升沿和下降沿更平滑。這兩個解決方案可以有效地減少電磁輻射,，詳見圖8轉(zhuǎn)向柱體接地時的輻射波形,。

　　▲圖8：在轉(zhuǎn)向柱體接地和不對稱柵極驅(qū)動時的輻射波形

　　這個解決方案使0.9 MHz至1.7 MHz頻段內(nèi)的輻射強度低于CISPR 25標準的規(guī)范限值。

　　用電阻電感 （R-L） 負載模擬器在應用板進行一些測試測量,，有助于更清楚地解釋不對稱柵極驅(qū)動器的效果：

　　·2 Ω resistor with 13 μH inductor

　　·2 Ω電阻和3 μH電感

　　當?shù)瓦匨OSFET柵極上安裝470歐姆柵極電阻時,，開關的下降沿？（約170 ns）,？比上升沿（約800 ns）快很多,。

　　通過引入圖6所示的非對稱柵極驅(qū)動器，并使用以下阻值：

　　·R1 = 1000 Ω

　　·R2 = 470 Ω

　　開關的升降波形就會變得更加勻稱,。

　　下圖（圖9）所示是相關波形,，其中，綠線代表MOSFET的柵源電壓（VGS）,，紅線是PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制電壓（VCONTROL）,，藍線是負載上的電壓（MOSFET 的 VDS 漏源電壓）。

　　▲圖9：在采用非對稱柵極驅(qū)動后的實測開關波形

　　開關上升沿時間變短是因為R1和R2兩個電阻并聯(lián)后導致柵極電阻降低（約320 Ω），同時下降沿時間增加到270 ns,。

　　總之,，開關上升沿和下降沿時間趨于相同，結(jié)合開關時間延長（導致相關諧波減少）,，使輻射強度得到整體改善,。

　　3.3額外的濾波電容

　　在采用1 μH電感器的輸入濾波器上，建議增加一個額外的電容,，以進一步減少輻射,，特別是在最低頻率范圍內(nèi)的輻射。

　　圖10所示是所有修改建議的累積效果,，顯示了實測峰值和均值頻譜,。

　　▲圖10：在采納所有電路修改建議后的實測輻射波形

　　即使采用上面的改進措施后，仍然存在一段很小的輻射強度高于標準限值的頻率,，為進一步降低這些輻射,，可以另增加一個輸入濾波器，把輻射抑制性能從最小的10 dBμV/m提高到最大30 dBμV/m,，但是這會而影響應用的最終成本,。

　　結(jié)論

　　下圖（圖11）是最初情況（藍線）與我們提出的解決方案（黃線）的輻射頻譜的比較圖，簡要描述了輻射改進的總體效果,。

　　▲圖11：初始情況與我們提出的所有解決方案的實測輻射對比

　　我們的應用修改建議可以有效降低直流電機控制系統(tǒng)的電磁輻射率,，確保在0.5 MHz - 1.7 MHz頻段內(nèi)電磁輻射符合CISPR-25標準規(guī)范的規(guī)定限值。下表（表2）總結(jié)了在采用不同的解決方案后,，輻射峰值的依次平均降幅,。

　　▲表2. 輻射峰值的平均降幅

　　研究結(jié)果證明，我們提出的直流電機控制系統(tǒng)改善建議可以有效地降低輻射率,，確保輻射符合CISPR-25標準規(guī)范的限值規(guī)定,，這對于系統(tǒng)的可靠和安全運行至關重要。

　　參考文獻

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