意法半导体VIPower M0-7 H桥驱动器：有效降低EMI

作者：意法半导体意大利Catania公司Sebastiano Grasso, Leonardo Agatino Miccoli, Giusy Gambino, Filippo Scrimizzi,

随着汽车市场不断发展，车企对自动化、安全性和功率优化的需求日益增长。在这种背景下，直流电机在车身应用中发挥着重要作用。在油车和电动车门锁、车窗升降、油液泵、方向盘调节、电动后备箱等各种功能设备都会用到直流电机。在可靠性、易用性、监测和保护方面，用专用驱动芯片控制直流电机具有优势，并且能够提供先进的驱动功能，例如，用PWM输入信号驱动电机，通过改变占空比调节电机转速和转矩，最终实现高级的功能。但是，PWM信号会引起明显的电磁干扰，导致射频干扰和信号失真等问题。在极端情况下，EMI可能会对车辆安全产生严重影响，干扰安全气囊、防抱死制动、电子稳定控制等重要安全系统，给驾驶员和乘客埋下严重的安全隐患。因此，必须精心设计开发电机及控制电路，最大限度地降低EMI干扰，确保全车所有电子系统都能可靠运行。通过仔细筛选电子元器件，采用正确的接地和屏蔽技术，选用合适的滤波器，可以有效降低开关噪声和其它EMI辐射源。


转向柱电机驱动器

越来越多的汽车制造商采用有刷直流电机控制车辆方向盘转向柱，以提升驾驶体验、舒适度和安全性。在转向柱内有升降电机和位移电机，升降电机用于升高或降低方向盘，使方向盘适合不同身高的驾驶员；位移电机用于向前或向后移动方向盘，为驾驶员提供更舒适的驾驶位置。图1是转向柱电机驱动应用的典型框图。



▲图1：双电机转向柱的框图

意法半导体的VIPower M0-7半桥 (H桥) 驱动器系列包含为各种汽车应用专门设计的多种直流电机驱动器。在一个单一的封装内集成逻辑功能和功率结构，M0-7系列可实现驱动、保护、故障诊断等先进的功能，同时最大限度地缩小封装尺寸。该系列产品中的VNHD7008AY和VNHD7012AY两款电机驱动器是控制转向柱执行器的最佳选择，PowerSSO-36封装使其集成到新设计或现有设计中变得更简单高效。

VNHD7008AY/VNHD7012AY还需用两个外部功率MOSFET才能实现完整的H桥功能。STL76DN4LF7AG和STL64DN4F7AG是采用意法半导体的STripFET F7技术的高性能功率开关管，符合AEC Q101标准，适合汽车应用。双岛PowerFLAT 5x6封装是另一个产品亮点，可节省电路板空间，实现紧凑设计。

VNHD7008AY / VNHD7012AY以20 kHz频率和85%占空比的脉冲电流驱动两个电机顺时针或逆时针运转。


测试

按照CISPR 25国际标准规定，用一个杆状单极天线测量待测产品在特定频段内的EMI强度。为减少外部干扰因素，测量过程是在消声室内完成，如图2所示。


▲图2：EMI测试装置框图

该测试装置由多个元器件组成，包括测试计划要求的本机接地的被测设备(EUT)、负载模拟器 (Load sim)、人工网络 (AN)，以及介电常数相对较低的支架 (εr≤1.4)。测试装置使用一个600 毫米 x 600 毫米的天线杆和一个室外电磁辐射测试接收器，以确保EMI的测量结果准确可靠。

根据CISPR 25标准设置接收器的参数，如表1所示。


▲表1：测试接收器的辐射参数 (CISPR 25标准)

上面的表格 (表1) 列出了不同的无线电电视广播类型，定义如下：
✦ 长波
✦ 中波
✦ 短波
✦ 调频
✦ 电视波段
✦ 数字音频广播
✦ 地面数字电视
✦ 卫星数字无线电广播

降噪指引

在使用直流电机驱动器VNHD7008AY或VNHD7012AY设计转向柱时，测试结果可以用于制定EMI电磁干扰优化指引。

1. 初始状态
在原始应用板上，转向柱没有接地，也没有补偿网络。辐射噪声是用峰值检测器和均值检测器捕获的 (如图3所示)。



▲图3：原始板的实测辐射波形

测试结果显示，在包括LW、MW和SW在内的AM (调幅) 频段内，电磁辐射强度很高。如上图所示，在0.5 MHz至1.7 MHz频段内，EMI辐射强度最为突出，并且超过了限制规范。

2. 接地连接
将转向柱体直接连接系统接地是一条经过实践检验的指引。图4所示是电路板接地后的辐射平均值和峰值波形。



▲图4：原始板接地后的实测辐射波形


分析认为，将转向柱体接地有助于提高EMC (电磁兼容性) 性能。然而，电磁辐射主要是由PWM (脉冲宽度调制) 信号的谐波以及上升沿和下降沿的陡坡斜率和不对称斜率引起的，过滤输入噪声的难度很大，因为电池线路中的电流较高，这意味着需要高饱和电流电感滤波器，可能会影响应用平台的最终成本。

3. 延长开关升降沿时间
为了降低电路板在0.5 MHz - 1.7 MHz频段内产生的辐射，还建议延长开关上升沿和下降沿的升降时间，并使上升沿和下降沿匀称均等，具体措施办法见图5。



▲图5：优化电路的框图


增加一个额外的栅极-漏极电容器将会提高栅极-漏极总电容，并延长低边功率 MOSFET的开关时间；增加MOSFET栅极电阻并引入不对称栅极驱动电路可以让开关的上升斜率与下降斜率均等；优化输入滤波器的电容值有助于进一步减少在这一频段的电磁辐射。

3.1 额外的栅极-漏极电容器

通过给外部低边功率MOSFET开关管增加一个额外的栅漏电容，可以把0.5 MHz ~ 0.8 MHz频段内的电磁辐射平均降低10 dBμV/m，0.8 MHz至1.7 MHz频段内的辐射降低约20 dBμV/m，其中dBμV/m表示以微伏每米 (μV/m) 为参考量的辐射强度的对数比值。

这一改进不受转向柱体是否接地的影响，但接地可以进一步减少电磁干扰，提高系统的整体电磁兼容性能。建议增加的栅极漏极电容器的最大容值为470 pF，以防止系统突然关闭。事实上，开关上升斜率增加过多可能会触发VNHD7008AY / VNHD7012内部的VDS (漏源电压) 保护机制 (专门设计用于防止电池线短路冲击电机)。考虑到电容值的公差和温度范围变化，更高的电容值 (高达560 pF) 也是可以接受的，但不建议使用。把所有这些因素考虑进去，470 pF的容值将确保系统有一个安全裕量。图6所示是电路改进方法可以实现的最佳结果，该图描述了在增加栅极漏极电容器和转向柱接地后的系统辐射强度。



▲图6：在转向柱接地和增加栅漏电容后的辐射波形

3.2 非对称栅极驱动

该电路优化需要提高H桥电机驱动器输出到低边MOSFET栅极的电路的电阻，下面所示电路（图7）是一个非对称栅极驱动解决方案。



▲图 7：非对称栅极驱动电路解决方案


减少电磁辐射有两个解决方案：第一个方案是将栅极电阻 (R1) 从470 Ω提高到 1 kΩ，第二个方案是增加二极管D1并串联470Ω电阻，以实现不对称栅极驱动。此外，增加栅极-漏极电容可以让开关波形变得更匀称，电机端子上的开关上升沿和下降沿更平滑。这两个解决方案可以有效地减少电磁辐射，详见图8转向柱体接地时的辐射波形。


▲图8：在转向柱体接地和不对称栅极驱动时的辐射波形


这个解决方案使0.9 MHz至1.7 MHz频段内的辐射强度低于CISPR 25标准的规范限值。

用电阻电感 (R-L) 负载模拟器在应用板进行一些测试测量，有助于更清楚地解释不对称栅极驱动器的效果：
•        2 Ω resistor with 13 µH inductor
•        2 Ω电阻和3 µH电感

当低边MOSFET栅极上安装470欧姆栅极电阻时，开关的下降沿 (约170 ns) 比上升沿 (约800 ns) 快很多。

通过引入图6所示的非对称栅极驱动器，并使用以下阻值：
•        R1 = 1000 Ω
•        R2 = 470 Ω
开关的升降波形就会变得更加匀称。

下图 (图9) 所示是相关波形，其中，绿线代表MOSFET的栅源电压 (VGS)，红线是PWM (脉冲宽度调制) 控制电压 (VCONTROL)，蓝线是负载上的电压 (MOSFET 的 VDS 漏源电压)。


▲图9：在采用非对称栅极驱动后的实测开关波形

开关上升沿时间变短是因为R1和R2两个电阻并联后导致栅极电阻降低 (约320 Ω)，同时下降沿时间增加到270 ns。

总之，开关上升沿和下降沿时间趋于相同，结合开关时间延长 (导致相关谐波减少)，使辐射强度得到整体改善。

3.3 额外的滤波电容

在采用1 μH电感器的输入滤波器上，建议增加一个额外的电容，以进一步减少辐射，特别是在最低频率范围内的辐射。

图10所示是所有修改建议的累积效果，显示了实测峰值和均值频谱。


▲图10：在采纳所有电路修改建议后的实测辐射波形

即使采用上面的改进措施后，仍然存在一段很小的辐射强度高于标准限值的频率，为进一步降低这些辐射，可以另增加一个输入滤波器，把辐射抑制性能从最小的10 dBμV/m提高到最大30 dBμV/m，但是这会而影响应用的最终成本。

结论

下图 (图11) 是最初情况 (蓝线) 与我们提出的解决方案 (黄线) 的辐射频谱的比较图，简要描述了辐射改进的总体效果。


▲图11：初始情况与我们提出的所有解决方案的实测辐射对比

我们的应用修改建议可以有效降低直流电机控制系统的电磁辐射率，确保在0.5 MHz - 1.7 MHz频段内电磁辐射符合CISPR-25标准规范的规定限值。下表 (表2) 总结了在采用不同的解决方案后，辐射峰值的依次平均降幅。


▲表2. 辐射峰值的平均降幅

研究结果证明，我们提出的直流电机控制系统改善建议可以有效地降低辐射率，确保辐射符合CISPR-25标准规范的限值规定，这对于系统的可靠和安全运行至关重要。

参考文献
R. Kahoul, Y. Azzouz, B. Ravelo, B. Mazari, “New Behavioral Modeling of EMI for DC Motors Applied to EMC Characterization,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 60, Dec. 2013. J.M. Poinsignon, P. Matossian, B. Mazari, F. Duval, “Automotive Equipments EMC Modeling for Electrical Network Disturbances Prediction,” Proc. IEEE Int. Symp. EMC, Vol. 1, 2003. “CISPR 25 IEC, Limits and Methods of Measurement of Radio Disturbance Characteristics for Protection of Receivers used on Board Vehicles,” 2002-2008. S. Wang, Y.Y. Maillet, F. Wang, R. Lai, F. Luo, D. Boroyevich, “Parasitic Effects of Grounding Paths on Common-Mode EMI Filter’s Performance in Power Electronics Systems,” IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 57, Sept. 2010.