Josh Mandelcorn

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

由于電動汽車 (EV) 的電機需要更高的電壓（400V 或 800V）才能運行，因此電擊危險現在是汽車應用中需要關注的一個問題。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 系統運行的 SELV 電路之間的邊界，如信息娛樂系統和車身電子裝置（主要是照明）。

無法滿足 CISPR 25

為了驅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體開關，需要用到輔助電源，其中許多都是由低壓 12V 系統供電。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，導致其無法滿足汽車國際無線電干擾特別委員會 (CISPR) 25 傳導發射限制，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波形電容耦合來驅動。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

關于高壓電動汽車電池和大多數傳統汽車電路中使用的低壓 12V 電池系統之間的增強間距，常見的目標是 8mm 間距。這將涵蓋 400V_RMS、污染等級 2 和材料組 III；或 800V_RMS，同樣是污染等級 2，但材料組 I。有關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“低壓供電系統內設備的絕緣配合第 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 的內層中，間距要求低得多，只要隔離層能夠承受數千伏高電壓測試即可。對于增強型隔離柵應用中使用的 IC，常見的測試電平為 5kV，這使得具有四層或以上的 PCB 能夠在內層上實現初級接地和次級接地相互交錯。內層有間距要求，但與暴露在空氣中的層相比，要求顯著降低。在某些應用中，1mm 間距對于 800V 電池系統來說就已足夠。

采用隔離式直流/直流轉換器的演示

我們構建了兩塊電路板，用于對比 CISPR 25 5 類限制來演示我們 UCC12051-Q1 隔離式直流/直流轉換器的發射性能。該轉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 輸出而設計。一個板（未發布）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 類發射、隔離式 5V 輔助電源參考設計）允許在兩個內層中實現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 內部的隔離式轉換器以 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 參考設計原理圖中的一個片段，其中顯示了一個 IC 隔離式轉換器，它具有初級接地連接到次級接地電容器，用于抑制由轉換器的隔離變壓器產生的高頻噪聲。未發布的電路板與隔離式 5V 參考設計相同，只是缺少 PCB 層交錯。

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 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，需要三個串聯電容器（330pF 電容器）來保持必要的間距。

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

輻射發射與 CISPR 25

對于隔離式 5V 參考設計，我們預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符合要求。有關發射測試設置，請參閱測試報告。

出乎意料的是，在嚴格的傳導發射限制下，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 范圍內的傳導降噪，幅度大約為 4dB 至 8dB。在該頻率范圍內，交錯使得結果從以 4dB 之差達不到要求，變為以 4dB 的裕度達到要求。

傳導發射與 CISPR 25

圖 4 和圖 5 顯示了這兩個電路板的傳導發射掃描，唯一的區別是內層交錯。兩次掃描都在相同的線路阻抗穩定網絡 (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。

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、控制非隔離式應用中的發射，還是減少半導體上的應力和故障。

相關內容

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其他資源

• 使用 PCB 爬電計算器實現增強型隔離雙重結果。
• 通過德州儀器 (TI) 了解更多信息：
  • “如何滿足汽車應用中更高的隔離爬電和間隙需求”。
  • “電源設計小貼士：接地平面 – 開關穩壓器噪聲管理中的關鍵元件”。
  • “?符合汽車發射要求的功率轉換技術”。
  • “?通過將電感寄生效應降至最低來降低降壓轉換器 EMI 和電壓應力”。

相關標準

• IEC 60664-1 低壓供電系統內設備的絕緣配合第 1 部分：原理、要求和試驗
• IEC 61800-5-1 調速電氣傳動系統第 5-1 部分：安全要求 – 電氣、熱和能量
• 電子電路互連與封裝協會 (IPC) 2221B 印制板設計通用標準
• CISPR 25 版本5.0 b 2021 車輛、船舶和內燃機 – 無線電干擾特性 – 用于板載接收器保護的限值和測量方法

之前在 EDN.com 上發布。