Ochrona EMI w pojazdach elektrycznych

Elektronika oraz sygnały elektryczne obecne są w motoryzacji niemal od samego początku rozwoju tej branży. W przypadku pojazdów z napędem spalinowym obwody elektryczne były jednak zawsze jedynie dodatkiem, zaś płynący przez nie sygnał znacząco ustępował pod względem mocy temu, z czym spotkać się można w modelach pojazdów z napędem elektrycznym. W konstrukcjach tego typu energia elektryczna jest głównym źródłem zasilania, to zaś powoduje konieczność

Energia elektryczna konwertowana jest do postaci mechanicznej za pomocą obwodów złożonych z akumulatorów wysokiego napięcia, silnika oraz układu ładowania. Tego typu układ bardzo łatwo może spowodować poważne problemy z kompatybilnością elektromagnetyczną, emitując do otoczenia niezwykle silne zakłócenia elektromagnetyczne. Współczesna technologia opracowała kilka sposobów oraz technik przeciwdziałania temu niebezpieczeństwu.

Podstawowe pojęcia z zakresu ochrony EMI

Przed przedstawieniem podstawowych technik ochrony EMI w pojazdach elektrycznych warto zapoznać się z pojęciami i terminami z tej dziedziny. Kompatybilność elektromagnetyczna odnosi się zarówno do odporności urządzenia na promieniowanie elektromagnetyczne obecne w otoczeniu, jak i do poziomu emisji niepożądanego sygnału przez urządzenie do otoczenia. Termin EMI, określający zaburzenia elektromagnetyczne (ang. Electromagnetic Interference), odnosi się jedynie do zakłóceń emitowanych przez urządzenie. Norma CISPR25, będąca prawdopodobnie standardem najpowszechniej wykorzystywanym w odniesieniu do pojazdów elektrycznych, określa zarówno wymogi w zakresie odporności na promieniowanie, jak i maksymalnego dopuszczalnego poziomu emisji pochodzącej z urządzenia.

Odporność na zakłócenia elektromagnetyczne to zdolność układu do prawidłowej pracy w obecności niepożądanego sygnału elektromagnetycznego w otoczeniu. Obniżenie poziomu emisji EMI pozwala zazwyczaj jednocześnie zwiększyć odporność układu na zakłócenia zewnętrzne. Z tego powodu wielu projektantów skupia się przede wszystkim na redukcji poziomu EMI, zakładając, że zabiegi te zapewnią jednocześnie osiągnięcie wymaganego poziomu odporności.

Zgodnie ze standardem CISPR25, zakłócenia EMI podzielić można na zakłócenia promieniowane i radiowe (emitowane). Różnica pomiędzy tymi dwoma typami jest dość oczywista i zgodna z nazewnictwem – wynika z typu ośrodka, w jakim sygnały te się rozchodzą. Zakłócenia przewodzone rozprzestrzeniają się pomiędzy obwodami poprzez obszar przewodnika – przede wszystkim za pomocą kabli oraz ścieżek. Zakłócenia radiowe rozchodzą się z wykorzystaniem wolnej przestrzeni, w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Standard CISPR25 definiuje maksymalne dopuszczalne poziomy obu rodzajów zakłóceń, mierzone z wykorzystaniem określonego środowiska pomiarowego.

Common Mode – sygnał wspólny i problemy z nim związane

Jakakolwiek dyskusja odnośnie do tematyki EMI skupia się zazwyczaj wokół problemu przepływu prądów elektrycznych. W teorii opisującej obszar kompatybilności elektromagnetycznej wyróżnia się dwa rodzaje przepływu prądu przez obwód – tryb różnicowy (Differential Mode, DM) oraz tryb wspólny (Common Mode, CM). Właśnie ten drugi rodzaj sygnału odpowiada za znakomitą większość problemów związanych z kompatybilnością elektromagnetyczną i niepożądaną emisją zakłóceń.

Przepływ prądu w trybie różnicowym przedstawić można na przykładzie dowolnej pary przewodów lub ścieżek sygnałowych, z czego jedna z nich stanowi ścieżkę powrotu sygnału do masy, tak jak pokazano na rysunku 1. Indukowane wokół obu przewodników pola elektromagnetyczne znoszą się wzajemnie, minimalizując ilość zakłóceń EMI propagowanych do otoczenia.

 

Rys. 1. W trybie różnicowym prąd w każdej ze ścieżek płynie w przeciwnym kierunku

Prąd powrotny w wielu przypadkach znajduje jednak alternatywną drogę powrotną, co powoduje powstanie sygnału wspólnego. Taka niekorzystna sytuacja zobrazowana została na rysunku 2. Pasożytnicze parametry obecne w obwodzie powodują zakłócenia w rozpływie prądów powrotnych, prowadząc do powstania nierównowagi pomiędzy poszczególnymi obszarami układu. Prąd w sąsiednich obszarach przewodnika przepływa w tym samym kierunku, co powoduje wzmacnianie pola elektromagnetycznego indukującego się wokół obu przewodników i wzrost emisji zakłóceń EMI. Istnieją skuteczne metody tłumienia pojawiającego się w obwodzie sygnału wspólnego, dla ich lepszego zrozumienia warto jednak zapoznać się także ze specyfiką i wyzwaniami pojawiającymi się w układach izolatorów powszechnie stosowanych w pojazdach elektrycznych.

 

Rys. 2. Obecne w obwodzie reaktancje pasożytnicze powodują zaburzenia rozpływu prądów powrotnych, prowadząc do zakłóceń CM (Common Mode)

Izolatory a ochrona EMI

Układy izolatorów, w szczególności zaś izolatorów cyfrowych, są jednym z elementów umożliwiających konstruowanie nowoczesnych pojazdów elektrycznych. Układy te pozwalają na bezpieczne przesyłanie informacji pomiędzy obwodami wysokiego oraz niskiego napięcia, tworząc pomiędzy nimi barierę o wysokiej wartości impedancji, umożliwiającą bezpośredni przepływ sygnałów elektrycznych. Rozwiązanie to wprowadza ścieżkę o bardzo wysokiej impedancji pomiędzy różnymi obszarami urządzenia, tak jak przedstawiono na rysunku 3.

Ścieżka taka stwarza problemy związane z przepływem prądu CM. Duże zmiany wartości napięcia obecne po jednej ze stron obwodu powodują powstawanie prądów, które muszą znaleźć drogę powrotną do masy. Droga ta, z powodu obecności bariery o wysokiej impedancji, często staje się bardzo wydłużona oraz niezbyt precyzyjnie określona. Duże pętle prądowe prowadzą do powstania zwiększonego poziomu emisji zakłóceń EMI.

 

Rys. 3. Układ izolatora zapewnia barierę o bardzo wysokiej wartości impedancji pomiędzy dwoma obwodami, skutecznie eliminując elektryczne połączenie pomiędzy nimi

Proste sposoby redukcji emisji zakłóceń EMI

Metoda 1: Minimalizacja czasu włączenia izolatora.
Izolator cyfrowy to urządzenie zapewniające izolację galwaniczną pomiędzy dwoma obwodami, pozwalające jednocześnie na transfer informacji pomiędzy nimi. Informacje transmitowane są zazwyczaj za pomocą sygnału wysokiej częstotliwości przesyłanego w postaci fali radiowej. Układy te przeznaczone są do przesyłania sygnałów cyfrowych, mają zatem dwa stany – obecność transmisji lub jej brak. W wielu modelach możliwy jest wybór konfiguracji układu, tj. określenie stanu logicznego, któremu odpowiada tryb aktywnej transmisji. Warto zatem wybrać taką konfigurację układu, aby zminimalizować czas transmisji sygnału radiowego przez izolator. Przykładowo, jeśli przesyłany sygnał przez większość czasu pozostaje w stanie wysokim, warto zadbać o to, aby stan ten reprezentowany był przez brak transmisji radiowej w izolatorze

Metoda 2: Stosowanie kondensatorów odprzęgających.
W dokumentacji technicznej niemal każdego układu izolatora cyfrowego znaleźć można wytyczne dotyczące stosowania kondensatorów odprzęgających linie zasilania. Komponenty te mają istotny wpływ na poziom emisji zakłóceń EMI przez system. Pozwalają znacząco ograniczyć poziom szumów i zwiększyć stabilność napięcia zasilania.

W przypadku idealnego kondensatora jego impedancja powinna maleć wraz z częstotliwością sygnału. W rzeczywistym świecie każdy z tego typu komponentów charakteryzuje się jednak obecnością pasożytniczych wartości rezystancji oraz indukcyjności, co skutkuje powstaniem obwodu rezonansowego. Po osiągnięciu częstotliwości rezonansowej impedancja kondensatora zaczyna rosnąć wraz z dalszym wzrostem częstotliwości sygnału. W efekcie charakterystyka impedancji (w skali logarytmicznej) dla tego rodzaju komponentów ma kształt litery V, tak jak przedstawiono na rysunku 4.

 

Rys. 4. Model oraz charakterystyka impedancji rzeczywistego kondensatora

Pasożytnicza indukcyjność kondensatora określana jest przez parametr ESL. Jeśli dwa kondensatory cechować się będą taką samą wartością pojemności, wyższą częstotliwość rezonansu własnego mieć będzie ten z nich, który charakteryzuje się niższą wartością ESL. W ogólności niższa wartość ESL związana jest z mniejszą odległością pomiędzy okładkami kondensatora.

Metoda 3: Wybór optymalnej lokalizacji kondensatora odprzęgającego.
Właściwe rozmieszczenie kondensatorów odprzęgających jest równie istotne jak wybór modelu z odpowiednio niską wartością ESL, ponieważ ścieżki oraz przelotki na płytce również charakteryzują się pewną pasożytniczą wartością indukcyjności. Indukcyjność ścieżki wzrasta wraz z jej długością, co powinno zachęcić do stosowania możliwie krótkich oraz szerokich ścieżek. Dodatkowa wartość indukcyjności wprowadzana jest też przez długość ścieżki powrotnej do masy.

 

Rys. 5. Porównanie bardziej i mniej optymalnego sposobu lokalizacji kondensatora odprzęgającego

Prostym rozwiązaniem jest umieszczenie kondensatora pomiędzy wyprowadzeniami masy oraz zasilania, tak jak pokazano na rysunku 5.

Damian Tomaszewski