カーエレクトロニクスにおけるEMIの生成、伝播、抑制 (第1部)
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自動車業界では、安全性のためには厳しい電磁干渉 (EMI) 要件が必要ですが、それはエンジニアの設計上の課題となります (図1参照)。EMIを削減するためには、さまざまなEMI問題をモデル化し、分析する必要があります。この寄稿文では、降圧、昇圧、昇降圧コンバータなど、非絶縁コンバータのEMIを削減するためのモデリングと抑制方法を提供します。
図1: カーエレクトロニクスにおけるEMIの伝導と放射
パワーエレクトロニクスシステム (MOSFETやダイオードなど) の多くの部品は、高周波スイッチング時に高dV/dtノードと高dI/dtループを生成します。これらの高dV/dt、およびdI/dt値は、EMIの根本原因です。EMIは、伝導EMIノイズと放射EMIノイズに分かれます。伝導EMIは導体間の物理的接触によって引き起こされ、放射EMIは誘導によって引き起こされ、導体が接触していないときに発生します。EMIの両方のタイプの伝播経路におけるこれらの主な違いに基づいて、EMIノイズと放射EMIノイズを個別に考察する必要があります。本稿では EMIの伝導について説明し、第2部では放射EMIについて説明します。
伝導EMI
伝導EMIは、差動モード (DM) とコモンモード (CM) に分割されます。したがって、DMノイズとCMノイズは、異なる伝播経路と抑制メカニズムを考慮して個別にモデル化する必要があります。ノイズセパレータを使用して測定値を取得し、DMまたはCMがEMIの大部分を引き起こすかどうかを区別することができます。
DMノイズは主に2本のライン間を流れ、CM電流は変位電流の形でグランドに流れます。この変位電流は、ICからグランドに接続されたコンデンサを通って、グリッドに戻ります (図2を参照)。
図2: 伝導EMIにおけるCMおよびDMノイズ
EMIモデリングの最初のステップでは、スイッチを等価の電流または電圧源として使用し、その後、電流と電圧は回路全体で同じままです。その後、オーバーレイ定理を使用して、各ソースの影響を詳細に分析できます。図3は、降圧コンバータのDMモデルを簡略化する方法を示しています。他の非絶縁コンバータのモデルにすることも可能です。
図3: 降圧コンバータのDMノイズモデルと代表的なスイッチング波形
図4は、降圧コンバータのCMモデルを簡略化する方法を示しています。
図4: 降圧コンバータのCMノイズモデルと代表的なスイッチング波形
入力コンデンサと入力フィルタを慎重に選択することで、降圧コンバータのDMノイズを低減します。フィルタでスイッチングノードの領域を最小化することでCMノイズを低減します。
図5は、降圧コンバータのDMノイズとCMノイズが分離され、測定された場合の結果を示しています。この例では、DMノイズがEMIの大部分を引き起こします。
図5: 降圧コンバータのDMおよびCMノイズ測定全般
EMIを低減するためにDMフィルタを増やして、結果として得られるノイズ測定はEMIが正常に減少したことを示しました (図6参照)。この方法論は、DMノイズが過剰な他のコンバータにも利用できます。
図6: 降圧コンバータのノイズ低減
EMIを削減した車載用降圧コンバータ
削減伝導EMIを有する降圧コンバータの例は 、MPQ4423C-AEC1の、 同期整流、整流ステップダウンスイッチモードコンバータです。この装置は、出力電流全体の効率を向上させる、ウエッタブルフランク、集積パワーMOSFET、および同期モード動作で利用できます。
強制パルス幅変調 (PWM) モードで動作する場合 、MPQ4423C-AEC1は低いEMIエミッションを維持します (図7を参照)。
図7: MPQ4423C-AEC1でEMIを実施
2つ目の例は、車載用アプリケーションに適した4スイッチ昇降圧コンバータであるMPQ8873-AEC1です。MPQ8873-AEC1は、EMI性能を向上させるためにスイッチング周波数 (fSW) を周期的にディザリングできる調整可能な周波数スペクトラム拡散 (FSS) を含む、設定可能なパラメータを備えています。専用レジスタを使用すると、FSSを有効にし、FSS変調範囲を調整し、FSS変調周波数を設定することができます。図8は、EMI伝導平均の結果を示しています。
図8: MPQ8873-AEC1でEMIを実施
結論
本稿では、標準要件を超えるEMIノイズを制御する方法を検討しました。これらの方法には、DMノイズとCMノイズを別々にモデリングし、それぞれを取り扱って異なる用途のEMIを削減する方法や、ピーク効率のためにEMIを制御できる車載デバイスを強調することが含まれていました。
第2部では、EMIノイズを制御するコンバータとアンテナをモデル化する、テブナンの定理を用いて放射EMIの問題点を洗いだします。
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