关于车载无线电EMI 问题和解决方案

对于我们这些在日常通勤中花费过多时间在走走停停的交通（或完全停在所谓的州际公路上）的人来说，知道这段空闲时间可以用于许多其他目的，并且汽车一直是帮助我们完成一些其他“任务”的技术的关键市场，例如电话交谈、短信和电子邮件、在线购物和冲浪、电影下载和视频流、游戏玩，等等。如果您在交通中向左或向右看，您会发现这些任务中的大部分都是围绕手机的使用而发展的。为了补充这种高使用率，其中一项较新的实施技术是车载无线充电功能内置于中央控制台区域或其他一些易于访问的位置。目的？移除所有这些插入式电缆并在充电时将手机放在已知位置。

背景

在过去的三年中，无线电力技术“战争”以“Qi”或无线电力联盟 （WPC） 成为赢家，而现在是低功耗的事实标准。全球所有领先手机制造商实施 Qi 技术进一步验证了这一点。在此之前，汽车制造商确实在他们的车辆中实施了无线充电，但人们一直担心是否会因为买家的手机不兼容嵌入式充电技术而失去销售。

提供无线充电功能的车型实施数量已从 2016 年初的 40 多款增长到 100 多款（目前），这相当于超过 1200 万辆（240 万辆 OEM 安装，970 万辆售后市场）具有基于 Qi 的车辆仅在 2018 年安装的车辆系统。这些系统中的大多数都符合 Qi 基本功率配置文件 （BPP） 和 5W（瓦）。新的方向是更快的充电和更高的功率。大多数新设计的目标是符合 Qi 扩展功率配置文件 （EPP） 或 15W 功能。这种能够更快充电的额外便利伴随着必须克服的额外技术障碍。三个主要问题是 EMI 合规性、效率和热限制。

15W系统

在 WPC 标准中，有子类别（例如 MP-A8、MP-A9、MP-A13）指定了无线电力系统的各个方面以及放置在中控台内的发射 （Tx） 线圈的配置区域。出于互操作性目的，该标准定义了：输入直流电压、Tx 线圈尺寸和形状、电气参数、频率控制（固定与可变）、功率水平和功率控制（电压/频率/相位/占空比）。使用车辆主电池的输入电压通常为 12V 进入发射器电路，因此具有升高的电压，产生的电场 （E） 比与许多桌面无线充电器相关的 5V 输入电压更强。由于系统内的谐振操作模式，线圈（谐振器/天线）上的实际电压可能在 100V 左右，

EMI 问题和解决方案

在较新的车辆上，有许多射频系统，所有这些系统都需要共存以确保它们所做的事情不会影响其他任何东西。其中一些是：AM/FM 收音机、GPS、ADAS 系统、多个蜂窝频段、蓝牙、WiFi、资产跟踪、短波收音机、密钥卡、警察扫描仪、远程信息处理等，甚至可能还有一些 CB 收音机对于所有那些 10-4 哥们在那里。

其中一些射频系统在 Qi EPP 无线电力系统的 87-205 KHz（最高可达 300 KHz）基频范围内和/或通过低谐波运行。525 KHz 至 1705 KHz（在美洲）的 AM 收音机被要求无 EMI，因为它被用作紧急广播系统的一部分。新的远程无钥匙进入系统 （RKE） 以 125 KHz 运行，一些轮胎压力监测系统 （TPMS） 也使用此频率来驱动启动器 LC 线圈电路。

汽车应用对 EMI 有非常严格的要求。CISPR 25（Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques）是一项非监管工程汽车标准，它设定了为保护其他车载接收器而必须满足的传导和辐射发射限值。它在 150 kHz 至 2500 MHz 的频率范围内定义了这些限制，这些限制可能由其他车载天线传导。

在 CISPR 25 中，有一些类别定义了允许的传导和辐射噪声发射限值的水平，辐射噪声是真正值得关注的问题。表 1 中给出了通过 FM 无线电频段的峰值、准峰值和平均测量电压的类发射 ［辐射］ 限制与频段。

表 1：按类别划分的 CISPR 25 辐射限值

随着 Qi EPP 功率水平的提高，满足 Class 4 一直是一个挑战，目前市场上还没有 Class 5 系统。对于车载无线充电，高达 1.8 MHz 的 AM 频率是最敏感的，但认证测试确实会超过 1 GHz。图 1 提供了实际的 CISPR 25 Class 5 测量数据。

图 1：CISPR 25 5 类初始测试 100 KHz 至 30 MHz

从图中可以看出，该设计并未完全通过 5 类认证，但确实符合 4 类要求。EMI 噪声抑制从系统的电气设计开始，以下部分介绍了设计中用于满足 CISPR 25 要求的一些关键领域。

减轻 EMI 噪声的第一个领域是实施固定频率系统。在 Qi 标准中，有一些方法可以让可变频率更好地“调整”两侧以提高性能。然而，为了满足与车载电源系统相关的严格 EMI 噪声水平，不断变化的频率将使满足这些要求变得更加困难。此外，欧洲汽车制造商对 145 KHz 以上有限制，因此当前解决方案的固定工作频率设置在 127 KHz 左右。

下一个技术是通过 Tx 线圈去除方波电流，并使这些电流尽可能接近正弦曲线。这种方法减少了可能产生的噪声“尖峰”。这可以通过使用电感器来实现，因为这种无源器件可以消除由开关 （MOSFET） 的开/关产生的方波电流，并有助于确保开关方案“干净”且无噪声。

通过在电源线上添加一个与 Tx 线圈绕组串联的共模滤波器 （CMF），可以实现进一步的 EMI 抑制。通过线圈的电流是 100% 的交流电 （AC），并且没有像许多涉及直流电流和一些允许纹波电流的电源那样包含直流电 （DC）。线圈的电流可以认为是 100% 的纹波电流。因此，选择用于该 CMF 的铁氧体材料很重要，并且在 127 KHz 固定频率下，交流磁芯损耗必须处于绝对最小值。

另一种 EMI 噪声抑制技术是添加 EMI 噪声抑制磁片，以吸收可能从主 Tx 屏蔽背面传输出来的工作频率、谐波和杂散噪声。磁片通过两种方法消除 EMI 噪声。首先，这些材料的磁导率 （µ‘） 使这些屏蔽能够包含 ［吸收］ EMI 噪声磁通量 （φ） 并防止其被辐射。接下来，这些屏蔽的电阻特性 （µ”） 为不需要的频率的通量场创建了一个电阻路径，并衰减了 EMI 噪声并以热量的形式将其从环境中移除。这种关系在公式 1 中给出。

µ = µ’ – jµ” ［等式。1］

对于 EMI 抑制应用，更高的 µ‘ 通过磁通量抑制产生更好的屏蔽性能，而更高的 µ’ 通过材料磁芯损耗产生更好的噪声抑制。µ‘ 值太高会降低性能。由于一种称为磁耦合 （K） 的现象，具有额外的磁片可以改变 Tx 线圈的电感值并通过互耦合（M 或 Lm）使电路失谐，并使其远离所需的固定频率。

最后，如果 EMI 抑制片确实会导致固定频率问题，那么也可以使用非磁性材料来抑制 EMI 噪声。挑战在于获得一种能够吸收一定程度的噪声能量的材料，但又不会过于金属化，以至于不能简单地反射 EMI 噪声而不是去除它，也不会抑制所需的 H 场。具有低表面电阻（~4 ohms/square）的银合金基薄膜已被使用，并展示了高达 1 MHz 的改进的 EMI 噪声抑制和有问题的谐波的衰减。这些放置在绕组顶部的非磁性薄片倾向于更好地抑制基于电压/E 场的谐波，而不是基于电流/H 场的谐波。

Tx 线圈带有自己的磁屏蔽，其中包含由通过绕组的正弦电流产生的磁通量。对于基本工作频率 （127 KHz），屏蔽材料被选择为具有更高的 µ’ 和非常低的 µ”，以不衰减所需的磁通量场。该屏蔽包含工作频率下的所需磁通量以提高性能和一些谐波通量，因此成为整体 EMI 合规性解决方案的一部分。

Chris T. Burket已在 TDK 工作超过 25 年，并在洛杉矶办事处占据了一张办公桌。他曾在 TDK 担任过多个职位，目前是一名产品营销工程师。他开着一辆 1968 年的 Camaro，新车时没有配备集成无线充电系统选项。