电机驱动EMC整改：从传导到辐射，问题诊断与修复

电机驱动EMC整改：从传导到辐射，问题诊断与修复｜深圳南柯电子

随着电子设备的高速开关特性和功率密度不断提升，电磁兼容性已成为电机驱动系统设计中不可忽视的关键挑战。电磁干扰源、传播路径和敏感（接收）设备是电磁兼容的三要素。优化EMI的抑制方案通常分为降低噪声源的干扰和切断干扰路径两大类。在电机驱动系统中，周期性的PWM开关会产生重复的大电流和电压变化，功率级的MOSFET就是主要的干扰源。这些干扰信号可能影响车辆自身及周围环境中的电子电气设备正常工作。

一、电机驱动EMC整改的问题核心根源

电机驱动系统的EMC问题主要源于高速开关操作、不良布局设计和电机本身的工作特性。周期性的PWM开关波形是主要的干扰源，其高速的上升和下降沿蕴含着丰富的高频分量。根据RC电路带宽与上升时间的关系公式，降低开关速度可以大大减小信号的高频分量。

驱动芯片本身的时钟电路和产生高压的电荷泵电路也是重要的辐射源。如果系统电路设计不够优化，这些干扰源会通过外围电路耦合到其它部分，最终导致EMC测试失效。对于车载电机驱动系统来说，主要的电磁辐射源来自于快速变化的电场和磁场。此外，电机的火花——换向器区域附近的空气介质电离，在空气中形成带电粒子，也会形成电磁干扰。

二、电机驱动EMC整改的基本原则与思路

电机驱动EMC整改需遵循系统化的方法，首先减弱干扰源，然后切断干扰路径。降低噪声源干扰是最直接的整改方式。对于TI的外置MOSFET的电机驱动芯片，开关速度可以通过Idrive来进行调节；对于TI集成MOSFET的电机驱动芯片，开关速度可以通过Slew Rate进行调节。

降低开关速度的主要弊端是会增加系统功耗和热性能指标，同时可能导致输入控制信号占空比与实际的系统占空比产生偏差。切断干扰路径是另一种重要方法。传导干扰CE可以通过优化电流路径有效改善；辐射干扰RE主要分为电场耦合和磁场耦合。电场耦合主要是通过长走线、未屏蔽导体的天线效应产生，磁场耦合主要是通过不良接地和容性耦合所造成的环路产生。

三、电机驱动EMC整改的电路原理与布局优化

降低开关速度是减弱干扰源的有效手段。过快的开关速度容易引起振铃，增加系统高频辐射。以TI的电机驱动芯片为例，一般开关速度可以通过Idrive或Slew Rate进行调节。减小高频回路辐射对电机驱动应用至关重要。开关电流从驱动芯片到负载再返回的路径应该越小越好，以减小走线电抗产生的高频辐射。

在多层板的layout设计中，一个完整的地平面可以提供最小的电流返回路径，并提供对外界的屏蔽。优化退耦电容网络可以应对高频噪声。退耦电容充当本地的电荷蓄水池，在面对电气瞬态时储存多余的电荷或提供大电流支持。靠近芯片管脚摆放的退耦电容可以为更高频的噪声提供更小的返回路径。在不同梯度的电容组合中，大电容应对长时间低频的瞬态，小电容应对短脉宽高频的瞬态。

四、电机驱动EMC整改的滤波与屏蔽技术应用

增加PI型滤波器是阻断电机干扰反向传输的有效方式。当设备连接至电源时，在电源线上通常有差模电流和共模电流生成。PI型滤波器提供对差模噪声的低阻抗回路，能明显改善低频段的差模噪声。屏蔽措施对优化辐射干扰测试结果至关重要。将直流电机的两个输出线绞起来，在其上套一个磁环，可以减小辐射。

如果现场的EMC不规范，系统可能会频繁产生故障报警，该类报警无需其他额外操作，确认错误后又可以正常使用，但又会不定时地频繁出现。所有与系统相连接的电缆必须为屏蔽电缆，这包括电源电缆、电机动力电缆、编码器线缆以及抱闸电缆。编码器信号线缆和动力线缆需要分开敷设在不同的电缆槽中，编码器信号线缆必须与动力线缆保持10cm以上的距离。

五、电机驱动EMC整改的针对性整改与实战案例

根据EMC测试结果制定针对性整改方案至关重要。如果低频段差模噪声超标，可以通过PI型滤波器进行优化。中频段可以通过优化供电pin的梯度设计进行优化。需要注意的是退耦电容需要离供电pin尽可能接近，且中间不应有过孔。

如果中高频段超标，可以通过开启芯片的展频功能进行优化。车载电机控制器整改案例显示，在某车载电机控制项目中，存在低频段部分辐射严重超标问题。通过对PWM信号线束进行屏蔽处理，辐射情况得到明显改善。实测发现，电机两端的电压波形会有明显的过冲和振铃现象，此处的电压变化率更大，辐射更强。

电动水泵整改案例表明，传统整改对策如在正负电源线上串上棒状电感，并联X电容和Y电容，效果可能不理想。而使用共模电感和BDL滤波器则能有效滤除噪声，BDL滤波器对比传统方法具有滤波效果好、滤波频段宽、方案成本低等优点。

六、电机驱动EMC整改的系统级设计与标准符合性

遵循EMC设计规范是确保系统可靠的关键。SINAMICS V90 驱动器只有符合EMC的安装，才能保证系统可靠，不受干扰的运行。建议采用独立的24V直流电源给系统供电，不可与继电器、电磁阀等感性负载公用24V直流电源。符合国际标准对产品上市至关重要。IEC 61800-3规定了动力推进系统的电磁兼容性要求，这些是可调速交流或直流电机驱动器。

对转换器输入或输出电压高达35kV AC RMS的PDS规定了要求。系统级设计优化包括PCB布局遵循“三分离”原则：高速数字电路与模拟电路物理隔离，功率地与信号地单点连接。某伺服电机案例显示，驱动芯片与功率器件间距缩短至5mm，配合65μm覆铜层，可使144MHz频点余量提升至6dB。软件协同方面，微步驱动技术通过细化电流控制，减少电流跃变，配合软启动算法可降低30%开关噪声。

结语

有数据显示，科学的EMC整改可使产品一次通过率提升60%，故障率降低40%。面对日益严格的电磁环境要求，只有从源头上重视EMC设计，才能让产品在竞争中脱颖而出。电机驱动系统的EMC整改不是事后补救，而应是贯穿产品设计始终的系统工程。从最初的芯片选型、布局规划，到中期的滤波屏蔽设计，再到最后的测试验证，电机驱动EMC整改每一个环节都需要工程师们的精心考量。

审核编辑 黄宇