從歷史上看，汽車電子設(shè)備一直由用于啟動車輛的 12V 鉛酸電池供電。即使在發(fā)電機(jī)運行且電池電纜斷開時可能出現(xiàn)高達(dá) 42 V 的浪涌，電壓仍保持在低于 60 V DC 的安全超低電壓 (SELV) 范圍內(nèi)。因此，無需擔(dān)心 PCB 導(dǎo)電跡線的間距，以避免汽車電路中的電擊危險。

由于電動汽車 (EV) 電機(jī)需要更高的電壓(400 V 或 800 V)才能運行，因此電擊危險現(xiàn)在已成為汽車應(yīng)用中的一個問題。同樣嚴(yán)格的間距適用于連接到交流電源的電路和由市電供電的 SELV 電路之間的邊界，現(xiàn)在也適用于連接到電動汽車中高壓電池的電路和使用 12 個電源供電的 SELV 電路之間的邊界。 -V系統(tǒng)，例如信息娛樂和車身電子設(shè)備(主要是照明)。

未通過 CISPR 25

在依靠高壓電動汽車電池運行的牽引逆變器中，驅(qū)動高功率半導(dǎo)體開關(guān)所需的許多偏置電源均由低壓 12V 系統(tǒng)供電。問題在于，這些隔離電源將大量共模噪聲泵回到 12V 汽車電池線路中，導(dǎo)致它們無法滿足汽車國際無線電擾動特殊委員會 (CISPR) 25 傳導(dǎo)發(fā)射限制(該限制延伸至 108)兆赫。該噪聲很大程度上是由偏置電源隔離變壓器的初級和次級繞組之間的電容耦合的主開關(guān)波形驅(qū)動的。初級接地和次級接地之間具有高浪涌電壓額定值的旁路電容器(Y 電容器)會形成一個小環(huán)路，以在很大程度上包含這種共模噪聲，電池線上的共模濾波進(jìn)一步降低了這種噪聲，從而可以通過 CISPR 25 限制。

為了加強(qiáng)大多數(shù)傳統(tǒng)汽車電路中使用的高壓 EV 電池和低壓 12V 電池系統(tǒng)之間的間距，共同目標(biāo)是 8 毫米的間距。這將涵蓋 400 V RMS、污染等級 2 和材料組 III;或 800 V RMS，相同污染等級 2，但材料組 I。

滿足多層 PCB 的爬電距離和間隙要求

IEC 嚴(yán)格的間距要求是由暴露于污染空氣的表面上的高壓擊穿(爬電)以及空氣本身的擊穿或電弧(間隙)驅(qū)動的。在橋接初級-次級屏障的組件(例如變壓器或 IC)中，以及多層 PCB 的內(nèi)層(無空氣或濕氣暴露)時，間距要求要小得多，只要屏障能夠承受數(shù)千伏的高電壓即可。 - 潛力測試。加固屏障應(yīng)用中使用的 IC 的常見測試級別為 5 kV，這使得四層或多層 PCB 在內(nèi)層上具有交錯的初級和次級接地。內(nèi)層內(nèi)有間距要求，但與暴露在空氣中的層的要求相比顯著降低。對于某些應(yīng)用程序，對于 800V 電池系統(tǒng)來說，1 毫米的間距就足夠了。

使用隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行演示

我們構(gòu)建了兩個板來演示UCC12051-Q1隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的發(fā)射性能與 CISPR 25 5 類限制的比較。該轉(zhuǎn)換器專為 5V 輸入和 5V 輸出而設(shè)計，負(fù)載電流為 100mA，具有典型的電池線電磁干擾濾波器。一塊板(未發(fā)布)在所有四層上的初級和次級之間的間距為 8 毫米，一塊板允許在兩個內(nèi)層中交錯初級和次級接地，初級和次級接地之間的間距為 1 毫米。從初級接地到次級接地的額外有效電容估計為 11 pF。 UCC12051-Q1 內(nèi)部的隔離轉(zhuǎn)換器以 8 MHz 開關(guān)，以確保 CISPR 25 關(guān)注的第一個頻率是 32 MHz 的四次諧波。

圖 1是隔離式 5V 參考設(shè)計原理圖的片段，顯示了一個 IC 隔離轉(zhuǎn)換器，其初級地和次級地之間帶有電容器，以抑制轉(zhuǎn)換器隔離變壓器產(chǎn)生的高頻噪聲。未發(fā)布的電路板與隔離式 5V 參考設(shè)計相同，只是缺少 PCB 層交錯。

圖 1隔離 5V 參考設(shè)計中 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的初級和次級接口，顯示添加的旁路電容器 C100 和 C101 以及交錯內(nèi)層電容。

考慮到安全冗余的需要以及保持初級到次級總體間距的需要，我們串聯(lián)放置了兩個 Y 電容器(C100 和 C101)來橋接初級和次級接地。因此，有效電容是每個電容器值的一半。某些情況下需要三個串聯(lián)電容器(330 pF 電容器)以保持必要的間距。

圖2中，左圖為未釋放板，各層間距為8mm;右圖是隔離式 5V 參考設(shè)計，頂層和底層的間距為 8 毫米，內(nèi)層的間距僅為 1 毫米，從而使它們具有重疊的初級和次級接地層。

圖 2：所有層上的 8 毫米間距(左)與僅頂層和底層上的 8 毫米間距(右)：頂層 - 紅色;第2層為深綠色;第 3 層——淺藍(lán)色;第 4 層——棕褐色;第 2 層和第 3 層重疊——淺綠色;任何層上都沒有銅——黑色。

輻射發(fā)射與 CISPR 25

對于隔離式 5V 參考設(shè)計，我們預(yù)計這種交錯(在初級地和次級地之間增加了 11pF 的電容)只會有助于提高 200MHz 以上的輻射發(fā)射。事實上，即使沒有旁路電容器 C100 和 C101，交錯層也允許輻射發(fā)射在所有高于 200 MHz 的頻率下通過 CISPR 25 Class 5(圖 3)。如果沒有交錯層，我們需要在初級和次級接地之間添加額外的 Y 電容器，以便在相同的頻率范圍內(nèi)通過。

圖 3 200 MHz 以上的輻射發(fā)射與 CISPR 25 Class 5 的比較，無需任何額外的 Y 電容器。此特定掃描未包含在隔離式 5V 參考設(shè)計測試報告中。該電路板以超過 10 dB 的余量通過了限制。

令人驚訝的是，針對 30 至 108 MHz 范圍的濾波(C101 和 C102)及其嚴(yán)格的傳導(dǎo)發(fā)射限制得到了顯著增強(qiáng)。由于初級地和次級地之間有 110 pF 的有效附加電容，交錯將整個 30 至 108 MHz 范圍內(nèi)的傳導(dǎo)噪聲降低了約 4 至 8 dB。在此頻率范圍內(nèi)，交錯將 4 dB 的失敗轉(zhuǎn)換為具有 4 dB 余量的通過。

傳導(dǎo)發(fā)射與 CISPR 25

圖 4和圖 5顯示了這兩個板的傳導(dǎo)發(fā)射掃描，唯一的區(qū)別是內(nèi)層交錯。兩次掃描均在同一線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) (LISN) 上進(jìn)行，具有相同的共模電池線路濾波和相同的 5V 輸出 100mA 負(fù)載。

圖 4隔離 5V 參考設(shè)計(具有交錯層)傳導(dǎo)發(fā)射與 CISPR 25 5 類、30 至 108 MHz 的比較：以 4.5 dB 余量通過，最壞情況是在 82 MHz 時進(jìn)行“CISPR 平均值”檢測。

圖 5未發(fā)布的電路板(無交錯層)傳導(dǎo)發(fā)射與 CISPR 25 5 類、30 至 108 MHz 的比較：未通過 3.8 dB 余量，最壞情況是 32 MHz 下的 CISPR 平均檢測。

具有估計 11 pF 電容的交錯層對濾波的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于在 Y 電容器的有效 110 pF 電容中添加 11 pF，這將改善濾波約 1 dB。內(nèi)層接地層降低了橋接 Y 電容器的有效電感，使其能夠更好地分流這些高頻諧波。

這種濾波改進(jìn)增加了近距離接地層的優(yōu)勢，提高了電容器濾波的性能，無論目標(biāo)是限制輸出噪聲、控制非隔離應(yīng)用中的發(fā)射，還是減少半導(dǎo)體上的應(yīng)力和故障。