導讀：瞭解 EMI 和 EMC 在電動車中的重要性
在這個高速連接和無線通訊的世界裡，電磁相容性 (EMC) 的重要性來到了史上新高。EMC 對電池電動車應用尤其重要，因為其動力傳動系統會產生極高的瞬變電壓 (dV/dt)。
電磁干擾 (EMI) (問題) 和電磁相容性 (解決方案) 的基本概念在所有應用中都顯而易見。深入瞭解 EMI 和 EMC，對任何汽車工程團隊來說都是很重要的課題。車輛網路架構和無線連接的大幅增加，顯露出非必要雜訊對車輛應用的潛在影響。
電磁場無所不在，每當隨時間變化的高頻電流流經電線或印刷電路跡線時，磁通線 (H 場) 和電場 (E 場) 就會圍繞導電介質。傳輸到另一條 PCB 跡線或纜線時，這些電磁場便會表現為不需要的訊號或雜訊，因而干擾電路的作業。
靜電放電 (ESD) 是另一種 EMI 形式，當我們下車或做任何會產生摩擦的動作時都會遇到。ESD 的發生並不規律，而 EMI 則通常持續發生。任何高電壓、短持續時間 (高 dV /dt) 的瞬變都可能導致作業不穩定，甚至對敏感電子系統造成永久性損壞。
任何複雜的電子電路都有多個潛在的 EMI 來源，包括時鐘、類比訊號輸入線、繼電器開關、微控制器介面和 DC/DC 轉換器。EMI 可能在產生在的系統以及其他完全不相關的系統中引起問題。EMI 或許定期發生，也可能偶爾發生，因此要找出 EMI 來源相當耗時，需要頻譜分析儀等測試設備。
EMI 可經由兩種主要方式傳輸到另一個系統：傳導放射或輻射放射。輻射放射通常來自以射頻運作的訊號，例如微控制器資料線、時鐘和無線收發器。PCB 跡線和互連線 30 MHz 以上就會變成極其有效的天線。
傳導放射可能由電感、電容或共同阻抗耦合產生，雜訊偽影會干擾其他系統或功能。訊號線之間透過電感或電容耦合產生的串擾是另一個用於描述 EMI 的術語。共同阻抗耦合通常發生在電源軌，來自某一電路功能與負載相關的小電壓波動疊加在與其他系統零件共用的電源連線上。
電磁放射的類型
此圖顯示從來源到接收 (中斷) 系統或電路功能不需要的電磁雜訊傳輸。
連網車輛的興起
現代車輛滿載各種互連的電子系統，時尚的資訊娛樂顯示器和先進駕駛輔助系統 (ADAS) 讓我們的公路旅行變得更安全。但車輛內存在許多潛在的 EMI 來源和易受影響的系統，電動車 (EV) 尤其如此，其高功率轉換和傳動系統功能可能會產生嚴重的電子干擾，進而影響其他電子控制單元 (ECU)。
電動車具有驚人的快速動態回應速度，有些能在 5 秒內從 0 英里/小時加速到 60 英里/小時。在加速過程中，透過傳動系統和相關電路產生的電負載可高達 1,000 安培，並產生數萬伏特的瞬間 dV /dt 瞬變。將其與來自用於 ADAS 車道導引的方向盤轉動感測器等的低電壓訊號相比，如果任何傳動系統瞬變干擾到 ADAS ECU，車道導引功能的完整性將受到嚴重損害。
現代車輛的架構越來越多轉向區域式，使用高速網路連接區域和相關的 ECU。
現代車輛中的區域架構
現代車輛利用區域網路架構連接電子控制單元。 .
(資料來源：安富利)
此外，乘客資訊娛樂系統、車對基礎架構 (V2X) 和車對車 (V2V) 通訊等無線連接的增加，也增加了 EMI 的可能性。如此多的互連系統配有電敏感處理器和長網路佈線，因此更可能產生 EMI 偽影，擾亂及損害車輛的操作。
實現電磁相容性
電動車的 EMC 有兩個關鍵要點，第一個是關於確保能產生任何形式 EMI 的電路不會傳導或放射干擾，第二個則是保護易受 EMI 影響的系統。
未知數是，車輛、駕駛和乘客就算是在短途旅行中也可能遇到許多不同情況。例如，當乘客操作觸控裝置，使其變成天線而放射非必要的訊號，促使資訊娛樂顯示器的 EMI 變高，影響其他系統。
EMI 抗擾度已成為車輛測試的一個重要領域，對世界上多數國家/地區來說，符合 EU ECE R10、CISPR 25 或 ISO 11451/2 等標準至關重要。這些標準涵蓋了對車輛內外部來源的 EMC 敏感性的規範，同樣地，車輛的外部放射也需受到規範。
對於汽車電子工程師來說，有多種既定方法可實現 EMC 合規性。
- 分析及調查 EMI 熱點：配備 H 場和 E 場探棒的頻譜分析儀和專業 EMI 接收器可以識別來自 PCB 跡線和主動式裝置 (例如開關電晶體、微控制器和無線模組) 的雜訊來源。另外也有電路建模和模擬技術等寶貴資源，可使用專業軟體來模擬放射和敏感性。
- 實作 EMI 對策： 將雜訊偽影縮小到特定元件或功能後，可用的 EMI 抑制措施包括有接地平面、金屬屏蔽、被動式濾波器、鐵氧體核心和屏蔽互連。對於部分射頻敏感和高功率應用，金屬墊圈和屏蔽是必要的。同樣地，易受 EMI 影響的電路也應加以保護。差分訊號方法因原本即具備 EMI 抗擾能力，因此在許多汽車網路應用中受到廣泛採用；然而，保持訊號完整性也至關重要。
含用於測量 EMI 的近場探棒的頻譜分析儀
含近場探棒的頻譜分析儀測量微控制器板的 EMI。(資料來源：Robert Huntley)
- PCB 設計和機械外殼：精心的 PCB 設計，對 EMC 來說極其重要，專業規劃的 PCB 配置和資源可供工程師遵循。盡可能使用金屬外殼、屏蔽互連和解耦的電源軌，對於實現必要標準的合規性有很大的幫助。
實現電動車電磁相容性
要符合國際公認的 EMC 標準沒有捷徑，成功之道始於詳盡的工程設計決策和對基本技術的透徹認識。本文介紹了 EMI、ESD 和 EMC 的基本概念，還有一些初步的檢查清單項目。