汽車控制器電源系統(tǒng)的抗擾性設(shè)計(jì)

任國峰，田 豐，楊 林

(上海交通大學(xué)汽車電子技術(shù)研究所，上海200240)

汽車控制器電源系統(tǒng)的抗擾性設(shè)計(jì)

任國峰，田 豐，楊 林

(上海交通大學(xué)汽車電子技術(shù)研究所，上海200240)

汽車電子技術(shù)的發(fā)展帶來了汽車電磁兼容問題，其中，控制器的電源系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)對(duì)保證汽車穩(wěn)定和可靠運(yùn)行具有非常重要的意義。通過對(duì)國標(biāo)GB/T 21437.2-2008規(guī)定的5種脈沖干擾波形的深入分析，將瞬變脈沖對(duì)控制器的穩(wěn)定運(yùn)行造成干擾歸結(jié)為兩個(gè)重要原因：持續(xù)期短的尖峰干擾和長時(shí)間的電壓跌落。針對(duì)這兩個(gè)原因，設(shè)計(jì)了汽車控制器電源系統(tǒng)的抗干擾電路，設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)抗干擾電路性能達(dá)到了相應(yīng)國標(biāo)中嚴(yán)酷度A級(jí)等級(jí)的要求，并且控制器經(jīng)過近2年的實(shí)際裝車穩(wěn)定運(yùn)行，表明所設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)抗干擾電路具有足夠的電磁兼容性能。

電磁兼容；傳導(dǎo)抗擾；抗干擾電路；電源系統(tǒng)；汽車控制器

隨著電子技術(shù)在現(xiàn)代汽車上的應(yīng)用越來越廣泛[1]，汽車電子設(shè)備的抗干擾問題越來越突出。這是因?yàn)槠囯娮釉O(shè)備的使用環(huán)境要比普通電子設(shè)備惡劣得多[2]。其中，在汽車的電源系統(tǒng)上，負(fù)載多種多樣，既有小阻抗、大電流的阻性、感性負(fù)載，也有小電流、高電壓的脈沖發(fā)生裝置，還有高頻振蕩信號(hào)源，它們對(duì)外不僅是潛在的干擾發(fā)射源，對(duì)內(nèi)也是車載電子產(chǎn)品的傳導(dǎo)干擾源。再者由于現(xiàn)代汽車普遍采用了電控發(fā)動(dòng)機(jī)，點(diǎn)火裝置或燃油噴射裝置與各種車載電子和電氣設(shè)備共用一個(gè)蓄電池，這就會(huì)通過電源線對(duì)汽車電子控制單元的正常工作產(chǎn)生干擾，會(huì)嚴(yán)重地降低汽車的可靠性。因此，為了提高汽車工作的可靠性和穩(wěn)定性，必須做好汽車電子控制單元的電源輸入電路抗干擾設(shè)計(jì)。

目前我國在汽車電子設(shè)備EMC測(cè)試領(lǐng)域，關(guān)于抗擾度測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)主要有以下兩類：等同采用歐盟95/54/EC規(guī)定的機(jī)動(dòng)車電子電器組件對(duì)電磁輻射的抗擾度以及測(cè)量方法的GB/T 17619-1998《機(jī)動(dòng)車電子電器組件的電磁輻射抗擾性限值和測(cè)量方法》 以及等同采用ISO 7637-2004的 GB/T 21437-2008《道路車輛-由傳導(dǎo)和耦合引起的電騷擾》系列標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。其中，國標(biāo)GB/T 17619-1998規(guī)定的測(cè)試內(nèi)容是沿信號(hào)線和控制線的傳導(dǎo)和輻射干擾，而國標(biāo)GB/T 21437.2-2008規(guī)定的正是沿電源線的電瞬變傳導(dǎo)干擾。本文給出的電源輸入電路也正是基于此而設(shè)計(jì)的，一個(gè)好的電源輸入電路能夠過濾掉很多通過電源線傳入的干擾信號(hào)。

1 電源系統(tǒng)的瞬變干擾

圖1 脈沖波形

國標(biāo)GB/T 21437.2-2008規(guī)定了在汽車電氣系統(tǒng)中經(jīng)常遇到的5種典型瞬變干擾脈沖，脈沖波形和它們的典型參數(shù)如圖1和表1所示。脈沖1模擬車輛中跟被測(cè)物(DUT)相并聯(lián)的電感性負(fù)載上切斷電源時(shí)產(chǎn)生的瞬變波形。脈沖2.a模擬由于和被測(cè)物相并聯(lián)的設(shè)備被突然切斷電流時(shí)，在線束電感上應(yīng)生的瞬變現(xiàn)象。脈沖2.b模擬點(diǎn)火開關(guān)斷開后，直流電動(dòng)機(jī)由于被當(dāng)成發(fā)電機(jī)而產(chǎn)生的瞬態(tài)尖峰電壓。脈沖3模擬電感負(fù)載的開關(guān)切換時(shí)，由于線束的分布電感和電容而產(chǎn)生的瞬變現(xiàn)象，3.a模擬負(fù)極性瞬變脈沖，3.b模擬正極性瞬變脈沖。脈沖4模擬由于激勵(lì)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)線路時(shí)引起的電源電壓降低情況。脈沖5a模擬交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生充電電流時(shí)，蓄電池電路上的連接被斷開時(shí)的瞬變現(xiàn)象。脈沖5b模擬上述因蓄電池電路上接有抑制器件 (齊納二極管把電壓鉗制在24 V)時(shí)的瞬變現(xiàn)象。一旦汽車電子控制單元通過了這些標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)，是可以保證今后安裝在12或24 V系統(tǒng)的轎車、普通貨車及大型客車上的電子控制單元具有足夠的電磁兼容性的。

表1 沿電源線的瞬變干擾脈沖波形參數(shù)值

可以看出，國標(biāo)GB/T 21437.2-2008所提出的5個(gè)脈沖波形盡管并不能覆蓋車輛中所有類型的瞬變脈沖，但實(shí)際上還是綜合了多方面的干擾來考核車載電子設(shè)備，其中包括高速、低能量的脈沖；低速、高能量的脈沖；兼顧速度和能量兩方面的中等速度和中等能量脈沖；直流電壓中斷與直流電壓跌落。

P1脈沖是內(nèi)阻較大(10～50 Ω)、電壓較高(幾十伏至幾百伏)、前沿較快(微妙級(jí))和寬度較大(毫秒級(jí))的負(fù)脈沖。在整個(gè)GB/T 21437.2標(biāo)準(zhǔn)里屬于中等速度和中等能量的脈沖干擾，對(duì)被試設(shè)備兼顧了干擾(造成設(shè)備誤動(dòng)作)和破壞(造成設(shè)備中元器件的損壞)兩方面的作用。

P2a脈沖在整個(gè)GB/T 21437.2標(biāo)準(zhǔn)里屬于速度偏快和能量較小的脈沖干擾，它的作用與P1脈沖有點(diǎn)相似，但它是正脈沖。P2b脈沖是一個(gè)電壓不高(大體與電源電壓相當(dāng))、前沿較緩(毫秒級(jí))、寬度很大(達(dá)到秒級(jí))和內(nèi)阻很小的脈沖。在整個(gè)GB/T 21437.2標(biāo)準(zhǔn)里屬于低速和高能量的脈沖干擾，著重考核對(duì)設(shè)備(元器件)的破壞性。P2b脈沖的這個(gè)作用與P5有點(diǎn)相似，但電壓較低，脈沖更寬。

P3脈沖在整個(gè)GB/T 21437.2標(biāo)準(zhǔn)里是一系列高速、低能量的小脈沖，常能引起采用微處理器或數(shù)字邏輯控制的設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)作。

P4脈沖在GB/T 21437.2標(biāo)準(zhǔn)里主要考核車載電子設(shè)備在電源電壓跌落過程中誤動(dòng)作的情況，尤其是考核帶微處理器的設(shè)備有沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失和程序紊亂的情況。

P5脈沖是幅度較高(100～200 V，相對(duì)于系統(tǒng)電源電壓來說，這已經(jīng)算是高電壓了)、寬度較大(達(dá)幾百毫秒)、內(nèi)阻又極低(幾歐姆，甚至零點(diǎn)幾歐姆)，所以在GB/T 21437.2標(biāo)準(zhǔn)里，P5脈沖屬于能量比較大的脈沖。除了考核被試設(shè)備在P5作用下的抗干擾能力外，在相當(dāng)程度上還考核它對(duì)元器件的破壞性。

2 電源系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

事實(shí)上，國標(biāo)GB/T 21437.2規(guī)定的5個(gè)脈沖對(duì)控制器穩(wěn)定運(yùn)行造成干擾可歸結(jié)為兩個(gè)非常重要的原因：持續(xù)期短的尖峰干擾和長時(shí)間的電壓跌落。尖峰干擾可以通過直接進(jìn)入電源的方式耦合到系統(tǒng)，或引起內(nèi)部邏輯電路的誤動(dòng)作(如P3脈沖)，或?qū)刂破鲀?nèi)部的電子元器件造成破壞(如果尖峰干擾的能量比較大，如P2、P5脈沖)。電壓的跌落可以引起存儲(chǔ)電路或其他易失數(shù)據(jù)的丟失(如P4、P1脈沖)。對(duì)于高速瞬態(tài)尖峰干擾脈沖，可以通過LC濾波電路過濾掉進(jìn)入電源中的尖峰脈沖；如果干擾脈沖的能量比較大，后面再加一個(gè)瞬變電壓抑制器TVS快速吸收掉超過額定電壓的尖峰脈沖。對(duì)于負(fù)的尖峰脈沖干擾，可以在電源輸入電路中串入防反接二極管防止電源處理電路被反向擊穿，對(duì)于負(fù)脈沖引起的長時(shí)間電壓跌落，可以在防反接二極管的后面接一個(gè)大容量的儲(chǔ)能電容，用于在電源電壓跌落時(shí)，繼續(xù)給控制器提供電能。

所設(shè)計(jì)的電源電路如圖2所示。車載蓄電池-發(fā)電機(jī)的電源從+24 V_BAT處進(jìn)入，二極管D1主要防止電源的正負(fù)極被誤接反，如果接反，控制器會(huì)因?yàn)闆]有供電而不能正常工作，同時(shí)還可以有效抵擋負(fù)脈沖對(duì)電源系統(tǒng)的干擾。二極管D1的正向額定電流值應(yīng)大于控制器正常工作所消耗的電流，反向耐壓值應(yīng)大于負(fù)的尖峰脈沖值?？刂破鳚M負(fù)載工作時(shí)，消耗的最大電流大概800 mA左右，負(fù)尖峰脈沖干擾最大幅值為－600 V(P1脈沖)，所以D1選ST半導(dǎo)體的STTH5R06B二極管，它的正向額定電流可達(dá)5 A，反向擊穿電壓600 V，可以滿足防電源反接和抗負(fù)脈沖干擾的要求。

圖2 汽車控制器的電源電路

大電流磁珠L1、L2和電容C1配合對(duì)電源進(jìn)行濾波，抑制電源輸入中的高頻干擾，同時(shí)也抑制控制器內(nèi)部向外發(fā)射高頻干擾，磁珠可選日本TDK生產(chǎn)的片式磁珠HF70ACC201209，可以通過1.5 A的電流，電容C1可選1 μF的鉭電容。TVS管D2是脈沖干擾抑制器，它可以快速吸收超過額定電壓的尖峰脈沖，瞬時(shí)通過電流很大，國標(biāo)GB/T 28046.2-2011規(guī)定，對(duì)于24 V汽車電源系統(tǒng)，輸入的電源電壓范圍是+9～+36 V，所以此處的TVS管擊穿電壓可選+36 V，結(jié)合脈沖P5的功率，選5 kW系列的5KP36A瞬變電壓抑制二極管。共模濾波器T1(型號(hào)：ACM12V-701-2PL-TL)配合C1、C2和C3可以濾除電源輸入中的共模噪聲和諧波干擾。

大容量電解電容C2和小容量鉭電容C3進(jìn)一步濾除電源輸入中的差模干擾，同時(shí)，大容量儲(chǔ)能電容C2還要在負(fù)干擾脈沖出現(xiàn)時(shí)，繼續(xù)提供控制器工作所需要的電能。負(fù)干擾脈沖可以參見P1和P2.b，負(fù)脈沖持續(xù)時(shí)間大于1 ms，C2的容量可以通過下式確定：

所以，C2可選標(biāo)稱值為100 μF/50 V的電解電容。

過濾干凈的電源通過開關(guān)電源芯片LM2576變換為系統(tǒng)使用的+5 V電源，開關(guān)電源芯片LM2576的輸入電壓范圍+7～+40 V，也符合國標(biāo)GB/T 28046.2-2011對(duì)電源電壓輸入范圍的要求。電容C5和C6對(duì)輸出+5 V電源進(jìn)行濾波，電阻R1和LED發(fā)光二極管D4指示當(dāng)前是否有電。

2.1 測(cè)試認(rèn)證

所設(shè)計(jì)的上述汽車控制器電源抗干擾電路，已在某混合動(dòng)力控制器應(yīng)用將近2年，2年的穩(wěn)定運(yùn)行表明所設(shè)計(jì)的抗干擾電路有足夠的抗傳導(dǎo)干擾性能；并且控制器在上海機(jī)動(dòng)車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心做了電磁兼容測(cè)試[5]，電源系統(tǒng)的傳導(dǎo)抗擾度特性符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21437.2-2008中24 V系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等級(jí)A的要求。圖3為汽車控制器電源線的傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試。

圖3 汽車控制器電源線的傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試

3 結(jié)論

通過對(duì)國標(biāo)GB/T 21437.2-2008規(guī)定的5種脈沖干擾波形從能量和速度方面的深入分析，將瞬變脈沖對(duì)控制器的穩(wěn)定運(yùn)行造成干擾歸結(jié)為兩個(gè)重要原因：持續(xù)期短的尖峰干擾和長時(shí)間的電壓跌落。針對(duì)這兩個(gè)原因，設(shè)計(jì)了汽車控制器電源系統(tǒng)的抗干擾電路，設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)抗干擾電路性能達(dá)到了相應(yīng)國標(biāo)中嚴(yán)酷度A級(jí)等級(jí)的要求。控制器經(jīng)過近2年的裝車穩(wěn)定運(yùn)行，表明所設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)抗干擾電路具有足夠的電磁兼容性能。

[1]魏學(xué)哲，戴海峰，孫澤昌.汽車嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法、體系架構(gòu)和流程[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012(40):7-13.

[2]潘旭峰，馬彪.汽車電子控制系統(tǒng)的核心-ECU[J].汽車電子科技導(dǎo)報(bào)，1996(8):21-25.

[3]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 17619:1995機(jī)動(dòng)車電器電子組件的電磁輻射抗擾性限值和測(cè)量方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

[4]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 21437.2:2008由傳導(dǎo)和耦合引起的電騷擾-沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[5]國家機(jī)動(dòng)車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(上海).混合動(dòng)力整車控制器檢驗(yàn)報(bào)告[R].上海：國家機(jī)動(dòng)車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，2012:1-2.

Immunity design of power system for automotive controller

The automotive EMC problem was raising with the development of automotive electronic technology.Among which,the immunity design of the controller's power system became very important for the stable and reliable operation of the vehicle.By analyzing five kinds of pulse interference waveforms which was prescribed in GB/T 21437.2,two major reasons were concluded:the short duration voltage spikes interference and long time voltage fall.The immunity circuitry of automotive controller was designed contrary to the aforementioned two reasons and its performance could meet the requirement of class A.The stable operation of controller for nearly two years indicates that the immunity circuitry has sufficient electromagnetic compatibility.

electromagnetic compatibility;conducted immunity;immunity circuit;power system;automotive controller

TM57

A

1002-087 X(2016)03-0659-03

2015-08-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275291)

任國峰(1982—)，男，山東省人，博士生，主要研究方向?yàn)樾履茉雌嚒?/p>