基于發(fā)動機(jī)ECU電源的抗干擾系統(tǒng)設(shè)計

趙海發(fā)，李小偉

(濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河南 濟(jì)源 459000)

在汽車內(nèi)部復(fù)雜的電磁環(huán)境中，發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)中的發(fā)動機(jī)電子控制單元(ECU)[1]對外形成的干擾非常微弱，但該系統(tǒng)容易受到周圍其他電磁波的干擾。發(fā)動機(jī)ECU通過81端口插接件與各種傳感器、執(zhí)行器、電源以及相關(guān)線束相連接，與外界進(jìn)行信息交換和通信。在控制系統(tǒng)中ECU是關(guān)鍵，ECU由蓄電池或發(fā)電機(jī)供電，電源系統(tǒng)以及電壓調(diào)節(jié)器在工作時都會產(chǎn)生傳導(dǎo)和輻射電磁干擾，并通過電源線耦合進(jìn)入ECU內(nèi)部。為了提高發(fā)動機(jī)ECU的電磁兼容性以及其工作的穩(wěn)定性，必須對其電源輸入電路進(jìn)行電磁兼容研究。

GB/T 21437.2—2008《道路車輛由傳導(dǎo)和耦合引起的電騷擾》規(guī)定了轎車或商用車電源線瞬態(tài)電磁發(fā)射測試和抗擾度測試的方法與內(nèi)容。本文依上述標(biāo)準(zhǔn)對進(jìn)入ECU的QADC(增強(qiáng)型A/D轉(zhuǎn)化器)及L9741電源管理芯片的電源進(jìn)行濾波去耦設(shè)計。

1 ECU的電磁兼容分析

發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)由3個部分組成，分別為電子控制單元(ECU)、傳感器及執(zhí)行部件。傳感器的作用是獲取發(fā)動機(jī)運(yùn)行時的各種狀態(tài)參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣溫度等，并將其轉(zhuǎn)換成電信號；ECU接收傳感器的輸入信號，并按照預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行處理，向執(zhí)行器輸出信號；執(zhí)行器按照ECU輸出的電信號驅(qū)動執(zhí)行部件執(zhí)行各種指令。

發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的組成

電磁干擾有2種傳輸途徑，一種是傳導(dǎo)干擾，即電磁干擾通過導(dǎo)線進(jìn)入電源或者電子系統(tǒng)，或者通過容性耦合或感性耦合進(jìn)入控制線或者信號線；另一種是輻射干擾，即干擾源的電磁能量以場的形式向四周傳播。

插接端口是ECU電子電路連接外界各種傳感器、執(zhí)行器以及電源的唯一通道，是ECU中抗干擾能力最薄弱的地方。傳感器采集的發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況信號經(jīng)過線束進(jìn)入ECU，不同長度和形狀的線束成了傳導(dǎo)干擾和輻射干擾的耦合通道。

2 ECU的電磁干擾

發(fā)動機(jī)ECU在復(fù)雜的電磁兼容環(huán)境中容易受到外界的干擾，尤其是汽車內(nèi)部的干擾源[2]對其影響較大，如微機(jī)控制點(diǎn)火系統(tǒng)[3]、供電系統(tǒng)以及電磁閥、繼電器開關(guān)等電子控制系統(tǒng)和電子電器組件在工作時都會產(chǎn)生電磁干擾[4]，通過ECU的電源線耦合傳導(dǎo)干擾以及輻射干擾。

2.1 點(diǎn)火系統(tǒng)電磁干擾源

發(fā)動機(jī)火花塞點(diǎn)火時，初級線圈及次級線圈會在瞬間產(chǎn)生強(qiáng)高壓，從而對外分別沿電氣線路和周圍空間產(chǎn)生很強(qiáng)的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。最強(qiáng)的電磁干擾源為高壓電子點(diǎn)火系統(tǒng)[5]。

電子點(diǎn)火系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示。

圖2 電子點(diǎn)火系統(tǒng)

2.2 供電系統(tǒng)電磁干擾源

汽車電子電器設(shè)備供電系統(tǒng)主要包括蓄電池、發(fā)電機(jī)、電壓調(diào)節(jié)器。車輛正常行駛過程中，用電設(shè)備的開啟和關(guān)閉是根據(jù)實(shí)際需要變化的，因此電路的負(fù)載會在很大范圍內(nèi)波動，由此導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出的電流因負(fù)載的變化而不斷變化，從而使發(fā)電機(jī)電樞繞組上產(chǎn)生正向或反向的瞬變過電壓，對外產(chǎn)生沿導(dǎo)線的傳導(dǎo)干擾和空間輻射的電磁干擾。

2.3 感性負(fù)載瞬變電磁干擾源

電磁閥、繼電器和觸點(diǎn)開關(guān)等大量感性負(fù)載應(yīng)用于現(xiàn)代汽車電子電器設(shè)備工作電路中，在工作電路斷開瞬間，會產(chǎn)生一種寬頻譜與高能量的瞬變干擾源。感性負(fù)載模擬等效電路及電壓變化情況如圖3所示。瞬變的脈沖夾雜著豐富的諧波，沿電源線耦合進(jìn)入ECU，從而影響ECU[6-7]工作的邏輯判斷，導(dǎo)致誤操作，嚴(yán)重時甚至損壞電子元器件。

圖3 感性負(fù)載模擬等效電路及電壓變化情況

電磁閥、繼電器和觸點(diǎn)開關(guān)等也是主要的干擾源。例如，在開關(guān)斷開的瞬間，電流急劇下降到零，變化率很大，繼電器和電磁閥中的電感線圈會產(chǎn)生很高幅值的瞬時電壓脈沖；同時伴隨有弧光放電，產(chǎn)生頻率0.15～150 MHz的輻射干擾[8]，具有很遠(yuǎn)的傳播距離。

2.4 電磁耦合干擾源

現(xiàn)代汽車采用單線制連接方式，車內(nèi)大量電氣設(shè)備線束通過車身多點(diǎn)搭鐵形成回路，無任何屏蔽措施的整車較長線束與搭鐵阻抗在汽車電器內(nèi)容易產(chǎn)生磁感應(yīng)耦合和電容耦合。電磁干擾產(chǎn)生的電壓可持續(xù)300 ms，幅值超過200 V ，嚴(yán)重影響部分電子設(shè)備的正常工作。

3 濾波設(shè)計

3.1 QADC抗干擾設(shè)計

ECU的主微控制器有8個功能不同的端口，其中QADC為增強(qiáng)型A/D轉(zhuǎn)化器，需要使用5 V的模擬電壓，作為A/D轉(zhuǎn)化的基準(zhǔn)電壓。QADC電源的抗干擾設(shè)計電路圖如圖4所示[9]，采用的濾波電容分別為0.1 μF和0.01 μF。

圖4 QADC抗干擾設(shè)計電路圖

3.2 持續(xù)電源的抗干擾設(shè)計

發(fā)動機(jī)ECU內(nèi)部基礎(chǔ)芯片L9741為集多功能穩(wěn)壓器、信號處理、短路熱保護(hù)等于一體的電源管理芯片。持續(xù)電源進(jìn)入ECU后，通過VB端進(jìn)入芯片L9741，向主微控制器提供電源。圖5所示為持續(xù)電源的濾波電路原理圖。

圖5 持續(xù)電源的濾波電路原理圖

根據(jù)L型LC低通濾波器的特點(diǎn)，將高于截止頻率的干擾信號進(jìn)行過濾，使低頻信號進(jìn)入L9741。非持續(xù)電源進(jìn)入ECU后，經(jīng)R1和R2分壓后通過端口UBR進(jìn)入主微控制器SPC563m6415。為防止各種電磁干擾尤其是射頻干擾、共模干擾及差模干擾耦合進(jìn)入ECU，這里選用10～100 μF和0.01～0.1 μF的電容與數(shù)字地和模擬地相連。圖6所示為非持續(xù)電源的濾波電路。

圖6 非持續(xù)電源濾波電路原理圖

3.3 其他電源電路的EMC設(shè)計

其他電源電路的EMC(electromagnetic compatibility，電磁兼容)設(shè)計思想為L9741向執(zhí)行器管理芯片提供5 V電壓，通過圖7所示的濾波電路來消除電磁干擾和耦合[10-11]。

圖7 濾波電路

4 電源線抗擾度測試實(shí)驗研究

4.1 實(shí)驗裝置

根據(jù)GB/T 21437.2—2008《道路車輛由傳導(dǎo)和耦合引起的電騷擾》中規(guī)定的電子裝置電源線抗擾度測試內(nèi)容和方法，對ECU電源線進(jìn)行瞬態(tài)抗擾性臺架試驗。將該標(biāo)準(zhǔn)中描述的5種典型脈沖以注入方式應(yīng)用于控制器電源線，具體測試實(shí)驗布置如圖8所示，現(xiàn)場實(shí)驗裝置如圖9所示。

圖8 ECU電源線抗擾度測試實(shí)驗布置圖

圖9 現(xiàn)場實(shí)驗裝置

4.2 實(shí)驗結(jié)果

技術(shù)要求：需要進(jìn)行測試的設(shè)備可以正常工作，不能在測試期間發(fā)生故障，在干擾結(jié)束后可自動恢復(fù)工作。

實(shí)驗等級：三級。

實(shí)驗值：實(shí)驗電平分別為±2 kV(電源)和±2 kV(通信)。

干擾信號持續(xù)時間：正負(fù)極各120 s。

實(shí)驗方法：確保設(shè)備在正常工作狀態(tài)，按實(shí)驗等級要求，將干擾信號施加在電源回路，觀察設(shè)備的工作狀態(tài)。實(shí)驗結(jié)果見表1。

表1 電源線抗擾度實(shí)驗結(jié)果

5 信號線抗擾度測試實(shí)驗研究

5.1 測試原理

電磁兼容測試根據(jù)測試內(nèi)容的不同，可分為電磁干擾發(fā)射測試和電磁干擾度測試兩類。根據(jù)GB/T 17619—1998《機(jī)動車電子電器組件的電磁輻射抗擾性限值和測量方法》[12]中規(guī)定的機(jī)動車電子電氣零部件的抗擾度實(shí)驗測試方法以及抗擾性限值，對發(fā)動機(jī)ECU輸入信號進(jìn)行抗擾度測試實(shí)驗[13]。電磁抗擾度測試標(biāo)準(zhǔn)為在有電磁干擾的情況下，其設(shè)備及系統(tǒng)的運(yùn)行性能沒有降低。電磁干擾度測試原理如圖10所示，不斷增加干擾信號強(qiáng)度，檢測發(fā)動機(jī)ECU的運(yùn)行性能是否降低，直到電磁干擾強(qiáng)度達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的抗擾性限值。實(shí)驗裝置如圖11所示。

圖10 電磁抗擾度測試原理

圖11 實(shí)驗裝置

5.2 實(shí)驗結(jié)果

技術(shù)要求：需要進(jìn)行測試的設(shè)備可以正常工作，不應(yīng)發(fā)生死機(jī)現(xiàn)象。

實(shí)驗等級：三級。

實(shí)驗值：實(shí)驗電平分別為±2 kV(共模)和±1.1 kV(差模)。

實(shí)驗脈沖次數(shù)：正負(fù)極各5次。

脈沖間隔時間：60 s。

實(shí)驗方法：受測試設(shè)備在正常工作狀態(tài)下，按實(shí)驗等級要求，將干擾信號施加在電源回路，觀察設(shè)備工作狀態(tài)。實(shí)驗結(jié)果見表2。

表2 信號線抗擾度實(shí)驗結(jié)果

6 結(jié)束語

隨著汽車電子化以及智能化水平的不斷提高，汽車的抗干擾技術(shù)已成為當(dāng)前科學(xué)技術(shù)中的重要研究課題。發(fā)動機(jī)ECU電源系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計對發(fā)動機(jī)正常穩(wěn)定工作起著重要作用。為了改善發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的電磁兼容性能，本文對汽車內(nèi)部主要干擾源的電磁干擾情況進(jìn)行了分析，同時設(shè)計了電磁干擾發(fā)射測試和電磁干擾度測試實(shí)驗，結(jié)果表明，實(shí)驗設(shè)備均能通過測試，發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)正常工作，滿足電磁兼容性能要求。但本研究在進(jìn)行抗干擾測試時未考慮對電源系統(tǒng)的保護(hù),因此未來的工作將在滿足抗干擾要求的前提下,設(shè)計電源保護(hù)電路方案。