一種車用控制器DC-DC 穩(wěn)壓電路及EMC 設(shè)計(jì)

曹學(xué)自， 王 濤， 曲嵐峰， 宋興鑫

（濰柴動(dòng)力股份有限公司， 山東 濰坊 261000）

隨著汽車電控技術(shù)的高速發(fā)展，控制器的穩(wěn)定性及可靠性越來(lái)越成為關(guān)注的重點(diǎn)。DC-DC作為控制器的供電核心單元，負(fù)責(zé)將低壓常電轉(zhuǎn)為控制器的供電輸入電壓，同時(shí)也作為模擬電路的參考電壓，影響控制器的穩(wěn)定性以及車輛功能參數(shù)的采集精度，進(jìn)而影響車輛的行駛安全[1]。此外，DC-DC的工作特性影響著控制器的EMC性能，產(chǎn)生的干擾信號(hào)不僅影響著自身控制器的功能安全，同樣對(duì)車輛的其他電子設(shè)備產(chǎn)生干擾影響，進(jìn)一步影響車輛的工作狀態(tài)。因此，一個(gè)高效安全的DC-DC穩(wěn)壓電路對(duì)車輛的功能安全和行駛安全有著重要影響。

1 降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

DC-DC變換器是一款電壓轉(zhuǎn)換芯片，通過(guò)自激蕩電路將輸入的直流電轉(zhuǎn)換為不同電壓等級(jí)的直流電。常見(jiàn)的DCDC變換器根據(jù)電壓等級(jí)變換關(guān)系分為降壓變換器、升壓變換器、升降壓變換器及降升壓變換器，根據(jù)是否需要電氣隔離又分為隔離型變換器和非隔離型變換器[2]。

本文選用一種非隔離型DC-DC降壓變換器，將車載控制器的供電輸入轉(zhuǎn)換為用于控制器核心控制單元供電的5V低壓電及模擬量供電模塊的5V參考電壓。降壓型DC-DC 簡(jiǎn)易拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 降壓型DC-DC簡(jiǎn)易拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，電感L充電，此時(shí)電感的極性為左正右負(fù)，電容C充電，得到輸出電壓Vout。當(dāng)Vout＞5V時(shí)，S斷開(kāi)，此時(shí)電感L放電，極性為左負(fù)右正。由于電感極性反轉(zhuǎn)的瞬間無(wú)法輸出Vout電壓，此時(shí)電容開(kāi)始向負(fù)載電路供電，繼續(xù)輸出電壓Vout，直到L極性反轉(zhuǎn)完成時(shí)正常放電。電感放電過(guò)程中，電感電壓由于負(fù)載R的消耗及電容充電逐漸降低，Vout低于5V時(shí)開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通，繼續(xù)對(duì)L充電。開(kāi)關(guān)S通過(guò)高頻率的開(kāi)關(guān)連續(xù)輸出PWM波，最終通過(guò)電感L的充放電輸出穩(wěn)定的電壓Vout。電感L作為此結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能器件，電容C可以穩(wěn)定輸出電壓，二極管D作為續(xù)流二極管為電感L續(xù)流提供回路，R為電壓輸出回路負(fù)載。

2 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)及理論計(jì)算

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，DC-DC轉(zhuǎn)換器已經(jīng)從單一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)集成為高效的電壓轉(zhuǎn)換芯片。由于車載控制器功能的多樣性使得DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)常處在高負(fù)荷的工作狀態(tài)，因此DC-DC轉(zhuǎn)換器在工作過(guò)程中易受到自身控制器的其他芯片、負(fù)載以及線束的干擾，同時(shí)高頻率的“開(kāi)關(guān)動(dòng)作”會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)，影響控制器的整體性能，進(jìn)而影響車輛的穩(wěn)定性及安全性[3-5]。因此，DC-DC轉(zhuǎn)換器往往需要周邊電路的配合才能高效穩(wěn)定地發(fā)揮電壓轉(zhuǎn)換的作用。進(jìn)行DC-DC電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮多個(gè)影響參數(shù)，例如輸入電壓和輸出電壓、輸出電壓紋波、電路工作電流、DC-DC最大工作電流及工作頻率。輸入及輸出電壓影響電路反饋電阻的選擇。輸出電壓紋波關(guān)系到輸出電容的選取，紋波越小越好，精度越高。DC-DC最大工作電流要結(jié)合電路工作電流來(lái)分析選型，進(jìn)而影響電路電感值的選取[6]。芯片的工作頻率影響著輸入電容值的選取及EMC性能。

2.1 外圍電路設(shè)計(jì)及重要參數(shù)理論計(jì)算

圖2為穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)原理圖，M為DC-DC降壓芯片，車輛蓄電池電壓由Vin端輸入，穩(wěn)壓管D可以阻擋電壓輸入端的浪涌沖擊，將電壓穩(wěn)定在安全值，防止DC-DC芯片經(jīng)受高壓沖擊損失。開(kāi)關(guān)S與電阻R1、R2組成防反電路，避免降壓芯片受到反向電壓沖擊損壞。電感L與電容C1、C2組成π型濾波電路，可以過(guò)濾芯片受到的電壓干擾以及降低芯片“開(kāi)關(guān)動(dòng)作”對(duì)外的干擾噪聲。

圖2 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)原理圖

電容Cin為DC-DC芯片的輸入電容，是守護(hù)芯片安全的最后一道防線。由于車輛線束錯(cuò)綜復(fù)雜，當(dāng)DC-DC距離輸入電源距離較遠(yuǎn)時(shí)，電源線束的電感效應(yīng)會(huì)引起電壓尖峰，因此需要耐壓值較高的大電容進(jìn)行濾波，耐壓值一般選擇輸入電壓的兩倍。為了消除開(kāi)關(guān)的高頻噪聲，電容值要滿足高頻濾波要求[7]。

電感Lout為DC-DC芯片的輸出電感，是電壓能量傳輸?shù)臉蛄海姼兄档拇笮∮绊懻麄€(gè)電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的工作性能，電感值太小影響電源續(xù)流，電感值太大影響電壓輸出的響應(yīng)性，因此選取合適的電感值對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有重要意義?！胺肫胶狻笔请姼羞x型的重要理論依據(jù)，電感在充電和放電時(shí)，電流的變化量相等，電源導(dǎo)通階段的電感電壓與導(dǎo)通時(shí)間的乘積同電源關(guān)斷階段電感電壓與關(guān)斷時(shí)間的乘積相等。電感電壓值的大小為：

式中：V——電感兩端電壓；L——電感值，為單位時(shí)間內(nèi)電感電流變化量。由伏秒平衡定理得：

式中：Von、Voff——電源導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)刻的電感電壓；ton、toff——電源導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間。

電源輸入及輸出電壓分別為Vin及Vout，所以：

開(kāi)關(guān)工作頻率為f，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通占空比為D，電流的變化量為I，根據(jù)公式（1）～（4）得到電感值：

一般來(lái)說(shuō)，電感電流的變化量取值范圍為DC-DC輸出電流最大值的20%～40%，根據(jù)電感的取值范圍可以選取合適的電感值。

Cout為輸出電容，電容值的大小影響著電源輸出的電壓紋波，因此可以根據(jù)電壓紋波反推需要的輸出電容值。電壓變化量與輸出電容C的關(guān)系式為：

要滿足輸出的電壓紋波要求，所以需求的電壓紋波值要大于電壓變化量，所以輸出電容Cout的值要滿足：

電容的等效阻抗ESR影響輸出電壓紋波，因此選擇的電容等效阻抗值Resr應(yīng)滿足：

電阻RFB1與RFB2為DC-DC的反饋電阻，影響電路輸出的電壓值。電阻值的選擇與設(shè)計(jì)輸出電壓Vout和反饋電壓VFB有關(guān)。P為電壓跟隨器，可以穩(wěn)定注入到芯片的反饋電壓，防止電壓受到外部干擾造成精度損失，進(jìn)一步提高電路工作的穩(wěn)定性。Vout和VFB是芯片固有參數(shù)，電阻RFB1與RFB2的關(guān)系滿足：

2.2 EMC性能設(shè)計(jì)

一個(gè)理想的電路設(shè)計(jì)不僅要滿足其功能需求，同時(shí)也要符合EMC電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。DC-DC在正常工作時(shí)，頻繁的開(kāi)關(guān)動(dòng)作容易產(chǎn)生電磁干擾噪聲，并且不合理的PCB設(shè)計(jì)容易對(duì)外產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射信號(hào)，對(duì)外發(fā)射的干擾信號(hào)會(huì)影響其他的車輛敏感器件，影響整車穩(wěn)定性。DC-DC在工作時(shí)，電壓和電流在導(dǎo)體的傳輸過(guò)程中有兩種形態(tài)，即共模和差模。當(dāng)干擾信號(hào)通過(guò)2根導(dǎo)線作為往返傳輸路徑時(shí)為差模傳輸；由于電路搭鐵線的存在，當(dāng)干擾信號(hào)通過(guò)2根導(dǎo)線作為去向傳輸，以搭鐵線作為回路傳輸時(shí)，即為共模傳輸。由于導(dǎo)線和搭鐵線間存在阻抗，所以差模與共模信號(hào)可以互相轉(zhuǎn)化[8]。

DC-DC工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流環(huán)路，當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)電流流向?yàn)榄h(huán)路1，關(guān)斷時(shí)電流流向?yàn)榄h(huán)路2，每一個(gè)電流回路都是一個(gè)環(huán)路天線，不僅會(huì)向外產(chǎn)生發(fā)射，還會(huì)干擾控制器其他電路，電流回路如圖3所示。

圖3 DC-DC電流環(huán)路

由于電磁感應(yīng)，電流回路產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)為：

式中：E——輻射場(chǎng)強(qiáng)；λ——固定計(jì)算系數(shù)；f——開(kāi)關(guān)頻率；S——電流環(huán)路面積；I——電流大小；n——測(cè)試點(diǎn)到環(huán)路的距離。

由此可見(jiàn)，DC-DC對(duì)外輻射的干擾場(chǎng)強(qiáng)大小與環(huán)路面積成正相關(guān)。同樣，在開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換的時(shí)候，由于電感的存在，環(huán)路電流會(huì)產(chǎn)生突變，由于電磁感應(yīng)環(huán)路的磁通量同樣會(huì)產(chǎn)生較大的變化，容易產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射強(qiáng)度，因此，在進(jìn)行PCB布線時(shí)要盡可能減少環(huán)路面積，最大程度上減少差模輻射。同時(shí)，信號(hào)線及搭鐵線應(yīng)避免直角與尖峰，減少天線效用帶來(lái)的噪聲發(fā)射，搭鐵線大面積鋪銅，減少搭鐵線回路阻抗，將干擾噪聲引入搭鐵線，減少共模噪聲干擾[9]。

在抑制DC-DC干擾噪聲的同時(shí)，需要外圍器件將干擾噪聲引導(dǎo)到搭鐵線，對(duì)噪聲進(jìn)行合理的“疏通”，根據(jù)工作頻率的大小選擇合適的濾波電容布置在DC-DC電壓輸入端和輸出端，距離盡可能接近，將干擾快速過(guò)濾到搭鐵線。電容值的大小可近似為DC-DC工作頻率的倒數(shù)。電源輸入端的π型LC濾波電路可以大幅度抑制電源線上的傳導(dǎo)噪聲，在選取電感值時(shí)可以選取大感值的電感。

3 電路測(cè)試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的功能性和可靠性，需要進(jìn)行電路硬件測(cè)試。本文設(shè)計(jì)的目標(biāo)輸出電壓為5000mV，根據(jù)目標(biāo)輸出電壓，測(cè)量輸出電壓的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)電路的EMC性能進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)于輸出的穩(wěn)定性，根據(jù)實(shí)際使用條件，一般來(lái)說(shuō)測(cè)試的電源紋波滿足30mV內(nèi)，并且輸出平均電壓值誤差小于2%即可。對(duì)于EMC可靠性，測(cè)試的發(fā)射噪聲滿足CISPR25標(biāo)準(zhǔn)限值即可。

3.1 功能性測(cè)試

在電源電路輸出端連接50Ω負(fù)載，讓輸出負(fù)載保持恒定，根據(jù)不同的輸入電壓測(cè)量DC-DC輸出電壓的穩(wěn)定性，輸入供電電壓值為6～36V（模擬DC-DC電源電路在實(shí)際工作條件下輸入供電電壓），以3V每梯度遞增。為了保證測(cè)試的可靠性，選用高精度示波器進(jìn)行電壓紋波測(cè)量及電壓平均值測(cè)量。測(cè)試DC-DC處于最嚴(yán)苛電壓轉(zhuǎn)換條件下，即轉(zhuǎn)換壓差最?。ㄗ⑷腚妷鹤钚。?條件下的輸出電壓紋波，以及不同供電電壓條件下的電壓輸出穩(wěn)定性[10]。圖4為DC-DC電路處于最低輸入工作電壓時(shí)電壓紋波測(cè)量結(jié)果。

圖4 最低輸入工作電壓紋波測(cè)試結(jié)果

圖5為不同輸入電壓對(duì)應(yīng)的DC-DC輸出平均電壓，其中橫坐標(biāo)為輸入端電壓，縱坐標(biāo)為DC-DC平均輸出電壓，坐標(biāo)系中橫線為目標(biāo)輸出電壓，圓點(diǎn)為輸入電壓對(duì)應(yīng)的DCDC平均輸出電壓。

圖5 平均輸出電壓

由測(cè)試結(jié)果可得，當(dāng)負(fù)載恒定時(shí)，設(shè)計(jì)的DC-DC電源電路在不同的輸入電壓條件下依然能夠保持電壓轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性，在最嚴(yán)苛的電壓轉(zhuǎn)換條件下平均輸出電壓及測(cè)試紋波依然滿足設(shè)計(jì)需求，測(cè)試紋波小于20mV，平均電壓與目標(biāo)輸出電壓5000mV相比，誤差控制在20mV之內(nèi)，平均電壓輸出精度誤差為0.4%。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓DC-DC電源電路在不同的工作供電電壓條件下，電壓轉(zhuǎn)換結(jié)果滿足設(shè)計(jì)需求。

保持輸入電壓恒定，測(cè)試不同負(fù)載時(shí)DC-DC電壓輸出的準(zhǔn)確性，注入負(fù)載值為10～40Ω（模擬DC-DC電源電路在實(shí)際工作條件下的等效負(fù)載），以5Ω每梯度遞增。選用高精度示波器進(jìn)行電壓紋波測(cè)量及電壓平均值測(cè)量。選擇測(cè)試輸入電壓為24V，測(cè)試DC-DC處于最嚴(yán)苛工作條件下，即測(cè)試負(fù)載最小（工作電流最大） 條件下的輸出電壓紋波，以及不同負(fù)載條件下的電壓輸出穩(wěn)定性。圖6為DC-DC電路處于最大測(cè)試工作電流時(shí)輸出電壓紋波測(cè)量結(jié)果，示波器坐標(biāo)顯示值為紋波電壓。

圖6 最大測(cè)試工作電流時(shí)電壓紋波測(cè)試結(jié)果

圖7為不同負(fù)載下的DC-DC輸出平均電壓值，通過(guò)示波器采集一段時(shí)間內(nèi)的輸出電壓，計(jì)算出DC-DC電源的平均輸出電壓，其中橫坐標(biāo)為負(fù)載值，縱坐標(biāo)為DC-DC平均輸出電壓，坐標(biāo)系中橫線為目標(biāo)輸出電壓，圓點(diǎn)為相應(yīng)工作負(fù)載對(duì)應(yīng)的DC-DC平均輸出電壓。

圖7 平均輸出電壓

由測(cè)試結(jié)果可得，當(dāng)輸入電壓恒定時(shí)，設(shè)計(jì)的DC-DC電源電路在不同的工作負(fù)載條件下依然能夠保持輸出穩(wěn)定性，在最嚴(yán)苛的工作環(huán)境下，電壓輸出紋波依然滿足設(shè)計(jì)需求，測(cè)試紋波小于20mV。測(cè)試不同工作負(fù)載時(shí)，平均輸出電壓與目標(biāo)輸出電壓5000mV相比，誤差控制在15mV之內(nèi)，平均電壓輸出精度誤差為0.3%，測(cè)試結(jié)果表明設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓DC-DC電源電路在不同的工作負(fù)載條件下滿足設(shè)計(jì)需求。

3.2 可靠性測(cè)試

DC-DC工作時(shí)的發(fā)射噪聲主要為傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)暗室對(duì)設(shè)計(jì)電路的EMC可靠性進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)DC-DC的工作頻率，測(cè)試的頻率范圍包含DC-DC的工作頻率范圍即可，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試150kHz～108MHz的傳導(dǎo)發(fā)射噪聲和150kHz～30MHz的輻射發(fā)射噪聲。測(cè)試結(jié)果如圖8～圖10所示。由測(cè)試結(jié)果可得，設(shè)計(jì)的PCB發(fā)射噪聲滿足CISPR 25標(biāo)準(zhǔn)限值要求，并且滿足CLASS 3等級(jí)。

圖8 電源線傳導(dǎo)發(fā)射噪聲

圖9 搭鐵線傳導(dǎo)發(fā)射噪聲

圖10 輻射發(fā)射噪聲

4 測(cè)試結(jié)論

本次設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的DC-DC電源電路基于實(shí)際工作要求及可靠性要求，根據(jù)實(shí)際的測(cè)試結(jié)果，在不同的輸入電壓及工作負(fù)載條件下，均能保持輸出的穩(wěn)定性，測(cè)試紋波及平均輸出電壓符合設(shè)計(jì)要求，保證測(cè)試紋波滿足在30mV之內(nèi)，平均輸出電壓滿足2%的誤差精度。同時(shí)EMC性能符合設(shè)計(jì)要求，滿足CISPR25測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，滿足等級(jí)CLASS 3。本文設(shè)計(jì)的DC-DC穩(wěn)壓電源電路可以用于實(shí)際車載控制器當(dāng)中。