汽車電子電路潛電路的無效路徑剔除方法研究*

何惠英 ，李志剛 ，張菲菲 ，付蘭芳

(1.河北工業大學 電氣工程學院，天津300130；2.軍事交通學院 基礎部，天津300161)

汽車電子技術已成為汽車技術現代化的標志與趨勢，其可靠性直接影響到汽車的動力性、經濟性、安全性和舒適性以及尾氣排放等諸多方面[1]。研究證明，汽車電子系統中的潛電路普遍存在，部分潛電路的激發可能會造成非常嚴重的后果[2]，特別是在行駛過程中，若無意間的操作導致潛電路激發，將有可能對行駛安全產生意想不到的危害。因此，分析并排除汽車電子電路中的潛電路成為提高汽車電子電路可靠性的重要手段，也是提高設計效率的有效途徑。

潛在電路 SC（Sneak Circuit）指電氣電子電路中存在的一種狀態，在特定條件下，它能夠導致電路系統出現非期望的功能或抑制所期望的功能，嚴重時還會引起系統故障[3-4]。值得注意的是，潛在電路有別于通常所說的故障，產生原因不是元件、設備或系統故障，而是設計者為了實現設計意圖無意中帶進設計方案的[5]。潛電路隱藏在系統正常工作狀態下，僅在某種特定的條件下才會被激發。

本文在參考文獻[6]所描述電力電子變換器潛電路中的無效路徑剔除方法的基礎上，從增加無電源回路判據、拓撲約束、回路的預期功能、元件特性約束4個方面對電子電路無效路徑的剔除方法進行了完善和改進，減少了后續分析過程的工作量，提高了后續潛電路判定的準確性。并用此方法對汽車部分控制電路進行了潛電路分析，結果驗證了該方法的可行性和正確性。

1 潛電路分析方法

潛電路分析方法在軍事、航空、航天等方面的應用較早，也成為一套較完善的分析方法，并建立了一系列的規范。隨著潛電路技術受到人們越來越多的認識和關注，其也在電力電子、汽車電子等民用工業技術中嶄露頭角。

因為軍事工業技術的特殊性，規范的潛電路分析技術不再適用于非軍事工業領域。例如，規范的潛在電路分析方法在分析的完整性方面效果顯著，但在數據預處理和網絡樹生成方面需要投入大量的前期工作，分析周期長且分析成本高[3]。在系統規模不大且設計更改頻繁的情況下實施難度大。而簡化的SCA方法不需要進行網絡樹的生成，實施較為便捷，適用于系統規模較小和設計更改頻繁的情況。

2 無效路徑剔除的新方法的改進

本文分別從依據開關自身特點、拓撲約束關系、元件約束關系、開關組合中開關元件的匹配情況等方面提出了適用于一般電子電路的無效路徑剔除新方法，提高了無效路徑剔除方法應用的普遍適用性，同時對存在的一些待改進的缺陷有針對性地進行了如下改進。

2.1 增加無電源回路判據

若某回路中既不存在電源，也不包含可以等效為電源的元件(如電容、電感等)，則此回路可視為無效路徑。

2.2 拓撲約束關系

基爾霍夫定律反映了電路的基本拓撲約束關系，根據基爾霍夫電壓定律KVL(Kirchhlff′s Voltage Law)，單一元件不能形成電流路徑，因此全路徑中應剔除只含一個電路元件的路徑。依此可推廣得出以下兩條結論：

(1)單一的電壓源、電阻、電感和電容元件若與處于導通狀態的開關器件相串聯，即等同于單一元件回路，則此路徑應判定為無效路徑。

(2)單一開關元件或開關元件的組合形成的回路，視為無效路徑。

2.3 回路的期望功能

在多個開關組成的回路中，要保證各開關的開關狀態及匹配情況遵從互鎖邏輯，不能有沖突，并與所期望的回路功能保持一致，從而實現所期望的電路功能。比如在各種諧振開關變換器中，要求每組全控元件中的兩元件輪流導通，點空比為50%，即不能同時導通。

2.4 元件特性的約束

根據歐姆定律對元件特性的約束可推廣得出，在不含電容或電感等儲能元件的電阻性電路中，電流具有單向性，即只能從電源正極流向負極，否則應視為無效路徑。

3 汽車電子系統中的潛電路分析

汽車電子系統部分電路原理如圖1所示。

3.1 拓撲結構圖

隱去圖1所示電路網絡的電氣特性，應用圖的理論將其抽象為圖論的一個圖，即電路的拓撲結構圖，如圖2所示。

圖1 汽車電子系統部分電路原理圖

圖2 電路拓撲圖

3.2 電流路徑分析

根據參考文獻[7]所述的基于深度優先搜索的算法得到全部電流路徑如表1所示。現依據上述的無效路徑剔除方法，從全部路徑中剔除無效路徑后得到的即是實際存在的路徑，其剔除過程如下：

（1）根據無電源（或可等效為電源的元件）回路中不存在電流路徑的原則，判定路徑1→2→3為無效路徑。

（2）根據 KVL，單一開關元件或開關元件的組合不能形成回路，則判定路徑0→1→2為無效路徑。

表1 各種電流路徑分析結果

3.3 實際電流路徑解釋

預期電流路徑(即根據設計要求得到的正常工作的電流路徑)如圖3中的虛線所示，其工作路徑的意義如表2所示。

圖3 正常工作電流路徑分布圖

表2 正常工作電流路徑解釋

若實際路徑數目大于預期路徑數目，說明實際存在設計所不需要的路徑，即潛在路徑，從實際路徑中除去預期路徑即得潛在電路路徑。

潛在電流路徑如圖4中的虛線所示，其路徑的意義如表3所示。

圖4 潛在電流路徑分布圖

表3 潛在電流路徑解釋

即在緊急情況下，踩下剎車，收音機可用，這與電路設計所期望的功能相違背，即在緊急情況下，踩下剎車，收音機應不可用，因此判定其為潛在路徑。此分析結果與參考文獻[2]中的分析結果一致。

汽車電子系統中的潛電路普遍存在，部分潛電路的激發可能會造成非常嚴重的后果。本文從增加無電源回路判據、拓撲約束、回路的預期功能、元件特性約束4個方面完善并改進了無效路徑剔除方法。此方法可適用于一般電子電路的潛電路分析技術，有助于發現設計中的疏忽和錯誤，提前更改并完善設計，減少后期變更設計所帶來的人力、財力及時間上的浪費。最后應用此方法對汽車部分控制電路進行了潛電路分析，結果驗證了該方法的可行性和正確性。

未來汽車電子系統開發的復雜性、安全性仍將存在，也使得汽車電子系統潛電路分析成為保障汽車品質的一種手段，這項技術將會有廣闊的應用前景。

[1]鮑龍．淺析汽車電子技術發展現狀與前景[D]．南京：南京交通職業技術學院，2012.

[2]張大慶，宋斌．電子系統的潛通路分析技術[J]．光電技術應用，2006，21(2)：43-46.

[3]RANKIN J P．Sneak circuit analysis[J]．Nuclear Safety，1973，14(5)：461-468．

[4]任立明．潛在電路分析技術與應用[M]．北京：國防工業出版社，2011．

[5]張志學，馬皓，毛興云．基于混雜系統模型和事件辨識的電力電子電路故障診斷[J]．中國電機工程學報，2005，25(3)：49-53．

[6]何惠英，李志剛，張菲菲，等．電力電子變換器潛電路中的無效路徑剔除方法[J]．電子技術應用，2013，39(12)：72-74.

[7]梅義，丘東元.基于深度優先搜索的潛在電路計算機輔助分析法[J]．中國機電工程學報，2008，25(24)：75-81．