汽車控制器電源系統的抗擾性設計

任國峰，田 豐，楊 林

(上海交通大學汽車電子技術研究所，上海200240)

汽車控制器電源系統的抗擾性設計

任國峰，田 豐，楊 林

(上海交通大學汽車電子技術研究所，上海200240)

汽車電子技術的發展帶來了汽車電磁兼容問題，其中，控制器的電源系統抗干擾設計對保證汽車穩定和可靠運行具有非常重要的意義。通過對國標GB/T 21437.2-2008規定的5種脈沖干擾波形的深入分析，將瞬變脈沖對控制器的穩定運行造成干擾歸結為兩個重要原因：持續期短的尖峰干擾和長時間的電壓跌落。針對這兩個原因，設計了汽車控制器電源系統的抗干擾電路，設計的電源系統抗干擾電路性能達到了相應國標中嚴酷度A級等級的要求，并且控制器經過近2年的實際裝車穩定運行，表明所設計的電源系統抗干擾電路具有足夠的電磁兼容性能。

電磁兼容；傳導抗擾；抗干擾電路；電源系統；汽車控制器

隨著電子技術在現代汽車上的應用越來越廣泛[1]，汽車電子設備的抗干擾問題越來越突出。這是因為汽車電子設備的使用環境要比普通電子設備惡劣得多[2]。其中，在汽車的電源系統上，負載多種多樣，既有小阻抗、大電流的阻性、感性負載，也有小電流、高電壓的脈沖發生裝置，還有高頻振蕩信號源，它們對外不僅是潛在的干擾發射源，對內也是車載電子產品的傳導干擾源。再者由于現代汽車普遍采用了電控發動機，點火裝置或燃油噴射裝置與各種車載電子和電氣設備共用一個蓄電池，這就會通過電源線對汽車電子控制單元的正常工作產生干擾，會嚴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計。

目前我國在汽車電子設備EMC測試領域，關于抗擾度測試的標準主要有以下兩類：等同采用歐盟95/54/EC規定的機動車電子電器組件對電磁輻射的抗擾度以及測量方法的GB/T 17619-1998《機動車電子電器組件的電磁輻射抗擾性限值和測量方法》 以及等同采用ISO 7637-2004的 GB/T 21437-2008《道路車輛-由傳導和耦合引起的電騷擾》系列標準[3-4]。其中，國標GB/T 17619-1998規定的測試內容是沿信號線和控制線的傳導和輻射干擾，而國標GB/T 21437.2-2008規定的正是沿電源線的電瞬變傳導干擾。本文給出的電源輸入電路也正是基于此而設計的，一個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。

1 電源系統的瞬變干擾

圖1 脈沖波形

國標GB/T 21437.2-2008規定了在汽車電氣系統中經常遇到的5種典型瞬變干擾脈沖，脈沖波形和它們的典型參數如圖1和表1所示。脈沖1模擬車輛中跟被測物(DUT)相并聯的電感性負載上切斷電源時產生的瞬變波形。脈沖2.a模擬由于和被測物相并聯的設備被突然切斷電流時，在線束電感上應生的瞬變現象。脈沖2.b模擬點火開關斷開后，直流電動機由于被當成發電機而產生的瞬態尖峰電壓。脈沖3模擬電感負載的開關切換時，由于線束的分布電感和電容而產生的瞬變現象，3.a模擬負極性瞬變脈沖，3.b模擬正極性瞬變脈沖。脈沖4模擬由于激勵發動機的啟動電動機線路時引起的電源電壓降低情況。脈沖5a模擬交流發電機產生充電電流時，蓄電池電路上的連接被斷開時的瞬變現象。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)時的瞬變現象。一旦汽車電子控制單元通過了這些標準的檢測，是可以保證今后安裝在12或24 V系統的轎車、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值

可以看出，國標GB/T 21437.2-2008所提出的5個脈沖波形盡管并不能覆蓋車輛中所有類型的瞬變脈沖，但實際上還是綜合了多方面的干擾來考核車載電子設備，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脈沖是內阻較大(10～50 Ω)、電壓較高(幾十伏至幾百伏)、前沿較快(微妙級)和寬度較大(毫秒級)的負脈沖。在整個GB/T 21437.2標準里屬于中等速度和中等能量的脈沖干擾，對被試設備兼顧了干擾(造成設備誤動作)和破壞(造成設備中元器件的損壞)兩方面的作用。

P2a脈沖在整個GB/T 21437.2標準里屬于速度偏快和能量較小的脈沖干擾，它的作用與P1脈沖有點相似，但它是正脈沖。P2b脈沖是一個電壓不高(大體與電源電壓相當)、前沿較緩(毫秒級)、寬度很大(達到秒級)和內阻很小的脈沖。在整個GB/T 21437.2標準里屬于低速和高能量的脈沖干擾，著重考核對設備(元器件)的破壞性。P2b脈沖的這個作用與P5有點相似，但電壓較低，脈沖更寬。

P3脈沖在整個GB/T 21437.2標準里是一系列高速、低能量的小脈沖，常能引起采用微處理器或數字邏輯控制的設備產生誤動作。

P4脈沖在GB/T 21437.2標準里主要考核車載電子設備在電源電壓跌落過程中誤動作的情況，尤其是考核帶微處理器的設備有沒有出現數據丟失和程序紊亂的情況。

P5脈沖是幅度較高(100～200 V，相對于系統電源電壓來說，這已經算是高電壓了)、寬度較大(達幾百毫秒)、內阻又極低(幾歐姆，甚至零點幾歐姆)，所以在GB/T 21437.2標準里，P5脈沖屬于能量比較大的脈沖。除了考核被試設備在P5作用下的抗干擾能力外，在相當程度上還考核它對元器件的破壞性。

2 電源系統的抗干擾設計

事實上，國標GB/T 21437.2規定的5個脈沖對控制器穩定運行造成干擾可歸結為兩個非常重要的原因：持續期短的尖峰干擾和長時間的電壓跌落。尖峰干擾可以通過直接進入電源的方式耦合到系統，或引起內部邏輯電路的誤動作(如P3脈沖)，或對控制器內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電路或其他易失數據的丟失(如P4、P1脈沖)。對于高速瞬態尖峰干擾脈沖，可以通過LC濾波電路過濾掉進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。對于負的尖峰脈沖干擾，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，對于負脈沖引起的長時間電壓跌落，可以在防反接二極管的后面接一個大容量的儲能電容，用于在電源電壓跌落時，繼續給控制器提供電能。

所設計的電源電路如圖2所示。車載蓄電池-發電機的電源從+24 V_BAT處進入，二極管D1主要防止電源的正負極被誤接反，如果接反，控制器會因為沒有供電而不能正常工作，同時還可以有效抵擋負脈沖對電源系統的干擾。二極管D1的正向額定電流值應大于控制器正常工作所消耗的電流，反向耐壓值應大于負的尖峰脈沖值。控制器滿負載工作時，消耗的最大電流大概800 mA左右，負尖峰脈沖干擾最大幅值為－600 V(P1脈沖)，所以D1選ST半導體的STTH5R06B二極管，它的正向額定電流可達5 A，反向擊穿電壓600 V，可以滿足防電源反接和抗負脈沖干擾的要求。

圖2 汽車控制器的電源電路

大電流磁珠L1、L2和電容C1配合對電源進行濾波，抑制電源輸入中的高頻干擾，同時也抑制控制器內部向外發射高頻干擾，磁珠可選日本TDK生產的片式磁珠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，瞬時通過電流很大，國標GB/T 28046.2-2011規定，對于24 V汽車電源系統，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：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進一步濾除電源輸入中的差模干擾，同時，大容量儲能電容C2還要在負干擾脈沖出現時，繼續提供控制器工作所需要的電能。負干擾脈沖可以參見P1和P2.b，負脈沖持續時間大于1 ms，C2的容量可以通過下式確定：

所以，C2可選標稱值為100 μF/50 V的電解電容。

過濾干凈的電源通過開關電源芯片LM2576變換為系統使用的+5 V電源，開關電源芯片LM2576的輸入電壓范圍+7～+40 V，也符合國標GB/T 28046.2-2011對電源電壓輸入范圍的要求。電容C5和C6對輸出+5 V電源進行濾波，電阻R1和LED發光二極管D4指示當前是否有電。

2.1 測試認證

所設計的上述汽車控制器電源抗干擾電路，已在某混合動力控制器應用將近2年，2年的穩定運行表明所設計的抗干擾電路有足夠的抗傳導干擾性能；并且控制器在上海機動車產品質量監督檢驗中心做了電磁兼容測試[5]，電源系統的傳導抗擾度特性符合國家標準GB/T 21437.2-2008中24 V系統實驗等級A的要求。圖3為汽車控制器電源線的傳導抗擾度測試。

圖3 汽車控制器電源線的傳導抗擾度測試

3 結論

通過對國標GB/T 21437.2-2008規定的5種脈沖干擾波形從能量和速度方面的深入分析，將瞬變脈沖對控制器的穩定運行造成干擾歸結為兩個重要原因：持續期短的尖峰干擾和長時間的電壓跌落。針對這兩個原因，設計了汽車控制器電源系統的抗干擾電路，設計的電源系統抗干擾電路性能達到了相應國標中嚴酷度A級等級的要求。控制器經過近2年的裝車穩定運行，表明所設計的電源系統抗干擾電路具有足夠的電磁兼容性能。

[1]魏學哲，戴海峰，孫澤昌.汽車嵌入式系統開發方法、體系架構和流程[J].同濟大學學報，2012(40):7-13.

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

[3]中國國家標準化管理委員會.GB/T 17619:1995機動車電器電子組件的電磁輻射抗擾性限值和測量方法[S].北京：中國標準出版社，1995.

[4]中國國家標準化管理委員會.GB/T 21437.2:2008由傳導和耦合引起的電騷擾-沿電源線的電瞬態傳導[S].北京：中國標準出版社，2008.

[5]國家機動車產品質量監督檢驗中心(上海).混合動力整車控制器檢驗報告[R].上海：國家機動車產品質量監督檢驗中心，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

國家自然科學基金項目(51275291)

任國峰(1982—)，男，山東省人，博士生，主要研究方向為新能源汽車。