發(fā)動機(jī)ECU電源系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)

許冀陽 文昊

摘 要：?汽車電子化、智能化程度不斷提高，汽車電磁兼容已成為重要研究課題。發(fā)動機(jī)ECU電源系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)對發(fā)動機(jī)正常穩(wěn)定工作起著重要作用。本文通過對汽車內(nèi)部微機(jī)控制點(diǎn)火系統(tǒng)、供電系統(tǒng)以及電磁閥、繼電器開關(guān)等主要干擾源產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)行了分析，并從輻射干擾和耦合干擾兩個方面，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21437.2—2008的電源線瞬態(tài)抗擾度要求，對ECU內(nèi)主微控制器QADC部分和電源管理芯片L9741的電源系統(tǒng)進(jìn)行了抗干擾設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行了電源線抗擾度測試實(shí)驗(yàn)研究。

關(guān)鍵詞：?電磁兼容; 電源系統(tǒng); ECU; 抗干擾設(shè)計(jì)

中圖分類號： TG 409

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Design of Electromagnetic Compatibility for Power System in Engine ECU

XU Jiyang1， WEN Hao2

（1.School of Automotive Engineering， Shanxi Polytechnic Institute， Xianyan， Shanxi 712000， China;

2.Shanxi Academy of Metrology， Xian， Shanxi 710065， China）

Abstract：

The level of automotive electronics and intelligence continues to increase， and automotive electromagnetic compatibility has become an important research topic. The anti-interference design of the engine ECUs power system plays an important role in the normal and stable operation of the engine. This article analyzed the electromagnetic interference generated by the main interference sources such as the computer-controlled ignition system， solenoid valves and relay switches. According to the transient immunity requirements of the national standard GB/T 21437.2-2008 for power lines， in terms of radiated interference and coupled interference， the anti-interference design of the QADC part of the main microcontroller and the power supply system of the power management chip L9741 in the ECU were implemented，F(xiàn)inally， an experimental study on power line immunity test was conducted.

Key words：

electromagnetic compatibility; power system; ECU; anti-jamming design

0 引言

隨著智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，汽車的智能化水平也在不斷提高，各種電子控制系統(tǒng)和電子電器設(shè)備更加集中的應(yīng)用在現(xiàn)代汽車上。汽車上的電子零部件成本不斷提升，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中高端轎車電子成本已占整車成本可達(dá)30%-40%左右，混合動力汽車和純電動汽車所占比例更高[1]。各種智能化電子產(chǎn)品更加密集的布局在現(xiàn)代汽車的有限空間內(nèi)，錯綜復(fù)雜的線路連接網(wǎng)絡(luò)形成了復(fù)雜的電磁環(huán)境[2]。

發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)ECU在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，對外形成的干擾非常微弱，但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)線束進(jìn)行相連接，與外界進(jìn)行信息交換和通訊，同時也接受外界送來的電磁干擾。ECU由蓄電池或發(fā)電機(jī)進(jìn)行供電，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。電子高壓點(diǎn)火系統(tǒng)初級線圈和次級線圈工作時，瞬間會產(chǎn)生高電壓，通過端口線路進(jìn)行傳導(dǎo)干擾，騷擾脈沖形成輻射干擾[3]。同時，ECU端口外連接線路上的容性和感性負(fù)載的斷開、閉合產(chǎn)生的瞬變電壓和瞬變電流，各種無線通訊設(shè)備和靜電放電，也會通過電源線耦合進(jìn)入ECU，干擾發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的正常工作。因此，為了提高發(fā)動機(jī)ECU的電磁兼容性能以及其工作的穩(wěn)定性，必須對其輸入電源輸入電路進(jìn)行電磁兼容研究[4]。

國標(biāo)GB/T 21437.2—2008《道路車輛 由傳導(dǎo)和耦合引起的電騷擾 第2部分：沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)》規(guī)定了裝配在12 V或24 V供電電源系統(tǒng)的轎車或商用車的電子電器產(chǎn)品電源線瞬態(tài)電磁發(fā)射測試和抗擾度測試方法與內(nèi)容[5]。本文依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)對進(jìn)入ECU的QADC電源以及L9741電源管理芯片的持續(xù)電源與非持續(xù)電源進(jìn)行了濾波去耦設(shè)計(jì)。

1 主要干擾源

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)部干擾源對其影響較大，例如微機(jī)控制點(diǎn)火系統(tǒng)、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，從而通過進(jìn)入ECU的電源線耦合傳導(dǎo)干擾以及輻射干擾。

1.1 點(diǎn)火系統(tǒng)電磁干擾源

高壓電子點(diǎn)火系統(tǒng)是汽車上電氣系統(tǒng)最強(qiáng)的電磁騷擾源[6]。當(dāng)發(fā)動機(jī)火花塞點(diǎn)火時，初級線圈和次級線圈瞬間產(chǎn)生很強(qiáng)的高壓，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。

點(diǎn)火線圈、火花塞以及高壓點(diǎn)火線是微機(jī)控制點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生電磁騷擾的主要來源，如圖1所示[7]。

1.2 供電系統(tǒng)電磁干擾源

蓄電池、發(fā)電機(jī)以及電壓調(diào)節(jié)器組成汽車電子電器設(shè)備的供電系統(tǒng)。在車輛正常行駛中，用電設(shè)備的開啟和關(guān)閉時是根據(jù)實(shí)際需要的，因此電路中負(fù)載在很大范圍內(nèi)變化，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出電流因負(fù)載的變化而不斷變化，從而發(fā)電機(jī)電樞繞組上產(chǎn)生正向或反向瞬變過電壓，對外進(jìn)行沿導(dǎo)線傳導(dǎo)干擾和空間輻射電磁干擾。

1.3 感性負(fù)載瞬變電磁干擾源

各種電磁閥、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騷擾源。模擬感性負(fù)載開路瞬變的等效電路及其反向瞬變脈沖電壓波形圖[8]，如圖2所示。大多數(shù)以高幅值的負(fù)脈沖接著向低幅值的正脈沖變化，脈沖峰值最高達(dá)-300 V，持續(xù)時間達(dá)300 ms。這種瞬變的脈沖夾雜著豐富的諧波，沿著電源線耦合進(jìn)入ECU，從而影響電控單元工作的邏輯判斷，導(dǎo)致誤操作，甚至嚴(yán)重時損壞電子元器件。

電磁閥、繼電器和觸點(diǎn)開關(guān)等觸點(diǎn)斷開瞬間的火花放電也是汽車的主要干擾源[9]。斷開瞬間，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的輻射騷擾，具有很強(qiáng)的傳播距離。

1.4 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。通過兩根長導(dǎo)線的布線進(jìn)行分析研究：

假設(shè)長度為L的平行導(dǎo)線，兩導(dǎo)線相距為d，則它們之間產(chǎn)生的互感為：

如果其中之一導(dǎo)線的噪聲電壓為UN，噪聲電流為IN，頻率為fN，則導(dǎo)線間的電磁耦合電壓為：

兩導(dǎo)線間電容耦合電壓為：

式中，C12為兩導(dǎo)線間的分布電容，ω為電壓UN的角頻率，Zi為另一個導(dǎo)線對地等效阻抗。

由于多點(diǎn)搭鐵形成共同的阻抗通道，當(dāng)一條導(dǎo)線上的電流通過共阻抗通道時，也會在另一條導(dǎo)線上產(chǎn)生共阻抗耦合干擾[10]。該電磁干擾可產(chǎn)生持續(xù)時間達(dá)300 ms，幅值超過200 V 以上的電壓，嚴(yán)重影響部分電子設(shè)備的正常穩(wěn)定工作。

2 濾波設(shè)計(jì)

通過前面的論述可知，汽車內(nèi)部干擾源產(chǎn)生的電磁干擾和瞬態(tài)干擾通過電源線把傳導(dǎo)干擾和輻射干擾耦合進(jìn)入汽車電子控制單元ECU內(nèi)部。所以進(jìn)入ECU的電源線有必要進(jìn)行濾波去耦設(shè)計(jì)，通過將濾波去耦電容布置在電源線和地之間，

有效抑制供電系統(tǒng)的高頻騷擾信號和噪聲，旁通過濾數(shù)字開關(guān)高速切換時產(chǎn)生的瞬態(tài)騷擾電壓，將直流或低頻電源功率毫無衰減的傳送進(jìn)入ECU。

2.1 ECU內(nèi)部主微控制器QADC電源的防干擾設(shè)計(jì)

ECU的主微控制器端口按照其功能不同可分為8個組成部分，其中QADC為增強(qiáng)型A/D轉(zhuǎn)化器，需要5V模擬電壓提供A/D轉(zhuǎn)化基準(zhǔn)電壓。5 V電壓進(jìn)入主微控制器需要進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)，提高A/D轉(zhuǎn)化精度。在對主微控制器進(jìn)行濾波去耦設(shè)計(jì)，電源電壓濾波采用0.1 μF和0.01 μF為濾波電容，如圖3所示。

該設(shè)計(jì)為高頻交流信號提供旁通電路，相差一個數(shù)量級的較大電容與較小電容組合能夠更好擴(kuò)大濾波波段，濾除高頻干擾的，使輸出電壓更純凈，提供穩(wěn)定精確的5 V電壓。

2.2 持續(xù)電源和非持續(xù)電源進(jìn)入ECU后的抗干擾設(shè)計(jì)

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)等多功能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)入該管理芯片L9741，向主微控制器提供電源。為消除電壓的低頻脈動，使直流電壓輸出更平滑，采用了電感和電容并聯(lián)組合的L型低通濾波器設(shè)計(jì)，如圖4所示。

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。頻率越高，電感越大，濾波效果越好。為防止瞬態(tài)高壓進(jìn)入ECU燒壞控制器硬件，采用高壓瞬態(tài)二極管DP4與數(shù)字地相連。

非持續(xù)電源進(jìn)入電控單元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耦合進(jìn)入ECU，尤其是射頻干擾、共模干擾以及差模干擾，這里選用10～100 μF和0.1～0.01 μF的電容與數(shù)字地和模擬地相連，為非持續(xù)電源的濾波電路，如圖5所示。

2.3 其他電源電路的EMC設(shè)計(jì)

L9741向執(zhí)行器管理芯片提供5V電壓，通過1 μF、0.1 μf、0.01 μF的三個濾波電容組合接地，更好的消除低、中、高頻電磁干擾和寄生耦合，如圖6所示。

3 電源線抗擾度測試實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)國標(biāo)GB/T 21437.2—2008《道路車輛 由傳導(dǎo)和耦合引起的電騷擾 第2部分：沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)》中規(guī)定的電子裝置電源線抗擾度測試方法和內(nèi)容，對ECU電源線進(jìn)行瞬態(tài)抗擾性臺架試驗(yàn)。將該標(biāo)準(zhǔn)中描述的五種典型脈沖以注入方式帶入控制器電源線，具體測試實(shí)驗(yàn)布置如圖7所示。

4 總結(jié)

本文通過對汽車內(nèi)部微機(jī)控制點(diǎn)火系統(tǒng)、供電系統(tǒng)以及電磁閥、繼電器開關(guān)等主要干擾源產(chǎn)生電磁干擾進(jìn)行了分析，從輻射干擾和耦合干擾兩個方面依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21437.2—2008的電源線瞬態(tài)抗擾度要求，對ECU內(nèi)主微控制器QADC和電源管理芯片L9741的電源系統(tǒng)進(jìn)行了抗干擾設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行了電源線抗擾度測試實(shí)驗(yàn)研究。

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（收稿日期： 2019.07.08）