汽车控制器电源系统的抗扰性设计

任国峰，田 丰，杨 林

(上海交通大学汽车电子技术研究所，上海200240)

汽车控制器电源系统的抗扰性设计

任国峰，田 丰，杨 林

(上海交通大学汽车电子技术研究所，上海200240)

汽车电子技术的发展带来了汽车电磁兼容问题，其中，控制器的电源系统抗干扰设计对保证汽车稳定和可靠运行具有非常重要的意义。通过对国标GB/T 21437.2-2008规定的5种脉冲干扰波形的深入分析，将瞬变脉冲对控制器的稳定运行造成干扰归结为两个重要原因：持续期短的尖峰干扰和长时间的电压跌落。针对这两个原因，设计了汽车控制器电源系统的抗干扰电路，设计的电源系统抗干扰电路性能达到了相应国标中严酷度A级等级的要求，并且控制器经过近2年的实际装车稳定运行，表明所设计的电源系统抗干扰电路具有足够的电磁兼容性能。

电磁兼容；传导抗扰；抗干扰电路；电源系统；汽车控制器

随着电子技术在现代汽车上的应用越来越广泛[1]，汽车电子设备的抗干扰问题越来越突出。这是因为汽车电子设备的使用环境要比普通电子设备恶劣得多[2]。其中，在汽车的电源系统上，负载多种多样，既有小阻抗、大电流的阻性、感性负载，也有小电流、高电压的脉冲发生装置，还有高频振荡信号源，它们对外不仅是潜在的干扰发射源，对内也是车载电子产品的传导干扰源。再者由于现代汽车普遍采用了电控发动机，点火装置或燃油喷射装置与各种车载电子和电气设备共用一个蓄电池，这就会通过电源线对汽车电子控制单元的正常工作产生干扰，会严重地降低汽车的可靠性。因此，为了提高汽车工作的可靠性和稳定性，必须做好汽车电子控制单元的电源输入电路抗干扰设计。

目前我国在汽车电子设备EMC测试领域，关于抗扰度测试的标准主要有以下两类：等同采用欧盟95/54/EC规定的机动车电子电器组件对电磁辐射的抗扰度以及测量方法的GB/T 17619-1998《机动车电子电器组件的电磁辐射抗扰性限值和测量方法》 以及等同采用ISO 7637-2004的 GB/T 21437-2008《道路车辆-由传导和耦合引起的电骚扰》系列标准[3-4]。其中，国标GB/T 17619-1998规定的测试内容是沿信号线和控制线的传导和辐射干扰，而国标GB/T 21437.2-2008规定的正是沿电源线的电瞬变传导干扰。本文给出的电源输入电路也正是基于此而设计的，一个好的电源输入电路能够过滤掉很多通过电源线传入的干扰信号。

1 电源系统的瞬变干扰

图1 脉冲波形

国标GB/T 21437.2-2008规定了在汽车电气系统中经常遇到的5种典型瞬变干扰脉冲，脉冲波形和它们的典型参数如图1和表1所示。脉冲1模拟车辆中跟被测物(DUT)相并联的电感性负载上切断电源时产生的瞬变波形。脉冲2.a模拟由于和被测物相并联的设备被突然切断电流时，在线束电感上应生的瞬变现象。脉冲2.b模拟点火开关断开后，直流电动机由于被当成发电机而产生的瞬态尖峰电压。脉冲3模拟电感负载的开关切换时，由于线束的分布电感和电容而产生的瞬变现象，3.a模拟负极性瞬变脉冲，3.b模拟正极性瞬变脉冲。脉冲4模拟由于激励发动机的启动电动机线路时引起的电源电压降低情况。脉冲5a模拟交流发电机产生充电电流时，蓄电池电路上的连接被断开时的瞬变现象。脉冲5b模拟上述因蓄电池电路上接有抑制器件 (齐纳二极管把电压钳制在24 V)时的瞬变现象。一旦汽车电子控制单元通过了这些标准的检测，是可以保证今后安装在12或24 V系统的轿车、普通货车及大型客车上的电子控制单元具有足够的电磁兼容性的。

表1 沿电源线的瞬变干扰脉冲波形参数值

可以看出，国标GB/T 21437.2-2008所提出的5个脉冲波形尽管并不能覆盖车辆中所有类型的瞬变脉冲，但实际上还是综合了多方面的干扰来考核车载电子设备，其中包括高速、低能量的脉冲；低速、高能量的脉冲；兼顾速度和能量两方面的中等速度和中等能量脉冲；直流电压中断与直流电压跌落。

P1脉冲是内阻较大(10～50 Ω)、电压较高(几十伏至几百伏)、前沿较快(微妙级)和宽度较大(毫秒级)的负脉冲。在整个GB/T 21437.2标准里属于中等速度和中等能量的脉冲干扰，对被试设备兼顾了干扰(造成设备误动作)和破坏(造成设备中元器件的损坏)两方面的作用。

P2a脉冲在整个GB/T 21437.2标准里属于速度偏快和能量较小的脉冲干扰，它的作用与P1脉冲有点相似，但它是正脉冲。P2b脉冲是一个电压不高(大体与电源电压相当)、前沿较缓(毫秒级)、宽度很大(达到秒级)和内阻很小的脉冲。在整个GB/T 21437.2标准里属于低速和高能量的脉冲干扰，着重考核对设备(元器件)的破坏性。P2b脉冲的这个作用与P5有点相似，但电压较低，脉冲更宽。

P3脉冲在整个GB/T 21437.2标准里是一系列高速、低能量的小脉冲，常能引起采用微处理器或数字逻辑控制的设备产生误动作。

P4脉冲在GB/T 21437.2标准里主要考核车载电子设备在电源电压跌落过程中误动作的情况，尤其是考核带微处理器的设备有没有出现数据丢失和程序紊乱的情况。

P5脉冲是幅度较高(100～200 V，相对于系统电源电压来说，这已经算是高电压了)、宽度较大(达几百毫秒)、内阻又极低(几欧姆，甚至零点几欧姆)，所以在GB/T 21437.2标准里，P5脉冲属于能量比较大的脉冲。除了考核被试设备在P5作用下的抗干扰能力外，在相当程度上还考核它对元器件的破坏性。

2 电源系统的抗干扰设计

事实上，国标GB/T 21437.2规定的5个脉冲对控制器稳定运行造成干扰可归结为两个非常重要的原因：持续期短的尖峰干扰和长时间的电压跌落。尖峰干扰可以通过直接进入电源的方式耦合到系统，或引起内部逻辑电路的误动作(如P3脉冲)，或对控制器内部的电子元器件造成破坏(如果尖峰干扰的能量比较大，如P2、P5脉冲)。电压的跌落可以引起存储电路或其他易失数据的丢失(如P4、P1脉冲)。对于高速瞬态尖峰干扰脉冲，可以通过LC滤波电路过滤掉进入电源中的尖峰脉冲；如果干扰脉冲的能量比较大，后面再加一个瞬变电压抑制器TVS快速吸收掉超过额定电压的尖峰脉冲。对于负的尖峰脉冲干扰，可以在电源输入电路中串入防反接二极管防止电源处理电路被反向击穿，对于负脉冲引起的长时间电压跌落，可以在防反接二极管的后面接一个大容量的储能电容，用于在电源电压跌落时，继续给控制器提供电能。

所设计的电源电路如图2所示。车载蓄电池-发电机的电源从+24 V_BAT处进入，二极管D1主要防止电源的正负极被误接反，如果接反，控制器会因为没有供电而不能正常工作，同时还可以有效抵挡负脉冲对电源系统的干扰。二极管D1的正向额定电流值应大于控制器正常工作所消耗的电流，反向耐压值应大于负的尖峰脉冲值。控制器满负载工作时，消耗的最大电流大概800 mA左右，负尖峰脉冲干扰最大幅值为－600 V(P1脉冲)，所以D1选ST半导体的STTH5R06B二极管，它的正向额定电流可达5 A，反向击穿电压600 V，可以满足防电源反接和抗负脉冲干扰的要求。

图2 汽车控制器的电源电路

大电流磁珠L1、L2和电容C1配合对电源进行滤波，抑制电源输入中的高频干扰，同时也抑制控制器内部向外发射高频干扰，磁珠可选日本TDK生产的片式磁珠HF70ACC201209，可以通过1.5 A的电流，电容C1可选1 μF的钽电容。TVS管D2是脉冲干扰抑制器，它可以快速吸收超过额定电压的尖峰脉冲，瞬时通过电流很大，国标GB/T 28046.2-2011规定，对于24 V汽车电源系统，输入的电源电压范围是+9～+36 V，所以此处的TVS管击穿电压可选+36 V，结合脉冲P5的功率，选5 kW系列的5KP36A瞬变电压抑制二极管。共模滤波器T1(型号：ACM12V-701-2PL-TL)配合C1、C2和C3可以滤除电源输入中的共模噪声和谐波干扰。

大容量电解电容C2和小容量钽电容C3进一步滤除电源输入中的差模干扰，同时，大容量储能电容C2还要在负干扰脉冲出现时，继续提供控制器工作所需要的电能。负干扰脉冲可以参见P1和P2.b，负脉冲持续时间大于1 ms，C2的容量可以通过下式确定：

所以，C2可选标称值为100 μF/50 V的电解电容。

过滤干净的电源通过开关电源芯片LM2576变换为系统使用的+5 V电源，开关电源芯片LM2576的输入电压范围+7～+40 V，也符合国标GB/T 28046.2-2011对电源电压输入范围的要求。电容C5和C6对输出+5 V电源进行滤波，电阻R1和LED发光二极管D4指示当前是否有电。

2.1 测试认证

所设计的上述汽车控制器电源抗干扰电路，已在某混合动力控制器应用将近2年，2年的稳定运行表明所设计的抗干扰电路有足够的抗传导干扰性能；并且控制器在上海机动车产品质量监督检验中心做了电磁兼容测试[5]，电源系统的传导抗扰度特性符合国家标准GB/T 21437.2-2008中24 V系统实验等级A的要求。图3为汽车控制器电源线的传导抗扰度测试。

图3 汽车控制器电源线的传导抗扰度测试

3 结论

通过对国标GB/T 21437.2-2008规定的5种脉冲干扰波形从能量和速度方面的深入分析，将瞬变脉冲对控制器的稳定运行造成干扰归结为两个重要原因：持续期短的尖峰干扰和长时间的电压跌落。针对这两个原因，设计了汽车控制器电源系统的抗干扰电路，设计的电源系统抗干扰电路性能达到了相应国标中严酷度A级等级的要求。控制器经过近2年的装车稳定运行，表明所设计的电源系统抗干扰电路具有足够的电磁兼容性能。

[1]魏学哲，戴海峰，孙泽昌.汽车嵌入式系统开发方法、体系架构和流程[J].同济大学学报，2012(40):7-13.

[2]潘旭峰，马彪.汽车电子控制系统的核心-ECU[J].汽车电子科技导报，1996(8):21-25.

[3]中国国家标准化管理委员会.GB/T 17619:1995机动车电器电子组件的电磁辐射抗扰性限值和测量方法[S].北京：中国标准出版社，1995.

[4]中国国家标准化管理委员会.GB/T 21437.2:2008由传导和耦合引起的电骚扰-沿电源线的电瞬态传导[S].北京：中国标准出版社，2008.

[5]国家机动车产品质量监督检验中心(上海).混合动力整车控制器检验报告[R].上海：国家机动车产品质量监督检验中心，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

国家自然科学基金项目(51275291)

任国峰(1982—)，男，山东省人，博士生，主要研究方向为新能源汽车。