车载充电机CAN总线抗干扰研究

唐 妍, 王 虎, 李德鑫, 赵奕凡

(上汽通用五菱汽车股份有限公司， 广西 柳州 545007)

0 引 言

电动汽车车载充电机是一种对电动汽车动力电池充电时的电力转换装置。在车载充电机内部不免存在谐波、高频噪声等干扰,这些干扰将对其CAN总线物理传送造成影响，从而干扰车载充电机与动力电池之间的CAN通信交互，引起电动汽车充电功能的不稳定。因此，文中将针对电动汽车车载充电机电磁干扰的特点，研究分析CAN总线抗干扰方法，并且通过试验验证改进后的抗干扰效果。

1 车载充电机电磁干扰的产生机理

根据文献[1-2]，车载充电机包括了整流电路、逆变电路、隔离电路、开关控制电路等部分，如图1所示。

在车载充电机内部存在着很多引起电磁干扰的因素,可以根据车载充电机的组成部分对电磁干扰产生机理进行分析。

整流电路一般会由四个整流二极管和大电解电容组成。当二极管正向导通时，PN结上聚集着大量载流子。当二极管受到反偏电压而转向截止状态时，载流子消除之前的反向恢复电流急剧减少，产生很大的电流变化，形成电磁干扰。

在逆变电路中，采用了高速导体开关器件。在器件通断过程中，跳变电压在电容上产生很大的充电或者放电电流，从而产生严重的电磁干扰。同时，变化的电流在电感上感应出电压，以致在电路中形成一个电压干扰。

图1 车载充电机工作原理框图

隔离电路中的变压器利用电磁互感应变换电压、电流和阻抗。变压器的特性决定了该部分电路可能产生一定的空间辐射，从而形成辐射干扰。

除了上述原因，原理设计的不合理，元器件布置和电路板布线的不合理，电源线、信号线的走线随意，均会引起电磁干扰。

2 抗干扰方法分析设计

2.1 干扰源类型[3-6]

通过分析可知，车载充电机内部存在着较强电磁干扰。高速导体开关器件与电容间相互作用产生的高频振荡以及变压器引起的电磁场均会对CAN总线的电缆造成场-电缆耦合干扰。各个电路的信号地之间的电位差会给CAN总线造成公共阻抗耦合干扰。电源线与信号线之间的串扰会影响CAN总线传输质量。CAN总线受电磁干扰的路径如图2所示。

图2 干扰路径

根据干扰结果的不同，干扰可分为共模干扰和差模干扰。共模干扰是指信号线与信号地之间的干扰。差模干扰是指信号线之间的干扰。共模干扰和差模干扰的区别在于差模干扰电流在信号线之间流动，而共模干扰电流不但流过信号线，而且也流过信号地。由于电路中阻抗不平衡会导致共模和差模干扰相互转化。

2.2 抗干扰措施[7-8]

针对干扰源类型及其传播路径，将通过以下几种措施来有效地消除影响CAN总线的电磁干扰。

2.2.1 选择电磁兼容性能好的元器件

在设计电路板时，要选择电磁兼容性能良好的元器件，尤其选择表面贴装的元器件，以便提高电子设备本身的电磁兼容性能。

2.2.2 合理布局走线

元器件的布局不当是引发干扰的重要因素[5]。在元器件布置时，把相关器件尽量放置在一起，并且使引线尽可能短。另外，将控制芯片、CAN总线电缆等部件尽量远离高压器件和高压线束。

2.2.3 采用屏蔽技术

采用电磁屏蔽装置对变压器等电磁辐射源进行屏蔽，降低辐射源对外的电磁干扰。同时，使用屏蔽双绞线作为CAN通讯线，减少线路之间的串扰现象。

2.2.4 合理设计信号地

将数字地与模拟地有效隔离，防止相互之间的信号干扰，并且使用双层板或多层板，减少信号地阻抗，这样可以尽量使电路板上所有信号地处于等电位状态。

3 测试原理及结果对比

3.1 测试原理

CAN总线由信号线CAN_H、CAN_L及CAN_GND组成，它是通过两根信号线之间电压差的方式来传递信号。CAN2.0B规范定义了两种互补的逻辑数值，即为显性、隐性。

假设VCAN_H表示CAN_H对CAN_GND的电压，VCAN_L表示CAN_L对CAN_GND的电压，那么可得CAN_H与CAN_L之间的差分电压为

Vdiff=VCAN_H-VCAN_L,

(1)

CAN_H与CAN_L之间的共模电压为

Vcm=0.5×(VCAN_H-VCAN_L)。

(2)

当CAN总线为隐性时，VCAN_H和VCAN_L均为2.5 V，Vdiff为0 V，Vcm为2.5 V。当CAN总线为显性时，VCAN_H为3.5 V，VCAN_L为1.5 V，Vdiff为2.0 V，Vcm为2.5 V。CAN总线的理论电平如图3所示。

图3 CAN总线理论电平

采用MSO4034B示波器对车载充电机的CAN总线电平进行测量。测试系统硬件连接如图4所示。

图4 测量系统框图

3.2 结果对比

通过上述方法，分别对改进前和改进后的CAN总线电平进行测量。CAN_H和CAN_L对CAN_GND电压的波形、差分电压的波形、共模电压的波形分别如图5～图7所示。

(a) 改进前

(b) 改进后

(a) 改进前

(b) 改进后

(a) 改进前

(b) 改进后

从图5～图7中可得到,当CAN总线为显性时,改进前后的CAN总线电平数值。对比结果详见表1。

表1 显性时改进前后的CAN总线电平对比

4 结 语

在车载充电机内部，高速导体开关器件与电容间相互作用产生的高频振荡、变压器引起的电磁场、各个电路的信号地之间的电位差、电源线与信号线之间的串扰均会影响CAN总线传输质量。针对这种情况，通过选择电磁兼容性能好的元器件、合理布局走线、采用屏蔽技术、合理设计信号地等方法来消除影响CAN总线的电磁干扰。通过试验验证，表明上述方法可有效地抑制电磁干扰，改善CAN波形的质量，提高CAN总线的可靠性，从而保障充电功能的稳定性。