基于发动机ECU电源的抗干扰系统设计

赵海发，李小伟

(济源职业技术学院电气工程系，河南 济源 459000)

在汽车内部复杂的电磁环境中，发动机电子控制系统中的发动机电子控制单元(ECU)[1]对外形成的干扰非常微弱，但该系统容易受到周围其他电磁波的干扰。发动机ECU通过81端口插接件与各种传感器、执行器、电源以及相关线束相连接，与外界进行信息交换和通信。在控制系统中ECU是关键，ECU由蓄电池或发电机供电，电源系统以及电压调节器在工作时都会产生传导和辐射电磁干扰，并通过电源线耦合进入ECU内部。为了提高发动机ECU的电磁兼容性以及其工作的稳定性，必须对其电源输入电路进行电磁兼容研究。

GB/T 21437.2—2008《道路车辆由传导和耦合引起的电骚扰》规定了轿车或商用车电源线瞬态电磁发射测试和抗扰度测试的方法与内容。本文依上述标准对进入ECU的QADC(增强型A/D转化器)及L9741电源管理芯片的电源进行滤波去耦设计。

1 ECU的电磁兼容分析

发动机电子控制系统由3个部分组成，分别为电子控制单元(ECU)、传感器及执行部件。传感器的作用是获取发动机运行时的各种状态参数，如转速、进气温度等，并将其转换成电信号；ECU接收传感器的输入信号，并按照预先设定的程序进行处理，向执行器输出信号；执行器按照ECU输出的电信号驱动执行部件执行各种指令。

发动机电子控制系统的组成如图1所示。

图1 发动机电子控制系统的组成

电磁干扰有2种传输途径，一种是传导干扰，即电磁干扰通过导线进入电源或者电子系统，或者通过容性耦合或感性耦合进入控制线或者信号线；另一种是辐射干扰，即干扰源的电磁能量以场的形式向四周传播。

插接端口是ECU电子电路连接外界各种传感器、执行器以及电源的唯一通道，是ECU中抗干扰能力最薄弱的地方。传感器采集的发动机运行工况信号经过线束进入ECU，不同长度和形状的线束成了传导干扰和辐射干扰的耦合通道。

2 ECU的电磁干扰

发动机ECU在复杂的电磁兼容环境中容易受到外界的干扰，尤其是汽车内部的干扰源[2]对其影响较大，如微机控制点火系统[3]、供电系统以及电磁阀、继电器开关等电子控制系统和电子电器组件在工作时都会产生电磁干扰[4]，通过ECU的电源线耦合传导干扰以及辐射干扰。

2.1 点火系统电磁干扰源

发动机火花塞点火时，初级线圈及次级线圈会在瞬间产生强高压，从而对外分别沿电气线路和周围空间产生很强的传导干扰和辐射干扰。最强的电磁干扰源为高压电子点火系统[5]。

电子点火系统的构成如图2所示。

图2 电子点火系统

2.2 供电系统电磁干扰源

汽车电子电器设备供电系统主要包括蓄电池、发电机、电压调节器。车辆正常行驶过程中，用电设备的开启和关闭是根据实际需要变化的，因此电路的负载会在很大范围内波动，由此导致发电机输出的电流因负载的变化而不断变化，从而使发电机电枢绕组上产生正向或反向的瞬变过电压，对外产生沿导线的传导干扰和空间辐射的电磁干扰。

2.3 感性负载瞬变电磁干扰源

电磁阀、继电器和触点开关等大量感性负载应用于现代汽车电子电器设备工作电路中，在工作电路断开瞬间，会产生一种宽频谱与高能量的瞬变干扰源。感性负载模拟等效电路及电压变化情况如图3所示。瞬变的脉冲夹杂着丰富的谐波，沿电源线耦合进入ECU，从而影响ECU[6-7]工作的逻辑判断，导致误操作，严重时甚至损坏电子元器件。

图3 感性负载模拟等效电路及电压变化情况

电磁阀、继电器和触点开关等也是主要的干扰源。例如，在开关断开的瞬间，电流急剧下降到零，变化率很大，继电器和电磁阀中的电感线圈会产生很高幅值的瞬时电压脉冲；同时伴随有弧光放电，产生频率0.15～150 MHz的辐射干扰[8]，具有很远的传播距离。

2.4 电磁耦合干扰源

现代汽车采用单线制连接方式，车内大量电气设备线束通过车身多点搭铁形成回路，无任何屏蔽措施的整车较长线束与搭铁阻抗在汽车电器内容易产生磁感应耦合和电容耦合。电磁干扰产生的电压可持续300 ms，幅值超过200 V ，严重影响部分电子设备的正常工作。

3 滤波设计

3.1 QADC抗干扰设计

ECU的主微控制器有8个功能不同的端口，其中QADC为增强型A/D转化器，需要使用5 V的模拟电压，作为A/D转化的基准电压。QADC电源的抗干扰设计电路图如图4所示[9]，采用的滤波电容分别为0.1 μF和0.01 μF。

图4 QADC抗干扰设计电路图

3.2 持续电源的抗干扰设计

发动机ECU内部基础芯片L9741为集多功能稳压器、信号处理、短路热保护等于一体的电源管理芯片。持续电源进入ECU后，通过VB端进入芯片L9741，向主微控制器提供电源。图5所示为持续电源的滤波电路原理图。

图5 持续电源的滤波电路原理图

根据L型LC低通滤波器的特点，将高于截止频率的干扰信号进行过滤，使低频信号进入L9741。非持续电源进入ECU后，经R1和R2分压后通过端口UBR进入主微控制器SPC563m6415。为防止各种电磁干扰尤其是射频干扰、共模干扰及差模干扰耦合进入ECU，这里选用10～100 μF和0.01～0.1 μF的电容与数字地和模拟地相连。图6所示为非持续电源的滤波电路。

图6 非持续电源滤波电路原理图

3.3 其他电源电路的EMC设计

其他电源电路的EMC(electromagnetic compatibility，电磁兼容)设计思想为L9741向执行器管理芯片提供5 V电压，通过图7所示的滤波电路来消除电磁干扰和耦合[10-11]。

图7 滤波电路

4 电源线抗扰度测试实验研究

4.1 实验装置

根据GB/T 21437.2—2008《道路车辆由传导和耦合引起的电骚扰》中规定的电子装置电源线抗扰度测试内容和方法，对ECU电源线进行瞬态抗扰性台架试验。将该标准中描述的5种典型脉冲以注入方式应用于控制器电源线，具体测试实验布置如图8所示，现场实验装置如图9所示。

图8 ECU电源线抗扰度测试实验布置图

图9 现场实验装置

4.2 实验结果

技术要求：需要进行测试的设备可以正常工作，不能在测试期间发生故障，在干扰结束后可自动恢复工作。

实验等级：三级。

实验值：实验电平分别为±2 kV(电源)和±2 kV(通信)。

干扰信号持续时间：正负极各120 s。

实验方法：确保设备在正常工作状态，按实验等级要求，将干扰信号施加在电源回路，观察设备的工作状态。实验结果见表1。

表1 电源线抗扰度实验结果

5 信号线抗扰度测试实验研究

5.1 测试原理

电磁兼容测试根据测试内容的不同，可分为电磁干扰发射测试和电磁干扰度测试两类。根据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》[12]中规定的机动车电子电气零部件的抗扰度实验测试方法以及抗扰性限值，对发动机ECU输入信号进行抗扰度测试实验[13]。电磁抗扰度测试标准为在有电磁干扰的情况下，其设备及系统的运行性能没有降低。电磁干扰度测试原理如图10所示，不断增加干扰信号强度，检测发动机ECU的运行性能是否降低，直到电磁干扰强度达到国家标准中规定的抗扰性限值。实验装置如图11所示。

图10 电磁抗扰度测试原理

图11 实验装置

5.2 实验结果

技术要求：需要进行测试的设备可以正常工作，不应发生死机现象。

实验等级：三级。

实验值：实验电平分别为±2 kV(共模)和±1.1 kV(差模)。

实验脉冲次数：正负极各5次。

脉冲间隔时间：60 s。

实验方法：受测试设备在正常工作状态下，按实验等级要求，将干扰信号施加在电源回路，观察设备工作状态。实验结果见表2。

表2 信号线抗扰度实验结果

6 结束语

随着汽车电子化以及智能化水平的不断提高，汽车的抗干扰技术已成为当前科学技术中的重要研究课题。发动机ECU电源系统的抗干扰设计对发动机正常稳定工作起着重要作用。为了改善发动机电子控制系统的电磁兼容性能，本文对汽车内部主要干扰源的电磁干扰情况进行了分析，同时设计了电磁干扰发射测试和电磁干扰度测试实验，结果表明，实验设备均能通过测试，发动机电子控制系统正常工作，满足电磁兼容性能要求。但本研究在进行抗干扰测试时未考虑对电源系统的保护,因此未来的工作将在满足抗干扰要求的前提下,设计电源保护电路方案。