一種電源跟隨電路射頻受擾失效仿真分析

張萍 熊雪峰 鄒愛華

摘要：本文介紹了一種分析且解決汽車零部件電路射頻受擾失效問題的快速便捷方法，通過電磁兼容仿真軟件仿j計算電源失效電路特性阻抗并模擬干擾源，準確高效且低成本地找到失效原因和解決方案。

關鍵詞：射頻受擾；EMC仿真；特性阻抗

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.1.013

背景

隨著日益增多的電子新技術在汽車上的大量應用，汽車上的電子控制器越來越多，使得汽車的電磁干擾問題日漸突出。為了防止電子零部件在工作時產生的電磁干擾對其它電子產品的功能和性能產生影響，各個電子產品的本身的抗干擾能力必須強大、對外干擾應該盡量減少。另外汽車電子系統中有多種形式的電磁干擾源，包括了傳導和空間的輻射，只有嚴格控制限定各個電子模塊的電磁干擾和抗干擾的問題，確保各個電子產品的功能正常、確保整車的電磁兼容性，并保證用戶的安全。

對于影響用戶安全的電子產品，特別需要高度注意電磁兼容性能，而對于這些電子產品的關鍵信號例如傳感器的供電或采樣等更應注意其產品設計的穩健性。比如發動機的曲軸位置傳感器可能會受到其它電子產品的電磁干擾產生錯誤的信號給發動機控制單元，發動機控制單元采樣到錯誤的曲軸位置傳感器致使發動機熄火。如果這樣的情況發生在高速公路上，會造成嚴重的交通事故和人員的重大傷亡。同樣如果電子車輪傳感器受到強烈的電磁干擾，可能會傳遞給ABS防抱死控制系統錯誤信號，造成剎車失效等重大安全問題。因此在設計階段對汽車電磁性能的研究和試驗非常重要。在產品設計階段引入EMC仿真，結合過往汽車零部件的EMC測試數據和記錄，可以在設計早期發現EMC問題，為企業減少研發和測試成本，并能為整車的開發節省寶貴的時間。

本文主要介紹汽車零部件在電磁兼容測試中大電流注入（BCI）時抗干擾能力的評估分析和整改方案。具體的失效問題是在某汽車電子控制器開發階段在做大電流注入試驗時，其功能發生異常、經過初步排查發現是由于接入該電子控制器的一個傳感器信號失真，造成控制器的誤動作。該傳感器只有兩根線接入電子控制器，一根是信號線，一根是電源線。通過簡單的評估后將問題鎖定傳感器的供電電路上。本文后面會通過EMC的板級仿真軟件對該供電電路進行仿真，并通過仿真結果對實驗的整改提供一定的參考。

1 產品失效問題分析

該電子控制器是在做BCI大電流注入試驗連續波調制方式時，干擾頻率為400MHz左右時，其功能發生異常。通過對大電流注入試驗方法的了解進行下一步的失效電路分析。

1.1人電流注入法概述

大電流注入（BCI）法是使用電流注入探頭將騷擾信號直接感應到測試線束上進行抗擾度試驗的一種方法。注入探頭為電流互感器、被測試產品的線束穿過其中。通過改變試驗嚴酷等級和感應騷擾的頻率進行抗擾試驗。

大電流注入試驗是模擬整車上的大負載通電線工作時對周圍電子零部件和線束的電磁干擾問題。

1.2失效問題的功能

電路說明

經過對整個電子控制模塊功能和失效現象的分析，最后發現是由于接入該控制器的一個傳感器信號失真而引起的實驗失敗。由于該傳感器只有兩根線，一根是給傳感器供電的電源線，另一根是傳感器的信號線。因為傳感器是5V直流電源供電，所以進入到電子控制模塊的信號只進行了簡單的濾波和限流保護，從電子控制模塊的傳感器信號處理電路來分析基本不會造成信號的嚴重失真。于是問題在給傳感器供電的電源上，該控制模塊給傳感器供電是通過跟隨器芯片TLE4250-2G來實現的，具體電路如圖1。

該電源芯片的電源由VBAT_PR供給的，4腳Q的輸出是跟隨1腳ADJ/EN的輸入。

1.3潛在問題分析

由于此種電源跟隨芯片是非常敏感的器件，穩定的輸出要求圖2.1中圓圈圈出部分的幾個地保持等電位。如果在印制電路板的布局設計時沒有處理好這幾個地，當施加的射頻干擾從地上耦合進印制電路板時可能在跟隨器芯片的幾個地之間形成電壓差，導致輸出的電壓漂移，造成輸出的IGN_5V異常，使得傳感器的供電不穩定，最終使得電子控制模塊采集到的傳感器信號失真，功能發生異常。

另外由于TLE4250-2G是一個跟隨器，它的輸出電壓ING一SV是隨著芯片的跟隨腳ADJ/EN的電壓變化而變化的，一旦跟隨器的跟隨腳ADJ/EN的地和其控制端的單片機的地之間阻抗太大，當施加的射頻干擾從地上耦合進印制電路板板時，可能在跟隨器芯片和單片機的地之間形成電壓差，導致跟隨器芯片的輸出電壓漂移，使得傳感器的供電異常，最終導致整個電子控制器的工作失效。如圖2所示。

2 失效問題仿真分析

2.1特性阻抗和目標阻抗的概述

特性阻抗是指信號沿傳輸線傳播的過程中，傳輸線上看到的瞬間阻抗值，這里要注意是瞬時，也就是瞬態情況下的阻抗。

大部分數字電路器件對電源波動都有一定的要求。電源之所以波動，是因為實際的電壓平面存在一定阻抗，在瞬態電流通過的時候、就會產生一定的電壓降和電壓波動。為了保證每個器件始終得到正常的電源供應，需要對電源的目標阻抗進行控制，也盡可能使其降低。電源分配系統的目標阻抗定義為：Zmax=Vdd.Ripple/△Imax（1）

其中：Vdd為要去耦的電源電壓等級，在本文中是5V；Ripple為允許的電壓波動范圍；△I^max為負載芯片的最大瞬態電流變化量，由上可知，隨著電源電壓不斷減小，瞬間電流不斷增大，所允許的最大電源阻抗也大大降低。隨著電源電壓的降低以及工作頻率的提高，電源目標阻抗設計變得越來越困難。

在設計電源阻抗時，不但需要計算直流阻抗（電阻），還要同時考慮較高頻率時的交流阻抗（主要是電感）。所以受阻抗影響的電源電壓波動為：Vdrop=i.R+L.di/dt（2）

其中：Vdrop是電源電壓的紋波電壓，R為直流阻抗，L為PCB走線的寄生電感，i為輸出的直流電流值。電源完整性通常關心的正是工作器件所承受的實際電源電壓波動。

2.2地阻抗仿真分析

根據上面產品失效問題的分析，基本將整個產品的失效問題鎖定在單片機的地和跟隨器芯片的跟隨腳ADJ/EN的地以及跟隨器芯片本身pin腳的各個地之間的阻抗上。通過軟件仿真分析發現單片機的地和跟隨器芯片的跟隨腳ADJ/EN的地之間阻抗太大，見圖3。

2.3跟隨器芯片與單片機地之間的阻抗造成的電壓波動仿真分析

通過上面對印制電路板布局上的潛在失效問題的地阻抗仿真分析、發現地的不完整性會造成同一網絡的不同器件的地之間存在很大的電壓波動，導致整個電子產品功能不正常。圖4是在BCI中cw模式下20MHz時單片機地和跟隨器芯片的地之間的電壓差，而圖5則是400MHz時地之間的電壓波動。

通過圖4、圖5的電壓波形可以正式確定單片機的地與跟隨器芯片的地之間的阻抗太大是整個產品失效的根本原因。需要更改產品的印制電路板布局設計，盡量使跟隨器芯片與單片機靠近，保證兩個芯片地的完整性。

3 整改方案仿真分析

3.1 PCB更改后單片機的地與跟隨器芯片的地之間的阻抗仿真分析

針對失效產品仿真分析后，重新設計產品印制電路板布局，盡量保證整個地的完整性。然后對重新設計的印制電路板進行了產品生產前的仿真，最后發現改進后的印制電路板布局設計保證了產品單片機的地與跟隨器芯片的地之間的阻抗處于理的范圍，參考仿真波形圖6所示。

4.2 PCB更改后跟隨器芯片與單片機地之間的阻抗造成的電壓波動仿真分析

同樣對更改后的PCB板進行BCI的cw仿真分析，發現在20Mhz時，單片機地和跟隨器芯片地之間阻抗造成的電壓波動只有0.002V見圖7，而在400Mhz時單片機地和跟隨器芯片地之間阻抗造成的電壓波動只有0.04V見圖8。

通過對更改后的印制電路板仿真分析，發現更改后的印制電路板的跟隨器芯片與單片機地之間的阻抗在大電流注入試驗時造成的電壓波動非常小，滿足整個系統設計的要求。

對整改后的產品重新進行大電流注入實測試驗，整個實驗過程中產品功能一切正常，滿足了實驗的要求。

4 結論

在對失效問題進行一定的理論分析之后，再采用電磁兼容仿真軟件，可以模擬復雜的整車環境對測試模塊進行良好的建模仿真分析，并可以高效準確地找到失效問題點和整改方案，為項目開發節省更多的時間和成本。

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