電動汽車電機控制器的電源完整性分析

李唐娟 董超

摘 要：近年來，隨著電子技術的發展，硬件電子系統變得越來越復雜，電源和地平面的噪聲所帶來的電源完整性（Power Integrity，PI）問題越來越突出，會影響到整個硬件系統的電磁兼容性（EMC）。而諧振是電源完整性的一大問題，PCB電源平面間諧振振幅過大，會導致電源分配網絡（PDN）工作異常，甚至成為EMI輻射源，因此在PCB設計階段需開展諧振仿真分析并消除諧振，這是提高設計成功率的一個有效方法。為消除諧振，采用SIwave有限元仿真軟件對電源地平面間的諧振情況進行仿真分析，找出諧振點，然后合理選用布局去耦電容，消除諧振影響。

關鍵詞：電動汽車；電機控制；電源；完整性

1 引言

本文采用了一種基于PI理論的硬件設計方法，構建了以NXP公司的32位單片機作為核心處理器的新能源汽車電機控制器系統。在系統的PCB板設計前、后對PDN進行諧振仿真分析，并根據分析結果來優化設計，以確保系統穩定性和可靠性。

2 電機控制器的硬件架構和工作原理

電機控制器是新能源電動汽車的核心部件之一，決定了汽車的動力性能。它從整車控制器獲得整車的需求，從動力電池包獲得電能，經過自身逆變器的調制，獲得控制電機需要的電流和電壓，提供給電動機，使得電機的轉速和轉矩滿足整車的要求。

本文設計的電機控制器以單片機MC56F8323為核心控制芯片，該系統的硬件構架如圖1所示。系統包括PWM波生成電路、復位電路、傳感器信號處理電路、交互電路。中央控制模塊通過對外接口，得到整車上其他部件的指令和狀態信息，同時把翻譯過的指令傳遞給逆變器驅動電路，并檢測控制效果。

3 電機控制器的電源完整性分析

3.1 電源完整性及其影響因素

電源完整性是指系統供電電源在經過一定的傳輸網絡后在指定器件端口相對該器件對工作電源要求的符合程度。雖然電源完整性是討論電源供給的穩定性問題，但由于地在實際系統中總是和電源密不可分的，通常把如何減少地平面的噪聲也作為電源完整性的一部分進行討論。

電源完整性的作用是為系統所有的信號線提供完整的回流路徑，但實際上電源完整性往往得不到實現，破壞電源完整性的主要因素有以下幾種：地彈噪聲太大，去耦電容設計不合理，回流影響嚴重，多電源、地平面的分割不當，地層設計不合理，電流分配不均勻，高頻的趨膚效應導致系統阻抗變化等等。

將電源完整性仿真分析融入到電力電子產品的PCB設計當中，最終為產品設計提供優化的解決方案，已經成為保證產品設計成功的關鍵步驟。

3.2 電路板的諧振

電路板的諧振是指能量被夾在兩個平行板之間，因原始信號與其反射信號同相而形成共振腔效應。在中低頻時，電源地平面對可當作一個理想電容，其ESR和ESL都很小，在頻率達到某一個高頻段時，電源地平面間變成了一個諧振腔，等效為RLC串并聯電路，在諧振頻率點附近，平面對地阻抗變得很大，從而引發電源完整性問題。阻抗變化和電源電壓波動的關系可通過如下公式表達：

結合公式（1），若諧振點落在了設計關注的頻段內，可從三方面來分析所帶來的問題：（1）若諧振過大，在諧振點處電源波動過大，穩壓電源芯片無法實時響應負載對應電流需求的快速變化，會出現電源跌落，從而產生電源噪聲；（2）在諧振點處，電源表現的高阻抗會使部分噪聲和信號能量無法在電源分配網絡中找到回流路徑，最終會從PCB板輻射出去，造成EMI問題；（3）若諧振點與板上器件工作頻率相同，將引起共振。無論哪種情況發生，都可能產生EMC問題，最終導致產品的可靠性下降。

3.3 電機控制器的PCB諧振仿真分析

本文采用ANSYS公司的SIwave有限元仿真軟件對所設計的電機控制器的PCB進行電源完整性的諧振仿真分析。通過仿真找到PCB諧振點，根據仿真結果合理添加去耦電容，從而消除諧振，保證電源完整性。

SIwave是一個專業化的設計平臺，可實現IC封裝和PCB的電源完整性、信號完整性和EMI分析；可通過該軟件在低電壓設計中的自動去耦分析確保滿足阻抗分布。

本仿真將所設計的電機控制器控制板的4層PCB板導入到SIwave仿真軟件中進行諧振仿真，掃頻至1 GHz，掃頻過程如圖2所示。

從仿真結果可以看到整個PCB板電源和地平面在270 MHz附近存在一個明顯的諧振區域。諧振仿真結果中，諧振振幅越大表明諧振越明顯，該位置的電源PDN阻抗較大，易產生電源完整性問題。

對仿真結果進行分析，其諧振位置處于旋變芯片所在的區域，該芯片的25～33引腳的幾個關鍵信號所處的位置正位于此諧振區域。為消除此位置270 MHz的諧振，可在該區域增加去耦電容，在5 V電源和地GND網絡之間增加一個22 n F的去耦電容，同時優化PCB布局布線，將電源層相對地層平面內縮1.27 mm，再次進行掃頻仿真，從仿真結果可以看出，諧振現象消失，表明該措施有效。

4 設計結果

經過上述電源完整性的諧振分析，最終在Cadence SPB16.3平臺上完成了新能源汽車電機控制器的PCB設計，并最終通過了EMC測試，在200～960 MHz的頻段內，EMC輻射發射測試通過，并有很大裕量。

5 結束語

本文對所設計的新能源汽車電機控制器在SIwave平臺上進行了電源完整性的諧振仿真分析，根據分析結果來優化PCB設計，從而提高系統的抗干擾能力，使得產品的設計一次成功。該設計方法對于電力電子系統的設計開發具有很強的實用意義，不僅能夠有效提高產品設計的性能，而且可以大幅縮短產品開發周期，降低開發成本。

參考文獻

[1]申偉，唐萬明，王楊.高速PCB的電源完整性分析[J].現代電子技術，2009，32（24）：213-218.

[2]王鋒，高元樓.基于MC56F8323的直流無刷電機調速控制系統[J].儀器儀表用戶，2007，4（3）：22-23.

[3]黃永順.基于MC56F8323的兩相步進電機高速細分驅動模塊[J].國外電子元器件，2007（05）：9-11.

[4]盧秋朋，張清鵬，秦潤杰.傳輸線中趨膚效應的介紹及仿真[J].電子測量技術，2015，6（06）：27-30.