一種車用控制器DC-DC 穩壓電路及EMC 設計

曹學自， 王 濤， 曲嵐峰， 宋興鑫

（濰柴動力股份有限公司， 山東 濰坊 261000）

隨著汽車電控技術的高速發展，控制器的穩定性及可靠性越來越成為關注的重點。DC-DC作為控制器的供電核心單元，負責將低壓常電轉為控制器的供電輸入電壓，同時也作為模擬電路的參考電壓，影響控制器的穩定性以及車輛功能參數的采集精度，進而影響車輛的行駛安全[1]。此外，DC-DC的工作特性影響著控制器的EMC性能，產生的干擾信號不僅影響著自身控制器的功能安全，同樣對車輛的其他電子設備產生干擾影響，進一步影響車輛的工作狀態。因此，一個高效安全的DC-DC穩壓電路對車輛的功能安全和行駛安全有著重要影響。

1 降壓拓撲結構及工作原理

DC-DC變換器是一款電壓轉換芯片，通過自激蕩電路將輸入的直流電轉換為不同電壓等級的直流電。常見的DCDC變換器根據電壓等級變換關系分為降壓變換器、升壓變換器、升降壓變換器及降升壓變換器，根據是否需要電氣隔離又分為隔離型變換器和非隔離型變換器[2]。

本文選用一種非隔離型DC-DC降壓變換器，將車載控制器的供電輸入轉換為用于控制器核心控制單元供電的5V低壓電及模擬量供電模塊的5V參考電壓。降壓型DC-DC 簡易拓撲結構如圖1所示。

圖1 降壓型DC-DC簡易拓撲結構

當開關S閉合時，電感L充電，此時電感的極性為左正右負，電容C充電，得到輸出電壓Vout。當Vout＞5V時，S斷開，此時電感L放電，極性為左負右正。由于電感極性反轉的瞬間無法輸出Vout電壓，此時電容開始向負載電路供電，繼續輸出電壓Vout，直到L極性反轉完成時正常放電。電感放電過程中，電感電壓由于負載R的消耗及電容充電逐漸降低，Vout低于5V時開關S導通，繼續對L充電。開關S通過高頻率的開關連續輸出PWM波，最終通過電感L的充放電輸出穩定的電壓Vout。電感L作為此結構的儲能器件，電容C可以穩定輸出電壓，二極管D作為續流二極管為電感L續流提供回路，R為電壓輸出回路負載。

2 穩壓電路設計及理論計算

隨著半導體技術的飛速發展，DC-DC轉換器已經從單一的拓撲結構集成為高效的電壓轉換芯片。由于車載控制器功能的多樣性使得DC-DC轉換器時常處在高負荷的工作狀態，因此DC-DC轉換器在工作過程中易受到自身控制器的其他芯片、負載以及線束的干擾，同時高頻率的“開關動作”會產生干擾信號，影響控制器的整體性能，進而影響車輛的穩定性及安全性[3-5]。因此，DC-DC轉換器往往需要周邊電路的配合才能高效穩定地發揮電壓轉換的作用。進行DC-DC電路設計時，需要綜合考慮多個影響參數，例如輸入電壓和輸出電壓、輸出電壓紋波、電路工作電流、DC-DC最大工作電流及工作頻率。輸入及輸出電壓影響電路反饋電阻的選擇。輸出電壓紋波關系到輸出電容的選取，紋波越小越好，精度越高。DC-DC最大工作電流要結合電路工作電流來分析選型，進而影響電路電感值的選取[6]。芯片的工作頻率影響著輸入電容值的選取及EMC性能。

2.1 外圍電路設計及重要參數理論計算

圖2為穩壓電路設計原理圖，M為DC-DC降壓芯片，車輛蓄電池電壓由Vin端輸入，穩壓管D可以阻擋電壓輸入端的浪涌沖擊，將電壓穩定在安全值，防止DC-DC芯片經受高壓沖擊損失。開關S與電阻R1、R2組成防反電路，避免降壓芯片受到反向電壓沖擊損壞。電感L與電容C1、C2組成π型濾波電路，可以過濾芯片受到的電壓干擾以及降低芯片“開關動作”對外的干擾噪聲。

圖2 穩壓電路設計原理圖

電容Cin為DC-DC芯片的輸入電容，是守護芯片安全的最后一道防線。由于車輛線束錯綜復雜，當DC-DC距離輸入電源距離較遠時，電源線束的電感效應會引起電壓尖峰，因此需要耐壓值較高的大電容進行濾波，耐壓值一般選擇輸入電壓的兩倍。為了消除開關的高頻噪聲，電容值要滿足高頻濾波要求[7]。

電感Lout為DC-DC芯片的輸出電感，是電壓能量傳輸的橋梁，電感值的大小影響整個電壓轉換系統的工作性能，電感值太小影響電源續流，電感值太大影響電壓輸出的響應性，因此選取合適的電感值對系統的穩定性有重要意義。“伏秒平衡”是電感選型的重要理論依據，電感在充電和放電時，電流的變化量相等，電源導通階段的電感電壓與導通時間的乘積同電源關斷階段電感電壓與關斷時間的乘積相等。電感電壓值的大小為：

式中：V——電感兩端電壓；L——電感值，為單位時間內電感電流變化量。由伏秒平衡定理得：

式中：Von、Voff——電源導通和關斷時刻的電感電壓；ton、toff——電源導通和關斷的時間。

電源輸入及輸出電壓分別為Vin及Vout，所以：

開關工作頻率為f，開關導通占空比為D，電流的變化量為I，根據公式（1）～（4）得到電感值：

一般來說，電感電流的變化量取值范圍為DC-DC輸出電流最大值的20%～40%，根據電感的取值范圍可以選取合適的電感值。

Cout為輸出電容，電容值的大小影響著電源輸出的電壓紋波，因此可以根據電壓紋波反推需要的輸出電容值。電壓變化量與輸出電容C的關系式為：

要滿足輸出的電壓紋波要求，所以需求的電壓紋波值要大于電壓變化量，所以輸出電容Cout的值要滿足：

電容的等效阻抗ESR影響輸出電壓紋波，因此選擇的電容等效阻抗值Resr應滿足：

電阻RFB1與RFB2為DC-DC的反饋電阻，影響電路輸出的電壓值。電阻值的選擇與設計輸出電壓Vout和反饋電壓VFB有關。P為電壓跟隨器，可以穩定注入到芯片的反饋電壓，防止電壓受到外部干擾造成精度損失，進一步提高電路工作的穩定性。Vout和VFB是芯片固有參數，電阻RFB1與RFB2的關系滿足：

2.2 EMC性能設計

一個理想的電路設計不僅要滿足其功能需求，同時也要符合EMC電磁兼容標準。DC-DC在正常工作時，頻繁的開關動作容易產生電磁干擾噪聲，并且不合理的PCB設計容易對外產生強烈的輻射信號，對外發射的干擾信號會影響其他的車輛敏感器件，影響整車穩定性。DC-DC在工作時，電壓和電流在導體的傳輸過程中有兩種形態，即共模和差模。當干擾信號通過2根導線作為往返傳輸路徑時為差模傳輸；由于電路搭鐵線的存在，當干擾信號通過2根導線作為去向傳輸，以搭鐵線作為回路傳輸時，即為共模傳輸。由于導線和搭鐵線間存在阻抗，所以差模與共模信號可以互相轉化[8]。

DC-DC工作時會產生電流環路，當開關導通時電流流向為環路1，關斷時電流流向為環路2，每一個電流回路都是一個環路天線，不僅會向外產生發射，還會干擾控制器其他電路，電流回路如圖3所示。

圖3 DC-DC電流環路

由于電磁感應，電流回路產生的高頻磁場的場強為：

式中：E——輻射場強；λ——固定計算系數；f——開關頻率；S——電流環路面積；I——電流大小；n——測試點到環路的距離。

由此可見，DC-DC對外輻射的干擾場強大小與環路面積成正相關。同樣，在開關狀態切換的時候，由于電感的存在，環路電流會產生突變，由于電磁感應環路的磁通量同樣會產生較大的變化，容易產生較強的輻射強度，因此，在進行PCB布線時要盡可能減少環路面積，最大程度上減少差模輻射。同時，信號線及搭鐵線應避免直角與尖峰，減少天線效用帶來的噪聲發射，搭鐵線大面積鋪銅，減少搭鐵線回路阻抗，將干擾噪聲引入搭鐵線，減少共模噪聲干擾[9]。

在抑制DC-DC干擾噪聲的同時，需要外圍器件將干擾噪聲引導到搭鐵線，對噪聲進行合理的“疏通”，根據工作頻率的大小選擇合適的濾波電容布置在DC-DC電壓輸入端和輸出端，距離盡可能接近，將干擾快速過濾到搭鐵線。電容值的大小可近似為DC-DC工作頻率的倒數。電源輸入端的π型LC濾波電路可以大幅度抑制電源線上的傳導噪聲，在選取電感值時可以選取大感值的電感。

3 電路測試

為了驗證設計電路的功能性和可靠性，需要進行電路硬件測試。本文設計的目標輸出電壓為5000mV，根據目標輸出電壓，測量輸出電壓的準確性及穩定性，同時對電路的EMC性能進行測試。

對于輸出的穩定性，根據實際使用條件，一般來說測試的電源紋波滿足30mV內，并且輸出平均電壓值誤差小于2%即可。對于EMC可靠性，測試的發射噪聲滿足CISPR25標準限值即可。

3.1 功能性測試

在電源電路輸出端連接50Ω負載，讓輸出負載保持恒定，根據不同的輸入電壓測量DC-DC輸出電壓的穩定性，輸入供電電壓值為6～36V（模擬DC-DC電源電路在實際工作條件下輸入供電電壓），以3V每梯度遞增。為了保證測試的可靠性，選用高精度示波器進行電壓紋波測量及電壓平均值測量。測試DC-DC處于最嚴苛電壓轉換條件下，即轉換壓差最小（注入電壓最小） 條件下的輸出電壓紋波，以及不同供電電壓條件下的電壓輸出穩定性[10]。圖4為DC-DC電路處于最低輸入工作電壓時電壓紋波測量結果。

圖4 最低輸入工作電壓紋波測試結果

圖5為不同輸入電壓對應的DC-DC輸出平均電壓，其中橫坐標為輸入端電壓，縱坐標為DC-DC平均輸出電壓，坐標系中橫線為目標輸出電壓，圓點為輸入電壓對應的DCDC平均輸出電壓。

圖5 平均輸出電壓

由測試結果可得，當負載恒定時，設計的DC-DC電源電路在不同的輸入電壓條件下依然能夠保持電壓轉換的穩定性，在最嚴苛的電壓轉換條件下平均輸出電壓及測試紋波依然滿足設計需求，測試紋波小于20mV，平均電壓與目標輸出電壓5000mV相比，誤差控制在20mV之內，平均電壓輸出精度誤差為0.4%。測試結果表明，設計的穩壓DC-DC電源電路在不同的工作供電電壓條件下，電壓轉換結果滿足設計需求。

保持輸入電壓恒定，測試不同負載時DC-DC電壓輸出的準確性，注入負載值為10～40Ω（模擬DC-DC電源電路在實際工作條件下的等效負載），以5Ω每梯度遞增。選用高精度示波器進行電壓紋波測量及電壓平均值測量。選擇測試輸入電壓為24V，測試DC-DC處于最嚴苛工作條件下，即測試負載最小（工作電流最大） 條件下的輸出電壓紋波，以及不同負載條件下的電壓輸出穩定性。圖6為DC-DC電路處于最大測試工作電流時輸出電壓紋波測量結果，示波器坐標顯示值為紋波電壓。

圖6 最大測試工作電流時電壓紋波測試結果

圖7為不同負載下的DC-DC輸出平均電壓值，通過示波器采集一段時間內的輸出電壓，計算出DC-DC電源的平均輸出電壓，其中橫坐標為負載值，縱坐標為DC-DC平均輸出電壓，坐標系中橫線為目標輸出電壓，圓點為相應工作負載對應的DC-DC平均輸出電壓。

圖7 平均輸出電壓

由測試結果可得，當輸入電壓恒定時，設計的DC-DC電源電路在不同的工作負載條件下依然能夠保持輸出穩定性，在最嚴苛的工作環境下，電壓輸出紋波依然滿足設計需求，測試紋波小于20mV。測試不同工作負載時，平均輸出電壓與目標輸出電壓5000mV相比，誤差控制在15mV之內，平均電壓輸出精度誤差為0.3%，測試結果表明設計的穩壓DC-DC電源電路在不同的工作負載條件下滿足設計需求。

3.2 可靠性測試

DC-DC工作時的發射噪聲主要為傳導發射和輻射發射。在國家標準試驗暗室對設計電路的EMC可靠性進行測試，根據DC-DC的工作頻率，測試的頻率范圍包含DC-DC的工作頻率范圍即可，根據標準測試150kHz～108MHz的傳導發射噪聲和150kHz～30MHz的輻射發射噪聲。測試結果如圖8～圖10所示。由測試結果可得，設計的PCB發射噪聲滿足CISPR 25標準限值要求，并且滿足CLASS 3等級。

圖8 電源線傳導發射噪聲

圖9 搭鐵線傳導發射噪聲

圖10 輻射發射噪聲

4 測試結論

本次設計中，設計的DC-DC電源電路基于實際工作要求及可靠性要求，根據實際的測試結果，在不同的輸入電壓及工作負載條件下，均能保持輸出的穩定性，測試紋波及平均輸出電壓符合設計要求，保證測試紋波滿足在30mV之內，平均輸出電壓滿足2%的誤差精度。同時EMC性能符合設計要求，滿足CISPR25測試標準，滿足等級CLASS 3。本文設計的DC-DC穩壓電源電路可以用于實際車載控制器當中。