一種電源跟隨電路射頻受擾失效仿真分析

摘要：本文介紹了一種分析且解決汽車(chē)零部件電路射頻受擾失效問(wèn)題的快速便捷方法，通過(guò)電磁兼容仿真軟件仿真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。

背景

　　隨著(zhù)日益增多的電子新技術(shù)在汽車(chē)上的大量應用，汽車(chē)上的電子控制器越來(lái)越多，使得汽車(chē)的電磁干擾問(wèn)題日漸突出。為了防止電子零部件在工作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾對其它電子產(chǎn)品的功能和性能產(chǎn)生影響，各個(gè)電子產(chǎn)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(chē)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(gè)電子模塊的電磁干擾和抗干擾的問(wèn)題，確保各個(gè)電子產(chǎn)品的功能正常，確保整車(chē)的電磁兼容性，并保證用戶(hù)的安全。

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

　　本文主要介紹汽車(chē)零部件在電磁兼容測試中大電流注入(BCI)時(shí)抗干擾能力的評估分析和整改方案。具體的失效問(wèn)題是在某汽車(chē)電子控制器開(kāi)發(fā)階段在做大電流注入試驗時(shí)，其功能發(fā)生異常，經(jīng)過(guò)初步排查發(fā)現是由于接入該電子控制器的一個(gè)傳感器信號失真，造成控制器的誤動(dòng)作。該傳感器只有兩根線(xiàn)接入電子控制器，一根是信號線(xiàn)，一根是電源線(xiàn)。通過(guò)簡(jiǎn)單的評估后將問(wèn)題鎖定傳感器的供電電路上。本文后面會(huì )通過(guò)EMC的板級仿真軟件對該供電電路進(jìn)行仿真，并通過(guò)仿真結果對實(shí)驗的整改提供一定的參考。

1 產(chǎn)品失效問(wèn)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(shí)，干擾頻率為400MHz左右時(shí)，其功能發(fā)生異常。通過(guò)對大電流注入試驗方法的了解進(jìn)行下一步的失效電路分析。

1.1 大電流注入法概述

　　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(xiàn)束上進(jìn)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(chǎn)品的線(xiàn)束穿過(guò)其中。通過(guò)改變試驗嚴酷等級和感應騷擾的頻率進(jìn)行抗擾試驗。

　　大電流注入試驗是模擬整車(chē)上的大負載通電線(xiàn)工作時(shí)對周?chē)娮恿悴考途€(xiàn)束的電磁干擾問(wèn)題。

1.2 失效問(wèn)題的功能電路說(shuō)明

　　經(jīng)過(guò)對整個(gè)電子控制模塊功能和失效現象的分析，最后發(fā)現是由于接入該控制器的一個(gè)傳感器信號失真而引起的實(shí)驗失敗。由于該傳感器只有兩根線(xiàn)，一根是給傳感器供電的電源線(xiàn)，另一根是傳感器的信號線(xiàn)。因為傳感器是5V直流電源供電，所以進(jìn)入到電子控制模塊的信號只進(jìn)行了簡(jiǎn)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(lái)分析基本不會(huì )造成信號的嚴重失真。于是問(wèn)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(guò)跟隨器芯片TLE4250-2G來(lái)實(shí)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(wèn)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(gè)地保持等電位。如果在印制電路板的布局設計時(shí)沒(méi)有處理好這幾個(gè)地，當施加的射頻干擾從地上耦合進(jìn)印制電路板時(shí)可能在跟隨器芯片的幾個(gè)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(fā)生異常。

　　另外由于TLE4250-2G是一個(gè)跟隨器，它的輸出電壓ING_5V是隨著(zhù)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(jìn)印制電路板板時(shí)，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(gè)電子控制器的工作失效。如圖2所示。

2 失效問(wèn)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(xiàn)傳播的過(guò)程中，傳輸線(xiàn)上看到的瞬間阻抗值，這里要注意是瞬時(shí)，也就是瞬態(tài)情況下的阻抗。

　　大部分數字電路器件對電源波動(dòng)都有一定的要求。電源之所以波動(dòng)，是因為實(shí)際的電壓平面存在一定阻抗，在瞬態(tài)電流通過(guò)的時(shí)候，就會(huì )產(chǎn)生一定的電壓降和電壓波動(dòng)。為了保證每個(gè)器件始終得到正常的電源供應，需要對電源的目標阻抗進(jìn)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：

(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(dòng)范圍;ΔImax為負載芯片的最大瞬態(tài)電流變化量。由上可知，隨著(zhù)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(zhù)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(lái)越困難。

　　在設計電源阻抗時(shí)，不但需要計算直流阻抗(電阻)，還要同時(shí)考慮較高頻率時(shí)的交流阻抗(主要是電感)。所以受阻抗影響的電源電壓波動(dòng)為：

(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(xiàn)的寄生電感，i為輸出的直流電流值。

　　電源完整性通常關(guān)心的正是工作器件所承受的實(shí)際電源電壓波動(dòng)。

2.2 地阻抗仿真分析

　　根據上面產(chǎn)品失效問(wèn)題的分析，基本將整個(gè)產(chǎn)品的失效問(wèn)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(gè)地之間的阻抗上。通過(guò)軟件仿真分析發(fā)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(jiàn)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(dòng)仿真分析

　　通過(guò)上面對印制電路板布局上的潛在失效問(wèn)題的地阻抗仿真分析，發(fā)現地的不完整性會(huì )造成同一網(wǎng)絡(luò )的不同器件的地之間存在很大的電壓波動(dòng)，導致整個(gè)電子產(chǎn)品功能不正常。圖4是在BCI中CW模式下20MHz時(shí)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(shí)地之間的電壓波動(dòng)。

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第1期第49頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。