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(jì)算電源失效電路特性阻抗并模擬干擾源，準(zhǔn)確高效且低成本地找到失效原因和解決方案。

背景

　　隨著日益增多的電子新技術(shù)在汽車上的大量應(yīng)用，汽車上的電子控制器越來(lái)越多，使得汽車的電磁干擾問(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(duì)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(qiáng)大，對(duì)外干擾應(yīng)該盡量減少。另外汽車電子系統(tǒng)中有多種形式的電磁干擾源，包括了傳導(dǎo)和空間的輻射，只有嚴(yán)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，確保整車的電磁兼容性，并保證用戶的安全。

　　對(duì)于影響用戶安全的電子產(chǎn)品，特別需要高度注意電磁兼容性能，而對(duì)于這些電子產(chǎn)品的關(guān)鍵信號(hào)例如傳感器的供電或采樣等更應(yīng)注意其產(chǎn)品設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性。比如發(fā)動(dòng)機(jī)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(cuò)誤的信號(hào)給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元采樣到錯(cuò)誤的曲軸位置傳感器致使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。如果這樣的情況發(fā)生在高速公路上，會(huì)造成嚴(yán)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(qiáng)烈的電磁干擾，可能會(huì)傳遞給ABS防抱死控制系統(tǒng)錯(cuò)誤信號(hào)，造成剎車失效等重大安全問(wèn)題。因此在設(shè)計(jì)階段對(duì)汽車電磁性能的研究和試驗(yàn)非常重要。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段引入EMC 仿真，結(jié)合過(guò)往汽車零部件的EMC測(cè)試數(shù)據(jù)和記錄，可以在設(shè)計(jì)早期發(fā)現(xiàn)EMC問(wèn)題，為企業(yè)減少研發(fā)和測(cè)試成本，并能為整車的開發(fā)節(jié)省寶貴的時(shí)間。

　　本文主要介紹汽車零部件在電磁兼容測(cè)試中大電流注入(BCI)時(shí)抗干擾能力的評(píng)估分析和整改方案。具體的失效問(wèn)題是在某汽車電子控制器開發(fā)階段在做大電流注入試驗(yàn)時(shí)，其功能發(fā)生異常，經(jīng)過(guò)初步排查發(fā)現(xiàn)是由于接入該電子控制器的一個(gè)傳感器信號(hào)失真，造成控制器的誤動(dòng)作。該傳感器只有兩根線接入電子控制器，一根是信號(hào)線，一根是電源線。通過(guò)簡(jiǎn)單的評(píng)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(jí)仿真軟件對(duì)該供電電路進(jìn)行仿真，并通過(guò)仿真結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)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(yàn)連續(xù)波調(diào)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(duì)大電流注入試驗(yàn)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(hào)直接感應(yīng)到測(cè)試線束上進(jìn)行抗擾度試驗(yàn)的一種方法。注入探頭為電流互感器，被測(cè)試產(chǎn)品的線束穿過(guò)其中。通過(guò)改變?cè)囼?yàn)嚴(yán)酷等級(jí)和感應(yīng)騷擾的頻率進(jìn)行抗擾試驗(yàn)。

　　大電流注入試驗(yàn)是模擬整車上的大負(fù)載通電線工作時(shí)對(duì)周圍電子零部件和線束的電磁干擾問(wèn)題。

1.2 失效問(wèn)題的功能電路說(shuō)明

　　經(jīng)過(guò)對(duì)整個(gè)電子控制模塊功能和失效現(xiàn)象的分析，最后發(fā)現(xiàn)是由于接入該控制器的一個(gè)傳感器信號(hào)失真而引起的實(shí)驗(yàn)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(hào)線。因?yàn)閭鞲衅魇?V直流電源供電，所以進(jìn)入到電子控制模塊的信號(hào)只進(jìn)行了簡(jiǎn)單的濾波和限流保護(hù)，從電子控制模塊的傳感器信號(hào)處理電路來(lái)分析基本不會(huì)造成信號(hào)的嚴(yán)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(xiàn)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(wěn)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(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有處理好這幾個(gè)地，當(dāng)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(dǎo)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(wěn)定，最終使得電子控制模塊采集到的傳感器信號(hào)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(jī)的地之間阻抗太大，當(dāng)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(jī)的地之間形成電壓差，導(dǎo)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(dǎo)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(biāo)阻抗的概述

　　特性阻抗是指信號(hào)沿傳輸線傳播的過(guò)程中，傳輸線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?jǐn)?shù)字電路器件對(duì)電源波動(dòng)都有一定的要求。電源之所以波動(dòng)，是因?yàn)閷?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(yīng)，需要對(duì)電源的目標(biāo)阻抗進(jìn)行控制，也盡可能使其降低。電源分配系統(tǒng)的目標(biāo)阻抗定義為：

(1)

　　其中：Vdd為要去耦的電源電壓等級(jí)，在本文中是5V;Ripple為允許的電壓波動(dòng)范圍;ΔImax為負(fù)載芯片的最大瞬態(tài)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(biāo)阻抗設(shè)計(jì)變得越來(lái)越困難。

　　在設(shè)計(jì)電源阻抗時(shí)，不但需要計(jì)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(jù)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(jī)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(xiàn)單片機(jī)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(jī)地之間的阻抗造成的電壓波動(dòng)仿真分析

　　通過(guò)上面對(duì)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(xiàn)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(dǎo)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(jī)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(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第1期第49頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。