一种电源跟随电路射频受扰失效仿真分析

张萍 熊雪峰 邹爱华

摘要：本文介绍了一种分析且解决汽车零部件电路射频受扰失效问题的快速便捷方法，通过电磁兼容仿真软件仿j计算电源失效电路特性阻抗并模拟干扰源，准确高效且低成本地找到失效原因和解决方案。

关键词：射频受扰；EMC仿真；特性阻抗

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.1.013

背景

随着日益增多的电子新技术在汽车上的大量应用，汽车上的电子控制器越来越多，使得汽车的电磁干扰问题日渐突出。为了防止电子零部件在工作时产生的电磁干扰对其它电子产品的功能和性能产生影响，各个电子产品的本身的抗干扰能力必须强大、对外干扰应该尽量减少。另外汽车电子系统中有多种形式的电磁干扰源，包括了传导和空间的辐射，只有严格控制限定各个电子模块的电磁干扰和抗干扰的问题，确保各个电子产品的功能正常、确保整车的电磁兼容性，并保证用户的安全。

对于影响用户安全的电子产品，特别需要高度注意电磁兼容性能，而对于这些电子产品的关键信号例如传感器的供电或采样等更应注意其产品设计的稳健性。比如发动机的曲轴位置传感器可能会受到其它电子产品的电磁干扰产生错误的信号给发动机控制单元，发动机控制单元采样到错误的曲轴位置传感器致使发动机熄火。如果这样的情况发生在高速公路上，会造成严重的交通事故和人员的重大伤亡。同样如果电子车轮传感器受到强烈的电磁干扰，可能会传递给ABS防抱死控制系统错误信号，造成刹车失效等重大安全问题。因此在设计阶段对汽车电磁性能的研究和试验非常重要。在产品设计阶段引入EMC仿真，结合过往汽车零部件的EMC测试数据和记录，可以在设计早期发现EMC问题，为企业减少研发和测试成本，并能为整车的开发节省宝贵的时间。

本文主要介绍汽车零部件在电磁兼容测试中大电流注入（BCI）时抗干扰能力的评估分析和整改方案。具体的失效问题是在某汽车电子控制器开发阶段在做大电流注入试验时，其功能发生异常、经过初步排查发现是由于接入该电子控制器的一个传感器信号失真，造成控制器的误动作。该传感器只有两根线接入电子控制器，一根是信号线，一根是电源线。通过简单的评估后将问题锁定传感器的供电电路上。本文后面会通过EMC的板级仿真软件对该供电电路进行仿真，并通过仿真结果对实验的整改提供一定的参考。

1 产品失效问题分析

该电子控制器是在做BCI大电流注入试验连续波调制方式时，干扰频率为400MHz左右时，其功能发生异常。通过对大电流注入试验方法的了解进行下一步的失效电路分析。

1.1人电流注入法概述

大电流注入（BCI）法是使用电流注入探头将骚扰信号直接感应到测试线束上进行抗扰度试验的一种方法。注入探头为电流互感器、被测试产品的线束穿过其中。通过改变试验严酷等级和感应骚扰的频率进行抗扰试验。

大电流注入试验是模拟整车上的大负载通电线工作时对周围电子零部件和线束的电磁干扰问题。

1.2失效问题的功能

电路说明

经过对整个电子控制模块功能和失效现象的分析，最后发现是由于接入该控制器的一个传感器信号失真而引起的实验失败。由于该传感器只有两根线，一根是给传感器供电的电源线，另一根是传感器的信号线。因为传感器是5V直流电源供电，所以进入到电子控制模块的信号只进行了简单的滤波和限流保护，从电子控制模块的传感器信号处理电路来分析基本不会造成信号的严重失真。于是问题在给传感器供电的电源上，该控制模块给传感器供电是通过跟随器芯片TLE4250-2G来实现的，具体电路如图1。

该电源芯片的电源由VBAT_PR供给的，4脚Q的输出是跟随1脚ADJ/EN的输入。

1.3潜在问题分析

由于此种电源跟随芯片是非常敏感的器件，稳定的输出要求图2.1中圆圈圈出部分的几个地保持等电位。如果在印制电路板的布局设计时没有处理好这几个地，当施加的射频干扰从地上耦合进印制电路板时可能在跟随器芯片的几个地之间形成电压差，导致输出的电压漂移，造成输出的IGN_5V异常，使得传感器的供电不稳定，最终使得电子控制模块采集到的传感器信号失真，功能发生异常。

另外由于TLE4250-2G是一个跟随器，它的输出电压ING一SV是随着芯片的跟随脚ADJ/EN的电压变化而变化的，一旦跟随器的跟随脚ADJ/EN的地和其控制端的单片机的地之间阻抗太大，当施加的射频干扰从地上耦合进印制电路板板时，可能在跟随器芯片和单片机的地之间形成电压差，导致跟随器芯片的输出电压漂移，使得传感器的供电异常，最终导致整个电子控制器的工作失效。如图2所示。

2 失效问题仿真分析

2.1特性阻抗和目标阻抗的概述

特性阻抗是指信号沿传输线传播的过程中，传输线上看到的瞬间阻抗值，这里要注意是瞬时，也就是瞬态情况下的阻抗。

大部分数字电路器件对电源波动都有一定的要求。电源之所以波动，是因为实际的电压平面存在一定阻抗，在瞬态电流通过的时候、就会产生一定的电压降和电压波动。为了保证每个器件始终得到正常的电源供应，需要对电源的目标阻抗进行控制，也尽可能使其降低。电源分配系统的目标阻抗定义为：Zmax=Vdd.Ripple/△Imax（1）

其中：Vdd为要去耦的电源电压等级，在本文中是5V；Ripple为允许的电压波动范围；△I^max为负载芯片的最大瞬态电流变化量，由上可知，随着电源电压不断减小，瞬间电流不断增大，所允许的最大电源阻抗也大大降低。随着电源电压的降低以及工作频率的提高，电源目标阻抗设计变得越来越困难。

在设计电源阻抗时，不但需要计算直流阻抗（电阻），还要同时考虑较高频率时的交流阻抗（主要是电感）。所以受阻抗影响的电源电压波动为：Vdrop=i.R+L.di/dt（2）

其中：Vdrop是电源电压的纹波电压，R为直流阻抗，L为PCB走线的寄生电感，i为输出的直流电流值。电源完整性通常关心的正是工作器件所承受的实际电源电压波动。

2.2地阻抗仿真分析

根据上面产品失效问题的分析，基本将整个产品的失效问题锁定在单片机的地和跟随器芯片的跟随脚ADJ/EN的地以及跟随器芯片本身pin脚的各个地之间的阻抗上。通过软件仿真分析发现单片机的地和跟随器芯片的跟随脚ADJ/EN的地之间阻抗太大，见图3。

2.3跟随器芯片与单片机地之间的阻抗造成的电压波动仿真分析

通过上面对印制电路板布局上的潜在失效问题的地阻抗仿真分析、发现地的不完整性会造成同一网络的不同器件的地之间存在很大的电压波动，导致整个电子产品功能不正常。图4是在BCI中cw模式下20MHz时单片机地和跟随器芯片的地之间的电压差，而图5则是400MHz时地之间的电压波动。

通过图4、图5的电压波形可以正式确定单片机的地与跟随器芯片的地之间的阻抗太大是整个产品失效的根本原因。需要更改产品的印制电路板布局设计，尽量使跟随器芯片与单片机靠近，保证两个芯片地的完整性。

3 整改方案仿真分析

3.1 PCB更改后单片机的地与跟随器芯片的地之间的阻抗仿真分析

针对失效产品仿真分析后，重新设计产品印制电路板布局，尽量保证整个地的完整性。然后对重新设计的印制电路板进行了产品生产前的仿真，最后发现改进后的印制电路板布局设计保证了产品单片机的地与跟随器芯片的地之间的阻抗处于理的范围，参考仿真波形图6所示。

4.2 PCB更改后跟随器芯片与单片机地之间的阻抗造成的电压波动仿真分析

同样对更改后的PCB板进行BCI的cw仿真分析，发现在20Mhz时，单片机地和跟随器芯片地之间阻抗造成的电压波动只有0.002V见图7，而在400Mhz时单片机地和跟随器芯片地之间阻抗造成的电压波动只有0.04V见图8。

通过对更改后的印制电路板仿真分析，发现更改后的印制电路板的跟随器芯片与单片机地之间的阻抗在大电流注入试验时造成的电压波动非常小，满足整个系统设计的要求。

对整改后的产品重新进行大电流注入实测试验，整个实验过程中产品功能一切正常，满足了实验的要求。

4 结论

在对失效问题进行一定的理论分析之后，再采用电磁兼容仿真软件，可以模拟复杂的整车环境对测试模块进行良好的建模仿真分析，并可以高效准确地找到失效问题点和整改方案，为项目开发节省更多的时间和成本。

参考文献：

[1]IS011452-1 Road vehicles- Electrical disturbances by narrowband radiated electromagneticenergy Component test methods[s]

[2]IS011452-4 Road vehides-Component test methods for electrical disturbances fromnarrowband radiated electromagnetic energy[s]

[3]GB/T17619-1998机动车电子电器组件的电磁辐射抗扰性限值和测量方法[c]

[4]刘骞 车载电子设备的电磁兼容研究[M]。湖南：中南大学，2004

[5]王守兰，杨自佑.电磁兼容原理与应用[M]。北京：机械工业出版社，2006

[6]Luca Di Rienzo，Flavia Grassi and Sergio A Pignari，"FIT Modeling of Injection Probes for BulkCurrent Injection"