汽车ECU电源管理系统设计研究 本文关键词：管理系统，电源，研究，汽车，设计
汽车ECU电源管理系统设计研究 本文简介：关键词：电磁干扰噪声；电容；电感；场效应管；高频电流；低通滤波汽车电气化程度越来越高，电子设备也日益精密。越来越多的半导体器件集成在电子控制单元（ECU）中，以提高驾驶人员的安全性。然而，对于ECU而言，一个电源故障就可能造成严重后果。因此，系统中采用电源管理集成电路（PMIC）时，必须考虑到其功能
汽车ECU电源管理系统设计研究 本文内容：
关键词：电磁干扰噪声；电容；电感；场效应管；高频电流；低通滤波
汽车电气化程度越来越高，电子设备也日益精密。越来越多的半导体器件集成在电子控制单元（ECU）中，以提高驾驶人员的安全性。然而，对于ECU而言，一个电源故障就可能造成严重后果。因此，系统中采用电源管理集成电路（PMIC）时，必须考虑到其功能安全性。国际电工技术委员会（IEC）已经制定了国际标准，考虑电磁兼容事宜，目的是保护这些车内或车外接收器免受电磁干扰，避免功能安全问题出现。车内模块中的电源必须符合国际标准CISPR25，涉及到了电磁兼容规范。见图1，电磁兼容问题分为电磁干扰和电磁敏感两类，这两类又都包括传导和辐射引起的噪音。先进的驾驶员辅助系统ADAS、车身控制模块BCM等汽车系统中使用CypressPMICS设计ECU电源系统时，要考虑开关操作的DC/DC变换器产生的电磁兼容问题。线束存在传导噪声，降低一次电源线束的EMI噪声尤为重要。DC/DC转换器，由于开关操作和工作环境的原因，可能会产生远高于开关频率的噪声，大约从100kHz到2MHz的电磁噪声。EMI干扰导致逻辑电路误触发，快速变化引起相邻稳态信号出现“故障”信号，线路串扰造成不稳定运行，开关逻辑输出传播地跳等等，因此需要采取措施降低这种电磁噪声。有几种方法可以实施EMI噪声抑制对策，从制造源头，对PMICS的设置、组件的选择、PCB布局机几个方面考虑，进行EMI降噪抑制。另外可通过添加电路和组件，进行降低EMI噪声。
1DC/DC转换器的元件选择降噪对策
选择具有小等效串联电感（ESL）作为高频寄生元件，让高频电流回流通过。如果在DC/DC操作中，负载为2A时的开关转换时间为2ns，只有1nH作为ESL时也会产生1V的干扰。因此，降低ESL对降低EMI具有重要意义。
1.1选择电容
输入电容器、输出电容器建议选用能有效吸收开关频率脉动电流的陶瓷电容器。陶瓷电容器通常满足输入电容器和输出电容器所需的电容3216尺寸或更大。例如，3216尺寸的陶瓷电容器通常具有1nH或更多的电感作为ESL。为了ESL降低，建议放置较小尺寸的陶瓷电容器。例如，1005大小的ESL陶瓷电容器（例如0.1μf或0.01μf）小到0.5nH。选择翻转式陶瓷也很有效用于ESL降低的电容器或三端陶瓷电容器。
1.2选择场效应管FET
DC/DC转换器通道需要外部开关场效应晶体管，开关场效应晶体管应选用小型的与ESL封装和引线配合，例如，一个较小的DFN（无引线双扁平封装）比传统的引线形状（如SOP）更具优势。1.3选择金属复合电感在极少数情况下，会通过线圈气隙产生电场噪声。在这种情况下，我们可以通过改变电感来降低电磁干扰噪声，将带铁芯气隙的绕组电感（图2）改为金属复合电感（图3），即改用带铁芯气隙的绕组电感为金属复合电感。
2PCB电路板降低高频噪声的对策
设计PCB布局中应对高频电流环的对策，缩短PCB板设计高频的电流回路。2.1降压Buck拓扑DC/DC变换器由于输入电容CIN和两个开关FET组成了高频电流回路，为抑制高频电流，采用四层PCB布局，见图4，第一层为顶层，第二层为内层。见图4，元件安装第一层，第二层电源输入，第三布置接地、第四层底层。在四层PCB的情况下，顶层和第二层之间的间隙一般为100μm～200μm。高频电流环区域缩小，部件安装表面正下方的接地设计可确保缩短高频电流返回路径，高频电流流过顶层和第二层，减小线圈电感。对于四层PCB，缩小层间间隙也是降低高频电磁干扰噪声的对策。对于两层印刷电路板，由于印刷电路板的厚度与层隙相同，回路的寄生电感是四层PCB的8～16倍，这意味着两层PCB是不利的。
2.2其他DC/DC变换器
升压BoostDC/DC变换器，以及Buck-boostDC/DC变换器，也是可以采用四层PCB这项降低高频电路噪音措施。
3添加回路和元件降噪对策
通过增加电路和部件来降低电磁干扰噪声的对策，有以下方法：
3.1添加自举电阻和高边场效应管的栅电阻
目的是降低开关电流转换效率，也能有效地减少高频噪声30MHz。这个意味着降低开关场效应管的开关速度。对于Buck转换器，FET开关高速场效应管的速度是影响电磁干扰噪声的重要因素。见图5，自举电阻（RBST）可以降低与LX3V连接的开关节点波形的上升沿转换率。此对策适用于具有自举电容的DC/DC变换器信道。应确定的是，RBST的增加可能会影响DC/DC变换器的转换效率，并且自举电容器（CBST）对充电电流的限制，应通过确认EMI来确定RBST水平，考虑开关波形，以及DC/DC变换器的转换效率之间的平衡。当RBST增加时，EMI噪声抑制能力提高，然而，当RBST值太高时，开关波形从正方形塌陷，并且转换器转换效率也变低。考虑到这些因素，RBST的值通常为10Ω。在另一种方法中，添加高边场效应管的栅电阻RG，可以降低与LX3V相连的开关节点波形的升降转换速率。此对策适用于DC/DC变换器通道，且在PMIC外设有开关FET的场合。但已经证实，RG的增加可能会影响高边场效应管延迟关断的时间。在这种时刻，如果低边场效应FET打开，会有大电流通过。考虑这些因素，要确认RG对抑制DC/DC转换器的EMI噪声的水平，以及对开关波形和转换效率的影响。综合这些因素，建议RG的值为10Ω。如果和RBST和RG都需要添加，则应首先尝试RBST作为对策；如果RBST的改进不适用，那么在将RBST改为0Ω后，再尝试RG。
3.2添加低通滤波器、芯片磁珠电感器和共模扼流圈
如果主电源开关的纹波电流在电源线上传导，则电磁干扰噪声水平可能增加至相当于AM无线电500kHz至2MHz或更高的范围。在这种情况下，从蓄电池处开始，在主电源和电源线束之间添加低通滤波器（LPF），可改善和降低电磁干扰。芯片磁珠（lead）电感器和共模扼流圈（CMCC）对降低在超过30MHz以上高频范围内的电磁干扰噪声很有帮助。芯片磁珠能有效地减小从蓄电池连接过来的正极和负极线束上的差模电磁干扰噪声。CMCC能有效降低共模电磁干扰噪声。选用电源线上的磁珠和CMCC必须满足额定电流，并具有在有效的电磁干扰噪声频率范围内的降噪特性。（图6）
3.3添加开关节点缓冲（SNB）设计
当控制芯片外围电路开关节点上有高频（超过30MHz）振铃波形时，添加缓冲设计，以减小振铃波形。一般来说，RBST和RG对抑制EMI更有效，但如果RBST和RG不够有效或不适用时，用SNB则有助于降低EMI噪声。这个SBN缓冲设计是将电阻（RSNB）和电容（CSNB）串联，如图7所示。SNB元件采用小型芯片电阻和陶瓷电容器，因为小型芯片电阻和电容具有小的等效串联电感（ESL）。
4改进后对汽车ECU的EMI测试
通过上述三类设计进行降噪改进后，实施三项基本测试，测试ECU辐射抗扰度、传导抗扰度和静电放电（ESD）。辐射抗扰度测试涉及暴露在雷达、陆地移动设备、手机和广播信号下的电子控制单元，实施测试时可以使用天线（J1113/27标准）、瞬变电磁室（J1113/24标准）、带状线（J1113/23标准）或三板（J1113/25标准）执行辐射抗扰度测试。也可以通过模拟电子控制单元暴露在电力线和电动火车的磁场中，来测试ECU对磁场的抗扰度（J1113/22标准）。对于进行的抗扰度测试，您需要将凹陷、浪涌、尖峰和其他瞬态信号注入到电子控制单元的电源线和输入/输出电缆中。这些测试模拟了断开电感负载、中断串联电流、切断直流电机电源、操作开关和喇叭、断开大型电机和断开蓄电池的影响。通过测试，对ECU电源电路选择具有小等效串联电感（ESL）贴片电阻和陶瓷电容，以及金属复合电感，与ESL封装的场效应管，PCB板设计采用四层布局，缩短高频电流回路，添加自举电阻和高边场效应管的栅电阻，降低开关电流转换效率，也能有效地减少高频噪声30MHz。添加低通滤波器、降低在超过30MHz以上高频范围内的电磁干扰噪声，添加芯片磁珠电感器和共模扼流圈，降低差模电磁干扰噪声。添加开关节点缓冲（SNB）设计，以减小振铃波形。这些措施经过EMI测试，是有效的。
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作者：张葵葵 唐黄正 单位：长沙民政职业技术学院电子信息工程学院
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