汽車音響直流電源濾波器的設(shè)計

1、汽車音響直流電源濾波器的設(shè)計汽車電氣系統(tǒng)簡述近年來，隨著汽車功能的不斷增加和系統(tǒng)可靠性要求的不斷提高，越來越多的電子控制單元 （ECU）被引入到汽車設(shè)計中，汽車中的電氣系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，已經(jīng)成為汽車系統(tǒng)總成的 核心。通常，汽車的電氣系統(tǒng)分為供電系統(tǒng)和用電設(shè)備兩部分。供電系統(tǒng)是指給用電設(shè)備產(chǎn) 生、分配和傳遞電能裝置的總稱，它包括發(fā)電機(jī)、蓄電池、電線束、開關(guān)及繼電器等，具有 低壓和直流的特點(diǎn)。汽車用電設(shè)備是指汽車電氣系統(tǒng)中需要電源供給的設(shè)備，如：起動機(jī)、 空調(diào)，音響，車燈，ABS等等，其所需的電能由兩個電源供給，即：發(fā)電機(jī)和蓄電池。其具 有單線制供電特點(diǎn)，即：所有用電設(shè)備均并聯(lián)。蓄電池和發(fā)電機(jī)的

2、電源正極和各用電設(shè)備只 用一根導(dǎo)線相連，而電源的負(fù)極搭接到汽車底盤上，俗稱負(fù)極搭鐵，利用發(fā)動機(jī)體、汽車車 架和車身等金屬機(jī)體作為一公共電流回路。下圖為一汽車的電氣系統(tǒng)概要框圖（見圖1）。圖 1汽車內(nèi)的供電是低壓電路的供壓，屬于安全電壓范圍，其額定電壓有6V、12V、24V三種。目前汽油車普遍采用12V電源，而柴油汽車則多采用24V電源。汽車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系和起動系 統(tǒng)均由蓄電池供電，蓄電池為直流電源，因此，向蓄電池充電也必須采用直流電方式。汽車 里通常采用的硅整流交流發(fā)電機(jī)其本質(zhì)是一臺三相同步交流發(fā)電機(jī)，通過硅二極管整流后提 供直流充電電流。發(fā)電機(jī)是由汽車發(fā)動機(jī)拖動而工作的，在汽車正常運(yùn)行時，發(fā)電

3、機(jī)在汽車上是主要的供電電 源，供給全車除起動機(jī)外的一切電氣設(shè)備的電能，并將多余的電能向蓄電池充電，使蓄電池 始終處于完好的荷電狀態(tài)。蓄電池是供電系統(tǒng)的輔助電源，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于起動或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時， 發(fā)電機(jī)不能發(fā)電或發(fā)出的電壓很低，此時點(diǎn)火系及其它用電設(shè)備所需的電能則完全由蓄電池 供給。同時，當(dāng)用電設(shè)備所需的功率超過發(fā)電機(jī)所輸出的功率時，蓄電池與發(fā)電機(jī)共同向用 電設(shè)備供電。在發(fā)電機(jī)供電的情況下，電源系統(tǒng)中有很高的脈沖電流，隨著不同用電設(shè)備的啟用或關(guān)閉， 在各個負(fù)載中的脈沖電流也相應(yīng)變化。因此，對供電系統(tǒng)的要求是：在車輛各種使用工況條 件下，均能可靠地保證向用電設(shè)備供電；各零部件必須符合汽車電氣設(shè)備基本

4、技術(shù)條件及其 專門技術(shù)條件的要求。直流電源濾波器的設(shè)計原則越來越多的電子控制、通訊，導(dǎo)航，監(jiān)控和顯示等各種功能的電子化裝置應(yīng)用到汽車設(shè)計中。 因此，必須考慮這些電子裝置工作時所處的電氣和電磁環(huán)境，它可能對周圍的電子設(shè)備造成 危害，同時也受到車載其他電氣設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾，可能導(dǎo)致電子裝置的功能降低、短暫 故障甚至永久損壞。這些電磁干擾往往來自于點(diǎn)火系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)及整流器系、電機(jī)以及執(zhí)行 器等供電系統(tǒng)，而且電磁干擾的頻帶很寬，且通過傳導(dǎo)、耦合或輻射的方式，傳播到車載電 子部件或系統(tǒng)中，影響其正常運(yùn)行。鑒于此，ISO 7637-2中規(guī)定了沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo) 的干擾脈沖的抗擾性失效模式、嚴(yán)重程度和測

5、量，適用于各種動力系統(tǒng)的道路車輛，例如： 火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、混合動力驅(qū)動系統(tǒng)等。為了確保用電設(shè)備正常工作，免受來自電 源線上的電瞬態(tài)傳導(dǎo)干擾脈沖，直流電源濾波器的設(shè)計成為汽車電子產(chǎn)品設(shè)計中的重點(diǎn)。 從廣義范圍上來看，電源濾波器所起的作用相當(dāng)于是一個由電感、電容組成的無源低通濾波 器，它能夠?qū)⑵嚬╇娤到y(tǒng)中的瞬態(tài)干擾信號大幅度衰減或完全濾除，并能阻止汽車用電設(shè) 備（如汽車音響等）內(nèi)部電路設(shè)計中產(chǎn)生的干擾噪聲通過電源線反串入汽車供電系統(tǒng)中，污 染其他的用電設(shè)備的電源供電環(huán)境。就直流電源濾波器的形式而言，其主要有四種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，見下圖2。圖2一般來說,&pi；形結(jié)構(gòu)可以提供低的輸入輸出阻抗，適于

6、所在電路源阻抗和負(fù)載阻抗高的場 合;T形結(jié)構(gòu)可以提供高的輸入輸出阻抗,適用于電源源阻抗和負(fù)載阻抗低的場合；L形結(jié)構(gòu) 可以提供高輸入阻抗和低輸出阻抗（或者相反），適于所在電路低源阻抗和高負(fù)載阻抗（或者相 反）場合。不管選用哪一種形式的濾波網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，都要注意以下設(shè)計原則：1）雙向濾波功能：供電系統(tǒng)對汽車音響提供電流、電源濾波器對來自供電系統(tǒng)的瞬態(tài)脈沖起 到濾波作用，同時，汽車音響內(nèi)部的各種高頻脈沖信號或數(shù)字信號因為電源濾波器的存在， 對汽車供電系統(tǒng)的傳導(dǎo)發(fā)射干擾程度大大降低。2）能有效地抑制差模干擾和共模干擾:在汽車音響直流電源設(shè)計中要重點(diǎn)考慮差模干擾的抑 制性能。3）最大程度地滿足阻抗失配設(shè)計原

7、則。對于瞬態(tài)干擾信號，插入損耗要盡可能增大，即盡可能增大信號的反射。根據(jù)信號傳輸理論， 當(dāng)電源的輸出阻抗ZO濾波器的輸人阻抗ZI時，在電源濾波器的輸入端口就會發(fā)生反射， 反射系數(shù) p=（ZO-ZI）/（ZO+ZI）0顯然，ZO與ZI相差越大，p便越大，端口產(chǎn)生的反射越大，瞬態(tài)干擾信號就越難通過。所 以，直流電源濾波器輸入端口應(yīng)與汽車供電系統(tǒng)的輸出端口處于失配狀態(tài)，使瞬態(tài)干擾信號 產(chǎn)生反射，有效抑制瞬態(tài)干擾信號進(jìn)入汽車音響電路。同理，濾波器輸出端口應(yīng)與負(fù)載處于 失配狀態(tài)，使汽車音響內(nèi)部產(chǎn)生的CE輻射信號產(chǎn)生反射，降低對外圍用電設(shè)備的干擾。因 此，電源濾波器的設(shè)計應(yīng)遵循下列原則：a）源內(nèi)阻是高阻的

8、，則濾波器輸人阻抗就應(yīng)該是低阻的，反之亦然。b）負(fù)載是高阻的，則 濾波器輸出阻抗就應(yīng)該是低阻的，反之亦然。根據(jù)ISO 16750-2和ISO 7637-2中對連續(xù)電源的內(nèi)阻Ri的要求（見表1 ）：其應(yīng)小于直流 0.01。對于低于400Hz的頻率而言，連續(xù)電源內(nèi)部阻抗應(yīng)為Zi=Ri，對于不同的瞬 態(tài)脈沖，Ri是不同的，參見下表中12V和24V供電系統(tǒng)的Ri。輸出電壓在0負(fù)載到 最大負(fù)載（包括竄入電流）之間的變化不應(yīng)超過1V，它應(yīng)在100us的時間內(nèi)恢復(fù)其最大幅度 的63%o疊加脈動電壓Ur的峰值間應(yīng)不超過0.2V，最低頻率應(yīng)為400Hzo對于供電系統(tǒng)中的瞬態(tài)干擾信號，電感是高阻的，電容是低阻的，

9、所以，電源濾波器與源或 負(fù)載的端接應(yīng)遵循下列原則：a）如果電源內(nèi)阻或負(fù)載是阻性或感性的，與之端接的濾波器接口就應(yīng)該是容性的。b）如果 電源內(nèi)阻或負(fù)載是容性的，與之端接的濾波器接口就應(yīng)該是感性的。汽車音響直流電源濾波器的設(shè)計通過采用阻抗失配原則選定了電源濾波器的結(jié)構(gòu)，基本上已經(jīng)決定了電源濾波器的效率。濾 波網(wǎng)絡(luò)兩端的阻抗差異越大，濾波器的效率越高，濾波效果也就越好。此外，濾波器的插入 損耗，即插入電源噪聲濾波器后噪聲干擾的衰減程度，這也是在實際設(shè)計和使用電源噪聲濾 波器中最需要考慮的因素之一。一般可以用電壓幅值的比值來計算表示插入損耗，其值越大， 表示濾波器抑制噪聲干擾的能力越強(qiáng)。圖3就汽車音響

10、獨(dú)立個體而言，汽車音響直流電源濾波器為差模噪音信號濾波器，采用濾波扼流 圈和濾波電容組成的差模干擾濾除回路。由于差模電容的作用，差模干擾電流將通過電容流 回電源線而不流入汽車音響中。但從系統(tǒng)而言，電源導(dǎo)線、汽車音響和地平面（汽車底盤） 構(gòu)成了共模噪音信號返回路徑，：為了降低系統(tǒng)的傳導(dǎo)發(fā)射性能，要求汽車音響的外殼要有一 個良好的接地位置，降低共模電流或消除共模電流的存在。在CISPR25的6.1.2中規(guī)定，如 果EUT的電源返回路徑超過200mm，就將作為遠(yuǎn)端接地處理，如果EUT的電源返回路徑小于 等于200mm，就作為近端接地，可以忽略共模電流的影響，降低共模電流引發(fā)的傳導(dǎo)發(fā)射危 害性，這就是

11、為什么在汽車音響設(shè)計中盡可能的確保外殼與整車的底盤有良好的搭接。見下 圖4是汽車音響電路中常見的直流電源濾波器電路圖。圖4差模電容使用的類型是陶瓷電容，考慮到其實際電壓值是額定交流電壓和電磁干擾峰值電壓 的疊加值，因此要求差模電容要有足夠高的耐壓值，一般不低于50VDC。電容容量值可按照 所抑制的噪聲電壓頻率下限值來確定，其值越大，濾波器的插入損耗也就越大。差模扼流圈通常使用金屬粉壓磁芯(Iron Power Core)，因為其初始磁導(dǎo)率受頻率影響小， 高頻工作下?lián)p耗大，直流重疊特性好，大電流應(yīng)用時電感量也不會大幅度下降，且適用頻率 范圍較低。依流過電感的電流值不同，設(shè)計中的電感值可以取為幾m

12、H幾十uH。下圖為三種不同的磁芯，其電感量隨電流的變化的曲線。從圖5中可以看出：在設(shè)計汽車音 響直流電源濾波器時，要根據(jù)工作電流的范圍來選擇合適的扼流圈。當(dāng)汽車音響的正常工作 電流大于3A時，若選擇圖中POT磁芯的扼流圈，電感量急劇降低，根本起不到濾波器的效 果。圖5針對汽車供電系統(tǒng)中的瞬態(tài)脈沖噪音，一般集中在音頻范圍內(nèi)(20Hz至20KHz)，因此，在 產(chǎn)品設(shè)計和PCB Layout中如何抑制音頻噪音干擾(AFI = Audio Frequency Interference) 成為汽車音響設(shè)計的一項重要性能評估指標(biāo)。理論上，電源濾波器的電感和電容的參數(shù)選的越 大，濾波效果越好。但在實際應(yīng)用中

13、，容量大的電容一般寄生電感也大，自諧振頻率低，對 高頻噪聲的去耦效果差，而電感值越大電感的體積也越大，所以在設(shè)計時應(yīng)權(quán)衡各種因素的 影響，確定合適的參數(shù)。在實際產(chǎn)品設(shè)計中，除了考慮來自汽車供電系統(tǒng)瞬態(tài)噪音的抑制， 還要考慮高電壓(Over Voltage)、大電流(Over Current)，反向電壓(Reverse Voltage)等 各種使用條件的分析和保護(hù)電路的設(shè)計。Over Voltage 和 Over Current 設(shè)計的考慮在汽車音響電源濾波器設(shè)計時，不僅要考慮各種不同汽車電氣系統(tǒng)瞬態(tài)噪音或脈沖的抑制作 用，同時，還要加強(qiáng)Over Voltage、Over Current和Rev

14、erse Voltage等使用情況的發(fā)生。 在 GMW3172 Feb.2007 : 5.2.4、VW 801 01-2005-06 3.10 和 3.11、ISO 16750-2： 4.2 中規(guī)定了過壓(Over Voltage )測試的內(nèi)容，在 GMW3172 Feb.2007 : 5.2.7、VW 801 01-2005-06： 3.12 和 ISO 16750-2： 4.3 中規(guī)定了 Superimposed Alternating Voltage的測 試要求。由于普通電源噪聲濾波器對浪涌電壓的抑制能力較差，特別是當(dāng)浪涌電壓上升緩慢 且寬度較大時，容易出現(xiàn)阻抗不匹配，使電感線圈達(dá)到磁飽

15、和，所以在電源噪聲濾波器輸入 端通常增加了一個壓敏電阻或半導(dǎo)體浪涌電壓抑制管抑制浪涌電壓，保護(hù)汽車音響內(nèi)部電路 的正常運(yùn)行。下面，針對12V汽車供電系統(tǒng)的電源濾波器電路進(jìn)行參數(shù)確定，見圖6。圖6 針對該電源濾波器，在Saber中進(jìn)行濾波效果仿真，見下圖7：以此為依據(jù)，進(jìn)行其他參數(shù) 設(shè)計分析。圖7C9電容的取值在允許的情況下，該電容的容量要求越大越好，其值很難確切地估算出來。一般情況下，要 求取值在l5003300uf之間。電容的耐壓值必須經(jīng)過雷擊浪涌后取值，有殘壓，其瞬時值 一般在50V/s時不損壞，按二級降額的原則選取，取值在25 V，頻率特性與電容的取值有 關(guān)。電容容值越大，低頻濾波特性越

16、好；電解電容的ESR越小，低頻阻抗越低。仿真結(jié)果見 圖8a和8b。圖8C1 - C8電容的取值在允許的情況下，電容容量的覆蓋范圍越廣越好，這樣，對于高頻的瞬態(tài)干擾脈沖噪音就能 夠很好的抑制。一般情況下，要求取值在20pf0.1uf范圍。電容耐壓值必須能夠承受雷擊 浪涌后取值，有殘壓，其瞬時值一般在100V/S時不損壞，按二級降額的原則選取，取值50 V，頻率特性與電容的取值有關(guān)，電容值越小，高頻特性越好。圖9為3種電容實際阻抗隨 頻率(100KHz到500MHz)變換的特征曲線。圖10為電容理想模型阻抗隨頻率的關(guān)系曲線。因 此，C1C9電容一般都是通過電容并聯(lián)來滿足瞬態(tài)干擾脈沖噪音全頻范圍內(nèi)的

17、抑制作用。仿 真結(jié)果見圖11a和11b。圖9圖10 圖11c）電感的取值電感性能的好壞取決于磁芯材料特性，應(yīng)考慮以下幾個方面：第一，磁芯材料的頻率范圍要寬，要保證最高頻率在100MHz，即在很寬的頻率范圍內(nèi)有比較 穩(wěn)定的磁導(dǎo)率。第二，磁導(dǎo)率高，但是在實際中很難滿足這一要求，所以，磁導(dǎo)率往往是分段考慮的。磁芯 材料一般是鐵氧體。第三，電感量的估算考慮阻抗隨頻率變換的特征曲線。共模扼流圈取值1.5 5mH，差模扼流圈取值為40-100UH;圖12為理想電感阻抗隨頻率變換的曲線。圖12d）壓敏電阻的確定壓敏電阻是電壓敏感器件，當(dāng)加大壓敏電阻兩端的電壓低于額定電壓時，它的阻抗幾乎是無 窮大，而超過額定

18、值后，電阻值急劇下降，反應(yīng)時間為納秒級。壓敏電阻是根據(jù)工作電壓來 選擇標(biāo)稱電壓值，一般可按使用電壓的1.8 2.0倍關(guān)系來確定標(biāo)稱電壓。比如：汽 車音響正常電源電壓范圍在9V至16V，則壓敏電阻的標(biāo)稱電壓為2x16V=32V。e）TVS參數(shù)的確定，在后面進(jìn)行介紹。瞬態(tài)傳導(dǎo)干擾的設(shè)計考慮在ISO 7637 2:2004、GMW3100-08.2001:3.2.1.3等標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)的 干擾脈沖的抗擾性失效模式、嚴(yán)重程度和測量，提供了5種典型脈沖波形，雖然沒有涵蓋所 有可能出現(xiàn)在車輛上的各種瞬態(tài)脈沖，但適用于各種動力系統(tǒng)的道路車輛，例如：火花點(diǎn)火 發(fā)動機(jī)、壓燃式發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、混

19、合動力驅(qū)動系統(tǒng)。針對這5種典型的瞬態(tài)傳導(dǎo)脈沖，在 Saber仿真環(huán)境中進(jìn)行該電源濾波器電路（圖13）的仿真如下：圖131）脈沖1是模擬電源與感性負(fù)載斷開連接時所產(chǎn)生的瞬態(tài)現(xiàn)象。它影響與感性負(fù)載并聯(lián)的 用電裝置，適用于各種DUT與感性負(fù)載保持直接并聯(lián)的情況。仿真結(jié)果見圖14。圖142）脈沖2a模擬由于線束電感的原因，使與DUT并聯(lián)的裝置內(nèi)電流突然中斷引起的瞬態(tài)現(xiàn)象； 脈沖2b模擬直流電機(jī)充當(dāng)發(fā)電機(jī)，在點(diǎn)火開關(guān)斷開時的瞬態(tài)現(xiàn)象。仿真結(jié)果見圖15a和15b。 圖15a圖15b3）試驗脈沖3模擬由開關(guān)過程引起的瞬態(tài)現(xiàn)象，這些脈沖的特性受線束的分布電容和分布 電感的影響。仿真結(jié)果見圖16a和16b。圖1

20、6a圖16b4）試驗脈沖4模擬內(nèi)燃機(jī)的起動電機(jī)電路通電時產(chǎn)生的供電系統(tǒng)電源電壓的降低，不包括 起動時的尖峰電壓。仿真結(jié)果見圖17。圖175）試驗脈沖5是模擬拋負(fù)載瞬態(tài)現(xiàn)象，即模擬在斷開電池（虧電狀態(tài)）的同時，交流發(fā)電 機(jī)正在產(chǎn)生充電電流，而發(fā)電機(jī)電路上仍有其它負(fù)載時產(chǎn)生的瞬態(tài)，拋負(fù)載的幅度取決于斷 開電池連接時，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)的勵磁場強(qiáng)的大小，拋負(fù)載脈沖寬度主要取決于勵磁 電路的時間常數(shù)和脈沖幅度。產(chǎn)生拋負(fù)載的可能原因是電纜腐蝕、接觸不良或發(fā)動機(jī)正在運(yùn) 轉(zhuǎn)時，有意斷開與電池的連接。大多數(shù)新型交流發(fā)電機(jī)內(nèi)部，由于增加限幅二極管而抑制了 拋負(fù)載幅度。具有非集中拋負(fù)載抑制的交流發(fā)電機(jī)的脈沖波形

21、（脈沖5a）及仿真結(jié)果見圖18a, 具有集中拋負(fù)載抑制的交流發(fā)電機(jī)的脈沖波形（脈沖5b）及仿真結(jié)果見圖18b。圖18a圖18b在汽車音響產(chǎn)品設(shè)計滿足Over Voltage、反向電壓測試和進(jìn)行Pulse 5拋負(fù)載瞬態(tài)脈沖設(shè)計 考慮中，TVS二極管在整個電源濾波器中扮演著重要角色，如何選擇適合的TVS （硅瞬態(tài)電 壓吸收二極管Silicon Transient Voltage Suppressor）是設(shè)計的關(guān)鍵。下面，針對TVS二 極管進(jìn)行簡單介紹，建立TVS在Pulse 5雙指數(shù)脈沖波形能量累積的MathCAD模型并進(jìn)行仿 真分析。TVS二極管是十分有效的瞬態(tài)干擾抑制器件，當(dāng)其兩極受到反向瞬態(tài)

22、高能量沖擊時，它能以 10 12ns量級的速度，將兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率， 使兩極間的電壓箝位于一個預(yù)定值（一般小于2倍額定工作電壓），有效地保護(hù)電子電路中 的精密元器件免受各種浪涌脈沖的破壞。TVS對浪涌功率和浪涌電流的吸收能力取決于PN結(jié)的面積，峰值脈沖功率（Pp）的吸收能 力可以達(dá)到數(shù)千瓦。早期的器件用10/1000us波形來考核，現(xiàn)在通常采用8/20us的波形進(jìn) 行定義。TVS的吸收峰值脈沖功率（Pp）是由TVS上的箝位電壓和流過TVS的沖擊電流的峰 值乘積來確定的。要注意的是：TVS的最大箝位電壓與TVS的擊穿電壓（轉(zhuǎn)折電壓）不是一 回事，最大箝位電壓大約

23、是擊穿電壓的1.4 1.5倍，這也表明TVS有一定的動態(tài)電 阻。實際的TVS瞬變干擾限定電壓可以用下式表達(dá)：Uo = （IP/IPP）（UCMAX UBR） + UBR式中：IP是實際的脈沖電流值IPP是額定的最大脈沖電流UCMAX是產(chǎn)品規(guī)定的最大箝位電 壓UBR是擊穿電壓圖19至圖22為TPSMC36A TVS的技術(shù)指標(biāo)，了解每個波形的含義，有助于進(jìn)行TVS的 MathCAD模型仿真分析。在ISO7637-2： 2004附錄E （脈沖發(fā)生器能量容量的確定）中，介紹了計算由脈沖發(fā)生器傳 遞到匹配電阻（電阻性負(fù)載RL）上的脈沖能量的數(shù)學(xué)模型，如下圖23：圖E.2 由瞬態(tài)發(fā)生器產(chǎn)生的雙指數(shù)脈沖波形

24、圖23上式中：UO 開路輸出電壓Ri 脈沖發(fā)生器的電源內(nèi)阻RL 脈沖發(fā)生器的負(fù)載電阻Td 0.1Us至0.1Us的脈沖寬度I （t） 電流波形函數(shù) U （t） 電壓波形函數(shù) We 單脈沖的能量容量基于上述雙指數(shù)脈沖波形能量計算數(shù)學(xué)模型，在MathCAD中進(jìn)行仿真，可以得到TVSTPSMC36A 拋負(fù)載測試（Pulse 5）的浪涌功率吸收的仿真結(jié)果，見圖24。它能滿足GMW3100中Pulse 5B （Vs + Vr = 46V）的設(shè)計要求，但達(dá)不到 ISO7637-2 中 Pulse 5A （Vs + Vr = 100V）的設(shè) 計要求。圖24如果產(chǎn)品設(shè)計要求一定通過Pulse5脈沖，可以更換大功率的TVS二極管或者將兩個或多個 TVS串/并聯(lián)起來解決高電壓