许冀阳 文昊

摘 要： 汽车电子化、智能化程度不断提高，汽车电磁兼容已成为重要研究课题。发动机ECU电源系统的抗干扰设计对发动机正常稳定工作起着重要作用。本文通过对汽车内部微机控制点火系统、供电系统以及电磁阀、继电器开关等主要干扰源产生的电磁干扰进行了分析，并从辐射干扰和耦合干扰两个方面，依据国家标准GB/T 21437.2—2008的电源线瞬态抗扰度要求，对ECU内主微控制器QADC部分和电源管理芯片L9741的电源系统进行了抗干扰设计，最后进行了电源线抗扰度测试实验研究。

关键词： 电磁兼容; 电源系统; ECU; 抗干扰设计

中图分类号： TG 409

文献标志码： A

Design of Electromagnetic Compatibility for Power System in Engine ECU

XU Jiyang1， WEN Hao2

（1.School of Automotive Engineering， Shanxi Polytechnic Institute， Xianyan， Shanxi 712000， China;

2.Shanxi Academy of Metrology， Xian， Shanxi 710065， China）

Abstract：

The level of automotive electronics and intelligence continues to increase， and automotive electromagnetic compatibility has become an important research topic. The anti-interference design of the engine ECUs power system plays an important role in the normal and stable operation of the engine. This article analyzed the electromagnetic interference generated by the main interference sources such as the computer-controlled ignition system， solenoid valves and relay switches. According to the transient immunity requirements of the national standard GB/T 21437.2-2008 for power lines， in terms of radiated interference and coupled interference， the anti-interference design of the QADC part of the main microcontroller and the power supply system of the power management chip L9741 in the ECU were implemented，Finally， an experimental study on power line immunity test was conducted.

Key words：

electromagnetic compatibility; power system; ECU; anti-jamming design

0 引言

隨着智能技术、网络技术以及电子技术的不断创新，汽车的智能化水平也在不断提高，各种电子控制系统和电子电器设备更加集中的应用在现代汽车上。汽车上的电子零部件成本不断提升，据不完全统计，中高端轿车电子成本已占整车成本可达30%-40%左右，混合动力汽车和纯电动汽车所占比例更高[1]。各种智能化电子产品更加密集的布局在现代汽车的有限空间内，错综复杂的线路连接网络形成了复杂的电磁环境[2]。

发动机电子控制系统ECU在复杂的电磁环境中，对外形成的干扰非常微弱，但容易受到周围其他电磁波的干扰。发动机ECU通过81端口插接件与各种传感器、执行器、电源以及相关线束进行相连接，与外界进行信息交换和通讯，同时也接受外界送来的电磁干扰。ECU由蓄电池或发电机进行供电，电源系统以及电压调节器在工作时都会产生传导和辐射电磁干扰，并通过电源线耦合进入ECU内部。电子高压点火系统初级线圈和次级线圈工作时，瞬间会产生高电压，通过端口线路进行传导干扰，骚扰脉冲形成辐射干扰[3]。同时，ECU端口外连接线路上的容性和感性负载的断开、闭合产生的瞬变电压和瞬变电流，各种无线通讯设备和静电放电，也会通过电源线耦合进入ECU，干扰发动机电子控制系统的正常工作。因此，为了提高发动机ECU的电磁兼容性能以及其工作的稳定性，必须对其输入电源输入电路进行电磁兼容研究[4]。

国标GB/T 21437.2—2008《道路车辆 由传导和耦合引起的电骚扰 第2部分：沿电源线的电瞬态传导》规定了装配在12 V或24 V供电电源系统的轿车或商用车的电子电器产品电源线瞬态电磁发射测试和抗扰度测试方法与内容[5]。本文依据此标准对进入ECU的QADC电源以及L9741电源管理芯片的持续电源与非持续电源进行了滤波去耦设计。

1 主要干扰源

发动机ECU在复杂的电磁兼容环境中容易受到外界的干扰，尤其是汽车内部干扰源对其影响较大，例如微机控制点火系统、供电系统以及电磁阀、继电器开关等电子控制系统和电子电器组件在工作时都会产生电磁干扰，从而通过进入ECU的电源线耦合传导干扰以及辐射干扰。

1.1 点火系统电磁干扰源

高压电子点火系统是汽车上电气系统最强的电磁骚扰源[6]。当发动机火花塞点火时，初级线圈和次级线圈瞬间产生很强的高压，从而对外分别沿电气线路和周围空间产生很强的传导干扰和辐射干扰。

点火线圈、火花塞以及高压点火线是微机控制点火系统产生电磁骚扰的主要来源，如图1所示[7]。

1.2 供电系统电磁干扰源

蓄电池、发电机以及电压调节器组成汽车电子电器设备的供电系统。在车辆正常行驶中，用电设备的开启和关闭时是根据实际需要的，因此电路中负载在很大范围内变化，导致发电机输出电流因负载的变化而不断变化，从而发电机电枢绕组上产生正向或反向瞬变过电压，对外进行沿导线传导干扰和空间辐射电磁干扰。

1.3 感性负载瞬变电磁干扰源

各种电磁阀、继电器和触点开关等大量感性负载应用于现代汽车电子电器设备工作电路中，在工作电路断开瞬间会产生一种宽频谱与高能量的瞬变骚扰源。模拟感性负载开路瞬变的等效电路及其反向瞬变脉冲电压波形图[8]，如图2所示。大多数以高幅值的负脉冲接着向低幅值的正脉冲变化，脉冲峰值最高达-300 V，持续时间达300 ms。这种瞬变的脉冲夹杂着丰富的谐波，沿着电源线耦合进入ECU，从而影响电控单元工作的逻辑判断，导致误操作，甚至严重时损坏电子元器件。

电磁阀、继电器和触点开关等触点断开瞬间的火花放电也是汽车的主要干扰源[9]。断开瞬间，电流急剧下降到零，变化率很大，继电器和电磁阀中的电感线圈会产生很高幅值的瞬时电压脉冲;同时伴随有弧光放电，产生频率0.15～150 MHz的辐射骚扰，具有很强的传播距离。

1.4 电磁耦合干扰源

现代汽车采用单线制连接方式，车内大量电气设备线束通过车身多点搭铁形成回路，无任何屏蔽措施的整车较长线束与搭铁阻抗在汽车电器内容易产生磁感应耦合和电容耦合。通过两根长导线的布线进行分析研究：

假设长度为L的平行导线，两导线相距为d，则它们之间产生的互感为：

如果其中之一导线的噪声电压为UN，噪声电流为IN，频率为fN，则导线间的电磁耦合电压为：

两导线间电容耦合电压为：

式中，C12为两导线间的分布电容，ω为电压UN的角频率，Zi为另一个导线对地等效阻抗。

由于多点搭铁形成共同的阻抗通道，当一条导线上的电流通过共阻抗通道时，也会在另一条导线上产生共阻抗耦合干扰[10]。该电磁干扰可产生持续时间达300 ms，幅值超过200 V 以上的电压，严重影响部分电子设备的正常稳定工作。

2 滤波设计

通过前面的论述可知，汽车内部干扰源产生的电磁干扰和瞬态干扰通过电源线把传导干扰和辐射干扰耦合进入汽车电子控制单元ECU内部。所以进入ECU的电源线有必要进行滤波去耦设计，通过将滤波去耦电容布置在电源线和地之间，

有效抑制供电系统的高频骚扰信号和噪声，旁通过滤数字开关高速切换时产生的瞬态骚扰电压，将直流或低频电源功率毫无衰减的传送进入ECU。

2.1 ECU内部主微控制器QADC电源的防干扰设计

ECU的主微控制器端口按照其功能不同可分为8个组成部分，其中QADC为增强型A/D转化器，需要5V模拟电压提供A/D转化基准电压。5 V电压进入主微控制器需要进行抗干扰设计，提高A/D转化精度。在对主微控制器进行滤波去耦设计，电源电压滤波采用0.1 μF和0.01 μF为滤波电容，如图3所示。

该设计为高频交流信号提供旁通电路，相差一个数量级的较大电容与较小电容组合能够更好扩大滤波波段，滤除高频干扰的，使输出电压更纯净，提供稳定精确的5 V电压。

2.2 持续电源和非持续电源进入ECU后的抗干扰设计

发动机ECU内部基础芯片L9741为集多功能稳压器、信号处理、短路热保护等多功能于一体的电源管理芯片。持续电源进入ECU后，通过VB端进入该管理芯片L9741，向主微控制器提供电源。为消除电压的低频脉动，使直流电压输出更平滑，采用了电感和电容并联组合的L型低通滤波器设计，如图4所示。

根据L型LC低通滤波器的特点，将高于截止频率的干扰信号进行过滤，使低频信号进入L9741。频率越高，电感越大，滤波效果越好。为防止瞬态高压进入ECU烧坏控制器硬件，采用高压瞬态二极管DP4与数字地相连。

非持续电源进入电控单元ECU后，经R1和R2分压后通过端口UBR进入主微控制器SPC563m6415。为防止各种电磁干扰耦合进入ECU，尤其是射频干扰、共模干扰以及差模干扰，这里选用10～100 μF和0.1～0.01 μF的电容与数字地和模拟地相连，为非持续电源的滤波电路，如图5所示。

2.3 其他电源电路的EMC设计

L9741向执行器管理芯片提供5V电压，通过1 μF、0.1 μf、0.01 μF的三个滤波电容组合接地，更好的消除低、中、高频电磁干扰和寄生耦合，如图6所示。

3 电源线抗扰度测试实验研究

根据国标GB/T 21437.2—2008《道路车辆 由传导和耦合引起的电骚扰 第2部分：沿电源线的电瞬态传导》中规定的电子装置电源线抗扰度测试方法和内容，对ECU电源线进行瞬态抗扰性台架试验。将该标准中描述的五种典型脉冲以注入方式带入控制器电源线，具体测试实验布置如图7所示。

4 总结

本文通过对汽车内部微机控制点火系统、供电系统以及电磁阀、继电器开关等主要干扰源产生电磁干扰进行了分析，从辐射干扰和耦合干扰两个方面依据国家标准GB/T 21437.2—2008的电源线瞬态抗扰度要求，对ECU内主微控制器QADC和电源管理芯片L9741的电源系统进行了抗干扰设计，最后进行了电源线抗扰度测试实验研究。

参考文献

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[10] 戴焯，周伟.汽车电系电磁干扰源[J]. 武汉汽车工业大学学报，1999（4）： 4-6.

（收稿日期： 2019.07.08）