王中 赵文晖 周海贝 / 上海市计量测试技术研究院；上海市在线检测与控制技术重点实验室

0 引言

随着车辆智能化网联化程度的逐渐提高，以太网广泛应用于机动车，而来自车辆内部或外部的高速脉冲对其的影响也越来越明显[1-3]。以太网线作为信号线，其抗扰度需要满足ISO 7637—3:2016 或GB/T 21437.3—2021 的相关要求。GB/T 21437.3—2021 中定义了针对信号线试验的脉冲3a 和3b，试验中200 V 的脉冲会明显影响以太网通信，对辅助设备性能具有明显的影响，甚至损坏辅助设备[4-5]。GB/T 21437.3—2021 中定义了采用直接容性耦合（direct capacitive coupling，DCC）注入和容性耦合钳（capacitive coupling clamp，CCC）注入两种方式使高速脉冲电压注入信号线进行试验的方法。在实际试验中，为了对产品性能进行更准确的判定，需要在被测样品的以太网线和辅助设备之间引入脉冲抑制电路。

近年来，研究人员针对脉冲抑制电路的设计也开展了一系列研究[6-8]。在脉冲抑制电路的设计中通常采用瞬态电压抑制二极管（transient voltage suppressor, TVS）、电感器、电容器等元器件。在实现脉冲抑制功能的同时，脉冲抑制电路插入系统后可能会引起通信性能或效率的下降。因此，设计方案为在保证通信性能不出现明显下降的条件下实现有效的脉冲抑制功能，这对于车载智能网联终端的性能评价是非常重要的。

1 脉冲电压抑制电路

脉冲电压抑制电路主要实现3 项功能：一、防止直接注入或间接耦合注入的脉冲电压导致被保护电路的直接损坏；二、防止直接注入或间接耦合注入的脉冲电压扰乱电路的通信；三、保持阻抗匹配，减小脉冲电压抑制电路对于系统通信性能的影响。对应的技术要求在外部脉冲电压出现时，能够快速启动，将脉冲电压进行钳位，从而将脉冲电压和电流引入参考地，同时对残压进行滤波。对于GB/T 21437.3—2021 定义的脉冲波形，拟研制的脉冲抑制电路的主要作用在于抑制脉冲电压(包括直接注入和电容耦合注入的脉冲电压)，将残压抑制在较低水平。

图1 所示为瞬态脉冲电压保护电路功能示意图。P1 为干扰脉冲。Z1 主要实现瞬态限流单元，可以包含电感器或铁氧体磁珠等，也可包含熔丝或断路器等过流保护电路；Z2 为瞬态电压保护单元，执行保护动作时，由高阻快速切换为低阻状态，通常为双端TVS 管、气体放电管等元件或电路，在瞬态脉冲防护中通常使用双端TVS 管；Z3 为被保护电路。Z1和Z2 组成保护电路，在瞬态高压出现后保护Z3 电路。此外，合理的PCB（印制电路板）分层、布线、接地以及安装也是有效改善瞬态脉冲抑制效果的重要途径。

图1 瞬态脉冲电压保护电路功能

脉冲抑制电路主要包括脉冲电压钳位电路和滤波电路两部分。利用瞬态电压抑制二极管快速响应和电压钳位功能进行脉冲抑制，采用以太网网口变压器和差模电感器等组成的滤波电路对脉冲抑制效果进行优化。此外，还需要优化PCB 印制线、覆铜方案等，以减小PCB 印制线之间的电容耦合和电感耦合。

2 脉冲抑制电路的设计方案

根据脉冲电路的设计原则和试验验证结果，研制了一款脉冲抑制电路。图2 所示为一种百兆以太网端口瞬态脉冲抑制电路原理图。设计方案包含以太网屏蔽接口RJ1 和RJ2，RJ1 为干扰源输入端，RJ2 为被保护设备端口；两个TVS 脉冲抑制单元D1和D2 主要实现对来自RJ1 端的瞬态脉冲抑制，应用于端口Pin1、Pin2、Pin3 和Pin6；1 个以太网网口隔离变压器T1, 防止脉冲抑制后的残压和PCB 印制线耦合的电压；4 个电感器L1～L4，用于减小差模耦合电压；两组成对线之间的2 个双向低等级的TVS脉冲抑制单元D3 和D4，对参考地耦合至成对线的低幅值的差模电压进行抑制。C1 和C2 为1 nF，C3和C4 为10 nF，L1～L4 为15 nH，R1 和R2 为75 Ω，T1 为以太网网口变压器。

图2 电路原理

3 脉冲抑制结果验证

采用GB/T 21437.3—2021 中的DCC 注入和CCC注入两种方案进行脉冲抑制结果的验证。试验波形采用GB/T 21437.3—2021 定义的脉冲3a 和3b，如图3 所示，施加脉冲电压幅值为200 V，偏差小于10%。

图3 初始脉冲3a 和3b 电压波形

3.1 DCC 结果验证

采用图4 所示的验证实施方案，发生器和脉冲抑制电路之间连接100 pF 电容器。发生器输出幅值设置为200 V。在脉冲抑制电路的脉冲电压钳位电路后端和滤波电路后端使用示波器两个通道同时进行电压采集。采集结果如图5 所示。图5（A）为脉冲3a 抑制的结果，图5（B）为脉冲3b 抑制的结果。图中上方曲线为脉冲电压钳位电路后端采集的结果；下方曲线为滤波电路后端采集的结果，即整个脉冲抑制电路进行脉冲抑制后的残压。如图5（A）所示，-200 V 的脉冲电压经脉冲电压钳位电路后降低至-51.3 V，再经过滤波电路后降至-8.5 V。如图5（B）所示，+200 V 的脉冲电压经脉冲电压钳位电路后降低至+46.0 V，再经过滤波电路后降至+6.1 V。由此可见，脉冲抑制效果非常明显，脉冲抑制电路的抑制度大于27 dB。

图4 DCC 注入方案

图5 DCC 注入脉冲电压抑制波形

3.2 CCC 结果验证

采用图6 所示的验证实施方案，由于标准容性耦合钳端接了50 Ω 衰减器，发生器输出幅值设置为400 V，实际输出至耦合钳的电压为200 V。同本文3.1 所述，在脉冲抑制电路的脉冲电压钳位电路后端和滤波电路后端使用示波器同时进行电压采集。采集结果如图7 所示。图7（A）为脉冲3a 抑制的结果，图7（B）为脉冲3b 抑制的结果。图中上方曲线为脉冲电压钳位电路后端采集的结果，下方曲线为滤波电路后端采集的结果，也就是整个脉冲抑制电路进行脉冲抑制后的残压。如图7（A）所示，-200 V 的脉冲电压经脉冲电压钳位电路后降低至-81.0 V，再经过滤波电路后降至-10.8 V。如图7（B）所示，+200 V 的脉冲电压经脉冲电压钳位电路后降低至79.0 V，再经过滤波电路后降至5.1 V。由此可见，脉冲抑制效果非常明显，脉冲抑制电路的抑制度大于25 dB。

图6 CCC 注入方案

图7 CCC 注入脉冲电压抑制波形

4 通信性能验证

按照图8 所示方案对脉冲抑制模块通信性能的影响进行验证，使用计算机的网络端口与路由器端口进行通信校验，分别统计通信延时和数据丢包。采用图8 的验证方案分别在计算机直连路由器和计算机经脉冲抑制电路后再连接路由器两种条件下进行验证。通信次数大于2 400 次，通信结束后统计通信延时和数据丢包，如表1 所示。从表1 中可知计算机直连路由器和计算机经脉冲抑制模块后连接路由器的结果没有明显差异，延时的最大值均为3 ms，最小值和平均值均为0，即脉冲抑制模块接入后没有发生明显的延时。两种条件下的丢包数为0，丢包率均为0%，说明脉冲抑制模块插入后没有引起明显的数据丢包。

表1 脉冲抑制电路通信性能统计表

图8 通信性能验证方案

5 结语

根据本研究所述的脉冲抑制电路设计原则，针对GB/T 21437.3—2021 定义的脉冲3a 和3b，研制了一款脉冲抑制电路。DCC 注入幅值为200 V 的脉冲3a和3b 波形的脉冲经研制的脉冲抑制电路后，残压最大值为8.5 V，抑制度达到27 dB；CCC 注入幅值为200 V 的脉冲3a 和3b 波形的脉冲经研制的脉冲抑制电路后，残压最大值为10.8 V，抑制度达到25 dB。脉冲抑制电路插入通信系统内部，没有引起通信性能的明显变化，且丢包数为0，丢包率亦为0%。即本研究中研制的脉冲抑制电路在实现有效的脉冲抑制功能的同时，没有对系统内以太网通信产生明显影响。通过本研究为涉及车载智能网联终端产品的性能准确判定提供一些理论和技术支撑。