汽車音響直流電源濾波器的設(shè)計

1.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、蓄電池、電線束、開關(guān)及繼電器等，具有低壓和直流的特點。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、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)電機和蓄電池。其具有單線制供電特點，即：所有用電設(shè)備均并聯(lián)。蓄電池和發(fā)電機的電源正極和各用電設(shè)備只用一根導(dǎo)線相連，而電源的負極搭接到汽車底盤上，俗稱負極搭鐵，利用發(fā)動機體、汽車車架和車身等金屬機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)動機點火系和起動系統(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)電機其本質(zhì)是一臺三相同步交流發(fā)電機，通過硅二極管整流后提供直流充電電流。

發(fā)電機是由汽車發(fā)動機拖動而工作的，在汽車正常運行時，發(fā)電機在汽車上是主要的供電電源，供給全車除起動機外的一切電氣設(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，當發(fā)動機處于起動或低速運轉(zhuǎn)時，發(fā)電機不能發(fā)電或發(fā)出的電壓很低，此時點火系及其它用電設(shè)備所需的電能則完全由蓄電池供給。同時，當用電設(shè)備所需的功率超過發(fā)電機所輸出的功率時，蓄電池與發(fā)電機共同向用電設(shè)備供電。

在發(fā)電機供電的情況下，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)備基本技術(shù)條件及其專門技術(shù)條件的要求。

2.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火系統(tǒng)、發(fā)電機及整流器系、電機以及執(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、嚴重程度和測量，適用于各種動力系統(tǒng)的道路車輛，例如：火花點火發(fā)動機、電動機、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。

從廣義范圍上來看，電源濾波器所起的作用相當于是一個由電感、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,π 形結(jié)構(gòu)可以提供低的輸入輸出阻抗,適于所在電路源阻抗和負載阻抗高的場合;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)。

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)干擾信號進入汽車音響電路。同理，濾波器輸出端口應(yīng)與負載處于失配狀態(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，則濾波器輸人阻抗就應(yīng)該是低阻的，反之亦然。

b) 負載是高阻的，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0.01Ω。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0Ω負載到最大負載(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%。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400Hz。

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，所以，電源濾波器與源或負載的端接應(yīng)遵循下列原則：

a) 如果電源內(nèi)阻或負載是阻性或感性的，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)阻或負載是容性的，與之端接的濾波器接口就應(yīng)該是感性的。

3.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。

圖3

就汽車音響?yīng)毩€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，如圖3 所示：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mH～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。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，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電路的設(shè)計。

4.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Over Voltage、Over Current和Reverse 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，使電感線圈達到磁飽和，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，保護汽車音響內(nèi)部電路的正常運行。下面，針對12V汽車供電系統(tǒng)的電源濾波器電路進行參數(shù)確定，見圖6。

圖6

針對該電源濾波器，在Saber 中進行濾波效果仿真，見下圖7：以此為依據(jù)，進行其他參數(shù)設(shè)計分析。

圖7

a) C9 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l500-3300uf 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8

b)C1 - 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20pf-0.1uf 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，C1-C9 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)的抑制作用。仿真結(jié)果見圖11a 和11b。

圖9

圖10

圖11

c) 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12

d)壓敏電阻的確定

壓敏電阻是電壓敏感器件，當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，則壓敏電阻的標稱電壓為 2x16V=32V。

e) TVS 參數(shù)的確定，在后面進行介紹。