汽车电子电路潜电路的无效路径剔除方法研究*

何惠英 ，李志刚 ，张菲菲 ，付兰芳

(1.河北工业大学 电气工程学院，天津300130；2.军事交通学院 基础部，天津300161)

汽车电子技术已成为汽车技术现代化的标志与趋势，其可靠性直接影响到汽车的动力性、经济性、安全性和舒适性以及尾气排放等诸多方面[1]。研究证明，汽车电子系统中的潜电路普遍存在，部分潜电路的激发可能会造成非常严重的后果[2]，特别是在行驶过程中，若无意间的操作导致潜电路激发，将有可能对行驶安全产生意想不到的危害。因此，分析并排除汽车电子电路中的潜电路成为提高汽车电子电路可靠性的重要手段，也是提高设计效率的有效途径。

潜在电路 SC（Sneak Circuit）指电气电子电路中存在的一种状态，在特定条件下，它能够导致电路系统出现非期望的功能或抑制所期望的功能，严重时还会引起系统故障[3-4]。值得注意的是，潜在电路有别于通常所说的故障，产生原因不是元件、设备或系统故障，而是设计者为了实现设计意图无意中带进设计方案的[5]。潜电路隐藏在系统正常工作状态下，仅在某种特定的条件下才会被激发。

本文在参考文献[6]所描述电力电子变换器潜电路中的无效路径剔除方法的基础上，从增加无电源回路判据、拓扑约束、回路的预期功能、元件特性约束4个方面对电子电路无效路径的剔除方法进行了完善和改进，减少了后续分析过程的工作量，提高了后续潜电路判定的准确性。并用此方法对汽车部分控制电路进行了潜电路分析，结果验证了该方法的可行性和正确性。

1 潜电路分析方法

潜电路分析方法在军事、航空、航天等方面的应用较早，也成为一套较完善的分析方法，并建立了一系列的规范。随着潜电路技术受到人们越来越多的认识和关注，其也在电力电子、汽车电子等民用工业技术中崭露头角。

因为军事工业技术的特殊性，规范的潜电路分析技术不再适用于非军事工业领域。例如，规范的潜在电路分析方法在分析的完整性方面效果显著，但在数据预处理和网络树生成方面需要投入大量的前期工作，分析周期长且分析成本高[3]。在系统规模不大且设计更改频繁的情况下实施难度大。而简化的SCA方法不需要进行网络树的生成，实施较为便捷，适用于系统规模较小和设计更改频繁的情况。

2 无效路径剔除的新方法的改进

本文分别从依据开关自身特点、拓扑约束关系、元件约束关系、开关组合中开关元件的匹配情况等方面提出了适用于一般电子电路的无效路径剔除新方法，提高了无效路径剔除方法应用的普遍适用性，同时对存在的一些待改进的缺陷有针对性地进行了如下改进。

2.1 增加无电源回路判据

若某回路中既不存在电源，也不包含可以等效为电源的元件(如电容、电感等)，则此回路可视为无效路径。

2.2 拓扑约束关系

基尔霍夫定律反映了电路的基本拓扑约束关系，根据基尔霍夫电压定律KVL(Kirchhlff′s Voltage Law)，单一元件不能形成电流路径，因此全路径中应剔除只含一个电路元件的路径。依此可推广得出以下两条结论：

(1)单一的电压源、电阻、电感和电容元件若与处于导通状态的开关器件相串联，即等同于单一元件回路，则此路径应判定为无效路径。

(2)单一开关元件或开关元件的组合形成的回路，视为无效路径。

2.3 回路的期望功能

在多个开关组成的回路中，要保证各开关的开关状态及匹配情况遵从互锁逻辑，不能有冲突，并与所期望的回路功能保持一致，从而实现所期望的电路功能。比如在各种谐振开关变换器中，要求每组全控元件中的两元件轮流导通，点空比为50%，即不能同时导通。

2.4 元件特性的约束

根据欧姆定律对元件特性的约束可推广得出，在不含电容或电感等储能元件的电阻性电路中，电流具有单向性，即只能从电源正极流向负极，否则应视为无效路径。

3 汽车电子系统中的潜电路分析

汽车电子系统部分电路原理如图1所示。

3.1 拓扑结构图

隐去图1所示电路网络的电气特性，应用图的理论将其抽象为图论的一个图，即电路的拓扑结构图，如图2所示。

图1 汽车电子系统部分电路原理图

图2 电路拓扑图

3.2 电流路径分析

根据参考文献[7]所述的基于深度优先搜索的算法得到全部电流路径如表1所示。现依据上述的无效路径剔除方法，从全部路径中剔除无效路径后得到的即是实际存在的路径，其剔除过程如下：

（1）根据无电源（或可等效为电源的元件）回路中不存在电流路径的原则，判定路径1→2→3为无效路径。

（2）根据 KVL，单一开关元件或开关元件的组合不能形成回路，则判定路径0→1→2为无效路径。

表1 各种电流路径分析结果

3.3 实际电流路径解释

预期电流路径(即根据设计要求得到的正常工作的电流路径)如图3中的虚线所示，其工作路径的意义如表2所示。

图3 正常工作电流路径分布图

表2 正常工作电流路径解释

若实际路径数目大于预期路径数目，说明实际存在设计所不需要的路径，即潜在路径，从实际路径中除去预期路径即得潜在电路路径。

潜在电流路径如图4中的虚线所示，其路径的意义如表3所示。

图4 潜在电流路径分布图

表3 潜在电流路径解释

即在紧急情况下，踩下刹车，收音机可用，这与电路设计所期望的功能相违背，即在紧急情况下，踩下刹车，收音机应不可用，因此判定其为潜在路径。此分析结果与参考文献[2]中的分析结果一致。

汽车电子系统中的潜电路普遍存在，部分潜电路的激发可能会造成非常严重的后果。本文从增加无电源回路判据、拓扑约束、回路的预期功能、元件特性约束4个方面完善并改进了无效路径剔除方法。此方法可适用于一般电子电路的潜电路分析技术，有助于发现设计中的疏忽和错误，提前更改并完善设计，减少后期变更设计所带来的人力、财力及时间上的浪费。最后应用此方法对汽车部分控制电路进行了潜电路分析，结果验证了该方法的可行性和正确性。

未来汽车电子系统开发的复杂性、安全性仍将存在，也使得汽车电子系统潜电路分析成为保障汽车品质的一种手段，这项技术将会有广阔的应用前景。

[1]鲍龙．浅析汽车电子技术发展现状与前景[D]．南京：南京交通职业技术学院，2012.

[2]张大庆，宋斌．电子系统的潜通路分析技术[J]．光电技术应用，2006，21(2)：43-46.

[3]RANKIN J P．Sneak circuit analysis[J]．Nuclear Safety，1973，14(5)：461-468．

[4]任立明．潜在电路分析技术与应用[M]．北京：国防工业出版社，2011．

[5]张志学，马皓，毛兴云．基于混杂系统模型和事件辨识的电力电子电路故障诊断[J]．中国电机工程学报，2005，25(3)：49-53．

[6]何惠英，李志刚，张菲菲，等．电力电子变换器潜电路中的无效路径剔除方法[J]．电子技术应用，2013，39(12)：72-74.

[7]梅义，丘东元.基于深度优先搜索的潜在电路计算机辅助分析法[J]．中国机电工程学报，2008，25(24)：75-81．