一种车用控制器DC-DC 稳压电路及EMC 设计

曹学自， 王 涛， 曲岚峰， 宋兴鑫

（潍柴动力股份有限公司， 山东 潍坊 261000）

随着汽车电控技术的高速发展，控制器的稳定性及可靠性越来越成为关注的重点。DC-DC作为控制器的供电核心单元，负责将低压常电转为控制器的供电输入电压，同时也作为模拟电路的参考电压，影响控制器的稳定性以及车辆功能参数的采集精度，进而影响车辆的行驶安全[1]。此外，DC-DC的工作特性影响着控制器的EMC性能，产生的干扰信号不仅影响着自身控制器的功能安全，同样对车辆的其他电子设备产生干扰影响，进一步影响车辆的工作状态。因此，一个高效安全的DC-DC稳压电路对车辆的功能安全和行驶安全有着重要影响。

1 降压拓扑结构及工作原理

DC-DC变换器是一款电压转换芯片，通过自激荡电路将输入的直流电转换为不同电压等级的直流电。常见的DCDC变换器根据电压等级变换关系分为降压变换器、升压变换器、升降压变换器及降升压变换器，根据是否需要电气隔离又分为隔离型变换器和非隔离型变换器[2]。

本文选用一种非隔离型DC-DC降压变换器，将车载控制器的供电输入转换为用于控制器核心控制单元供电的5V低压电及模拟量供电模块的5V参考电压。降压型DC-DC 简易拓扑结构如图1所示。

图1 降压型DC-DC简易拓扑结构

当开关S闭合时，电感L充电，此时电感的极性为左正右负，电容C充电，得到输出电压Vout。当Vout＞5V时，S断开，此时电感L放电，极性为左负右正。由于电感极性反转的瞬间无法输出Vout电压，此时电容开始向负载电路供电，继续输出电压Vout，直到L极性反转完成时正常放电。电感放电过程中，电感电压由于负载R的消耗及电容充电逐渐降低，Vout低于5V时开关S导通，继续对L充电。开关S通过高频率的开关连续输出PWM波，最终通过电感L的充放电输出稳定的电压Vout。电感L作为此结构的储能器件，电容C可以稳定输出电压，二极管D作为续流二极管为电感L续流提供回路，R为电压输出回路负载。

2 稳压电路设计及理论计算

随着半导体技术的飞速发展，DC-DC转换器已经从单一的拓扑结构集成为高效的电压转换芯片。由于车载控制器功能的多样性使得DC-DC转换器时常处在高负荷的工作状态，因此DC-DC转换器在工作过程中易受到自身控制器的其他芯片、负载以及线束的干扰，同时高频率的“开关动作”会产生干扰信号，影响控制器的整体性能，进而影响车辆的稳定性及安全性[3-5]。因此，DC-DC转换器往往需要周边电路的配合才能高效稳定地发挥电压转换的作用。进行DC-DC电路设计时，需要综合考虑多个影响参数，例如输入电压和输出电压、输出电压纹波、电路工作电流、DC-DC最大工作电流及工作频率。输入及输出电压影响电路反馈电阻的选择。输出电压纹波关系到输出电容的选取，纹波越小越好，精度越高。DC-DC最大工作电流要结合电路工作电流来分析选型，进而影响电路电感值的选取[6]。芯片的工作频率影响着输入电容值的选取及EMC性能。

2.1 外围电路设计及重要参数理论计算

图2为稳压电路设计原理图，M为DC-DC降压芯片，车辆蓄电池电压由Vin端输入，稳压管D可以阻挡电压输入端的浪涌冲击，将电压稳定在安全值，防止DC-DC芯片经受高压冲击损失。开关S与电阻R1、R2组成防反电路，避免降压芯片受到反向电压冲击损坏。电感L与电容C1、C2组成π型滤波电路，可以过滤芯片受到的电压干扰以及降低芯片“开关动作”对外的干扰噪声。

图2 稳压电路设计原理图

电容Cin为DC-DC芯片的输入电容，是守护芯片安全的最后一道防线。由于车辆线束错综复杂，当DC-DC距离输入电源距离较远时，电源线束的电感效应会引起电压尖峰，因此需要耐压值较高的大电容进行滤波，耐压值一般选择输入电压的两倍。为了消除开关的高频噪声，电容值要满足高频滤波要求[7]。

电感Lout为DC-DC芯片的输出电感，是电压能量传输的桥梁，电感值的大小影响整个电压转换系统的工作性能，电感值太小影响电源续流，电感值太大影响电压输出的响应性，因此选取合适的电感值对系统的稳定性有重要意义。“伏秒平衡”是电感选型的重要理论依据，电感在充电和放电时，电流的变化量相等，电源导通阶段的电感电压与导通时间的乘积同电源关断阶段电感电压与关断时间的乘积相等。电感电压值的大小为：

式中：V——电感两端电压；L——电感值，为单位时间内电感电流变化量。由伏秒平衡定理得：

式中：Von、Voff——电源导通和关断时刻的电感电压；ton、toff——电源导通和关断的时间。

电源输入及输出电压分别为Vin及Vout，所以：

开关工作频率为f，开关导通占空比为D，电流的变化量为I，根据公式（1）～（4）得到电感值：

一般来说，电感电流的变化量取值范围为DC-DC输出电流最大值的20%～40%，根据电感的取值范围可以选取合适的电感值。

Cout为输出电容，电容值的大小影响着电源输出的电压纹波，因此可以根据电压纹波反推需要的输出电容值。电压变化量与输出电容C的关系式为：

要满足输出的电压纹波要求，所以需求的电压纹波值要大于电压变化量，所以输出电容Cout的值要满足：

电容的等效阻抗ESR影响输出电压纹波，因此选择的电容等效阻抗值Resr应满足：

电阻RFB1与RFB2为DC-DC的反馈电阻，影响电路输出的电压值。电阻值的选择与设计输出电压Vout和反馈电压VFB有关。P为电压跟随器，可以稳定注入到芯片的反馈电压，防止电压受到外部干扰造成精度损失，进一步提高电路工作的稳定性。Vout和VFB是芯片固有参数，电阻RFB1与RFB2的关系满足：

2.2 EMC性能设计

一个理想的电路设计不仅要满足其功能需求，同时也要符合EMC电磁兼容标准。DC-DC在正常工作时，频繁的开关动作容易产生电磁干扰噪声，并且不合理的PCB设计容易对外产生强烈的辐射信号，对外发射的干扰信号会影响其他的车辆敏感器件，影响整车稳定性。DC-DC在工作时，电压和电流在导体的传输过程中有两种形态，即共模和差模。当干扰信号通过2根导线作为往返传输路径时为差模传输；由于电路搭铁线的存在，当干扰信号通过2根导线作为去向传输，以搭铁线作为回路传输时，即为共模传输。由于导线和搭铁线间存在阻抗，所以差模与共模信号可以互相转化[8]。

DC-DC工作时会产生电流环路，当开关导通时电流流向为环路1，关断时电流流向为环路2，每一个电流回路都是一个环路天线，不仅会向外产生发射，还会干扰控制器其他电路，电流回路如图3所示。

图3 DC-DC电流环路

由于电磁感应，电流回路产生的高频磁场的场强为：

式中：E——辐射场强；λ——固定计算系数；f——开关频率；S——电流环路面积；I——电流大小；n——测试点到环路的距离。

由此可见，DC-DC对外辐射的干扰场强大小与环路面积成正相关。同样，在开关状态切换的时候，由于电感的存在，环路电流会产生突变，由于电磁感应环路的磁通量同样会产生较大的变化，容易产生较强的辐射强度，因此，在进行PCB布线时要尽可能减少环路面积，最大程度上减少差模辐射。同时，信号线及搭铁线应避免直角与尖峰，减少天线效用带来的噪声发射，搭铁线大面积铺铜，减少搭铁线回路阻抗，将干扰噪声引入搭铁线，减少共模噪声干扰[9]。

在抑制DC-DC干扰噪声的同时，需要外围器件将干扰噪声引导到搭铁线，对噪声进行合理的“疏通”，根据工作频率的大小选择合适的滤波电容布置在DC-DC电压输入端和输出端，距离尽可能接近，将干扰快速过滤到搭铁线。电容值的大小可近似为DC-DC工作频率的倒数。电源输入端的π型LC滤波电路可以大幅度抑制电源线上的传导噪声，在选取电感值时可以选取大感值的电感。

3 电路测试

为了验证设计电路的功能性和可靠性，需要进行电路硬件测试。本文设计的目标输出电压为5000mV，根据目标输出电压，测量输出电压的准确性及稳定性，同时对电路的EMC性能进行测试。

对于输出的稳定性，根据实际使用条件，一般来说测试的电源纹波满足30mV内，并且输出平均电压值误差小于2%即可。对于EMC可靠性，测试的发射噪声满足CISPR25标准限值即可。

3.1 功能性测试

在电源电路输出端连接50Ω负载，让输出负载保持恒定，根据不同的输入电压测量DC-DC输出电压的稳定性，输入供电电压值为6～36V（模拟DC-DC电源电路在实际工作条件下输入供电电压），以3V每梯度递增。为了保证测试的可靠性，选用高精度示波器进行电压纹波测量及电压平均值测量。测试DC-DC处于最严苛电压转换条件下，即转换压差最小（注入电压最小） 条件下的输出电压纹波，以及不同供电电压条件下的电压输出稳定性[10]。图4为DC-DC电路处于最低输入工作电压时电压纹波测量结果。

图4 最低输入工作电压纹波测试结果

图5为不同输入电压对应的DC-DC输出平均电压，其中横坐标为输入端电压，纵坐标为DC-DC平均输出电压，坐标系中横线为目标输出电压，圆点为输入电压对应的DCDC平均输出电压。

图5 平均输出电压

由测试结果可得，当负载恒定时，设计的DC-DC电源电路在不同的输入电压条件下依然能够保持电压转换的稳定性，在最严苛的电压转换条件下平均输出电压及测试纹波依然满足设计需求，测试纹波小于20mV，平均电压与目标输出电压5000mV相比，误差控制在20mV之内，平均电压输出精度误差为0.4%。测试结果表明，设计的稳压DC-DC电源电路在不同的工作供电电压条件下，电压转换结果满足设计需求。

保持输入电压恒定，测试不同负载时DC-DC电压输出的准确性，注入负载值为10～40Ω（模拟DC-DC电源电路在实际工作条件下的等效负载），以5Ω每梯度递增。选用高精度示波器进行电压纹波测量及电压平均值测量。选择测试输入电压为24V，测试DC-DC处于最严苛工作条件下，即测试负载最小（工作电流最大） 条件下的输出电压纹波，以及不同负载条件下的电压输出稳定性。图6为DC-DC电路处于最大测试工作电流时输出电压纹波测量结果，示波器坐标显示值为纹波电压。

图6 最大测试工作电流时电压纹波测试结果

图7为不同负载下的DC-DC输出平均电压值，通过示波器采集一段时间内的输出电压，计算出DC-DC电源的平均输出电压，其中横坐标为负载值，纵坐标为DC-DC平均输出电压，坐标系中横线为目标输出电压，圆点为相应工作负载对应的DC-DC平均输出电压。

图7 平均输出电压

由测试结果可得，当输入电压恒定时，设计的DC-DC电源电路在不同的工作负载条件下依然能够保持输出稳定性，在最严苛的工作环境下，电压输出纹波依然满足设计需求，测试纹波小于20mV。测试不同工作负载时，平均输出电压与目标输出电压5000mV相比，误差控制在15mV之内，平均电压输出精度误差为0.3%，测试结果表明设计的稳压DC-DC电源电路在不同的工作负载条件下满足设计需求。

3.2 可靠性测试

DC-DC工作时的发射噪声主要为传导发射和辐射发射。在国家标准试验暗室对设计电路的EMC可靠性进行测试，根据DC-DC的工作频率，测试的频率范围包含DC-DC的工作频率范围即可，根据标准测试150kHz～108MHz的传导发射噪声和150kHz～30MHz的辐射发射噪声。测试结果如图8～图10所示。由测试结果可得，设计的PCB发射噪声满足CISPR 25标准限值要求，并且满足CLASS 3等级。

图8 电源线传导发射噪声

图9 搭铁线传导发射噪声

图10 辐射发射噪声

4 测试结论

本次设计中，设计的DC-DC电源电路基于实际工作要求及可靠性要求，根据实际的测试结果，在不同的输入电压及工作负载条件下，均能保持输出的稳定性，测试纹波及平均输出电压符合设计要求，保证测试纹波满足在30mV之内，平均输出电压满足2%的误差精度。同时EMC性能符合设计要求，满足CISPR25测试标准，满足等级CLASS 3。本文设计的DC-DC稳压电源电路可以用于实际车载控制器当中。