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汽车音响直流电源滤波器的设计.pdf

汽车音响直流电源滤波器的设计

yheast
2013-09-29 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《汽车音响直流电源滤波器的设计pdf》,可适用于高等教育领域

wwweetchinacom汽车音响直流电源滤波器的设计作者:冯奇德尔福中国技术研发中心摘要:本文通过介绍汽车直流电气系统的构成和直流滤波器的设计原则针对汽车音响电源滤波器参数的确定进行介绍尤其是对各种考虑因素(OverVoltage和ISO-中的各种脉冲模型)进行Saber和MathCAD仿真分析作为设计的参考。关键词:汽车音响、直流电源滤波器、瞬态传导干扰脉冲、阻抗失配、汽车电气系统、ISO、TVS.汽车电气系统简述近年来随着汽车功能的不断增加和系统可靠性要求的不断提高越来越多的电子控制单元(ECU)被引入到汽车设计中汽车中的电气系统变得越来越复杂已经成为汽车系统总成的核心。通常汽车的电气系统分为供电系统和用电设备两部分。供电系统是指给用电设备产生、分配和传递电能装置的总称它包括发电机、蓄电池、电线束、开关及继电器等具有低压和直流的特点。汽车用电设备是指汽车电气系统中需要电源供给的设备如:起动机、空调音响车灯ABS等等其所需的电能由两个电源供给即:发电机和蓄电池。其具有单线制供电特点即:所有用电设备均并联。蓄电池和发电机的电源正极和各用电设备只用一根导线相连而电源的负极搭接到汽车底盘上俗称负极搭铁利用发动机体、汽车车架和车身等金属机体作为一公共电流回路。下图为一汽车的电气系统概要框图(见图)。wwweetchinacom图汽车内的供电是低压电路的供压属于安全电压范围其额定电压有V、V、V三种。目前汽油车普遍采用V电源而柴油汽车则多采用V电源。汽车发动机点火系和起动系统均由蓄电池供电蓄电池为直流电源因此向蓄电池充电也必须采用直流电方式。汽车里通常采用的硅整流交流发电机其本质是一台三相同步交流发电机通过硅二极管整流后提供直流充电电流。发电机是由汽车发动机拖动而工作的在汽车正常运行时发电机在汽车上是主要的供电电源供给全车除起动机外的一切电气设备的电能并将多余的电能向蓄电池充电使蓄电池始终处于完好的荷电状态。蓄电池是供电系统的辅助电源当发动机处于起动或低速运转时发电机不能发电或发出的电压很低此时点火系及其它用电设备所需的电能则完全由蓄电池供给。同时当用电设备所需的功率超过发电机所输出的功率时蓄电池与发电机共同向用电设备供电。在发电机供电的情况下电源系统中有很高的脉冲电流随着不同用电设备的启用或关闭在各个负载中的脉冲电流也相应变化。因此对供电系统的要求是:在车辆各种使用工况条件下均能可靠地保证向用电设备供电各零部件必须符合汽车电气设备基本技术条件及其专门技术条件的要求。wwweetchinacom.直流电源滤波器的设计原则越来越多的电子控制、通讯导航监控和显示等各种功能的电子化装置应用到汽车设计中。因此必须考虑这些电子装置工作时所处的电气和电磁环境它可能对周围的电子设备造成危害同时也受到车载其他电气设备产生的电磁干扰可能导致电子装置的功能降低、短暂故障甚至永久损坏。这些电磁干扰往往来自于点火系统、发电机及整流器系、电机以及执行器等供电系统而且电磁干扰的频带很宽且通过传导、耦合或辐射的方式传播到车载电子部件或系统中影响其正常运行。鉴于此ISO-中规定了沿电源线的电瞬态传导的干扰脉冲的抗扰性失效模式、严重程度和测量适用于各种动力系统的道路车辆例如:火花点火发动机、电动机、混合动力驱动系统等。为了确保用电设备正常工作免受来自电源线上的电瞬态传导干扰脉冲直流电源滤波器的设计成为汽车电子产品设计中的重点。从广义范围上来看电源滤波器所起的作用相当于是一个由电感、电容组成的无源低通滤波器它能够将汽车供电系统中的瞬态干扰信号大幅度衰减或完全滤除并能阻止汽车用电设备(如汽车音响等)内部电路设计中产生的干扰噪声通过电源线反串入汽车供电系统中污染其他的用电设备的电源供电环境。就直流电源滤波器的形式而言其主要有四种网络结构见下图。一般来说,π形结构可以提供低的输入输出阻抗,适于所在电路源阻抗和负载阻抗高的场合T形结构可以提供高的输入输出阻抗,适用于电源源阻抗和负载阻抗低的场合L形结构可以提供高输入阻抗和低输出阻抗(或者相反),适于所在电路低源阻抗和高负载阻抗(或者相反)场合。不管选用哪一种形式的滤波网络结构都要注意以下设计原则:图)双向滤波功能:供电系统对汽车音响提供电流、电源滤波器对来自供电系统的瞬态脉冲起到滤波作用同时汽车音响内部的各种高频脉冲信号或数字信号因为电源滤波器的存在对汽车供电系统的传导发射干扰程度大大降低。)能有效地抑制差模干扰和共模干扰:在汽车音响直流电源设计中要重点考虑差模干扰的抑制性能。wwweetchinacom)最大程度地满足阻抗失配设计原则。对于瞬态干扰信号插入损耗要尽可能增大即尽可能增大信号的反射。根据信号传输理论当电源的输出阻抗ZO≠滤波器的输人阻抗ZI时在电源滤波器的输入端口就会发生反射反射系数p=(ZO-ZI)(ZO+ZI)。显然ZO与ZI相差越大p便越大端口产生的反射越大瞬态干扰信号就越难通过。所以直流电源滤波器输入端口应与汽车供电系统的输出端口处于失配状态使瞬态干扰信号产生反射有效抑制瞬态干扰信号进入汽车音响电路。同理滤波器输出端口应与负载处于失配状态使汽车音响内部产生的CE辐射信号产生反射降低对外围用电设备的干扰。因此电源滤波器的设计应遵循下列原则:a)源内阻是高阻的则滤波器输人阻抗就应该是低阻的反之亦然。b)负载是高阻的则滤波器输出阻抗就应该是低阻的反之亦然。根据ISO和ISO中对连续电源的内阻Ri的要求(见表):其应小于直流Ω。对于低于Hz的频率而言连续电源内部阻抗应为Zi=Ri对于不同的瞬态脉冲Ri是不同的,参见下表中V和V供电系统的Ri。输出电压在Ω负载到最大负载(包括窜入电流)之间的变化不应超过V它应在us的时间内恢复其最大幅度的。叠加脉动电压Ur的峰值间应不超过V最低频率应为Hz。瞬态脉冲V供电系统RiV供电系统RiPulseΩΩPulseaΩΩPulsebtoΩtoΩPulseaΩΩPulsebΩΩPulsetoΩtoΩPulseaΩtoΩΩtoΩPulsebΩtoΩΩtoΩ表对于供电系统中的瞬态干扰信号电感是高阻的电容是低阻的所以电源滤波器与源或负载的端接应遵循下列原则:a)如果电源内阻或负载是阻性或感性的与之端接的滤波器接口就应该是容性的。b)如果电源内阻或负载是容性的与之端接的滤波器接口就应该是感性的。wwweetchinacom.汽车音响直流电源滤波器的设计通过采用阻抗失配原则选定了电源滤波器的结构基本上已经决定了电源滤波器的效率。滤波网络两端的阻抗差异越大滤波器的效率越高滤波效果也就越好。此外滤波器的插入损耗即插入电源噪声滤波器后噪声干扰的衰减程度这也是在实际设计和使用电源噪声滤波器中最需要考虑的因素之一。一般可以用电压幅值的比值来计算表示插入损耗其值越大表示滤波器抑制噪声干扰的能力越强。汽车音响电源地线汽车底盘-地平面差模电流共模电流图就汽车音响独立个体而言汽车音响直流电源滤波器为差模噪音信号滤波器采用滤波扼流圈和滤波电容组成的差模干扰滤除回路。由于差模电容的作用差模干扰电流将通过电容流回电源线而不流入汽车音响中。但从系统而言电源导线、汽车音响和地平面(汽车底盘)构成了共模噪音信号返回路径如图所示:为了降低系统的传导发射性能要求汽车音响的外壳要有一个良好的接地位置降低共模电流或消除共模电流的存在。在CISPR的中规定,如果EUT的电源返回路径超过mm就将作为远端接地处理如果EUT的电源返回路径小于等于mm就作为近端接地可以忽略共模电流的影响降低共模电流引发的传导发射危害性这就是为什么在汽车音响设计中尽可能的确保外壳与整车的底盘有良好的搭接。见下图是汽车音响电路中常见的直流电源滤波器电路图。图差模电容使用的类型是陶瓷电容考虑到其实际电压值是额定交流电压和电磁干扰峰值电压的叠加值因此要求差模电容要有足够高的耐压值一般不低于VDC。电容容量值可按照所抑制的噪声电压频率下限值来确定其值越大滤波器的插入损耗也就越大。wwweetchinacom差模扼流圈通常使用金属粉压磁芯(IronPowerCore)因为其初始磁导率受频率影响小高频工作下损耗大直流重叠特性好大电流应用时电感量也不会大幅度下降且适用频率范围较低。依流过电感的电流值不同设计中的电感值可以取为几mH~几十uH。下图为三种不同的磁芯其电感量随电流的变化的曲线。从图中可以看出:在设计汽车音响直流电源滤波器时要根据工作电流的范围来选择合适的扼流圈。当汽车音响的正常工作电流大于A时若选择图中POT磁芯的扼流圈电感量急剧降低根本起不到滤波器的效果。InductanceVSCurrentCurrent(A)Inductance(uH)IronCoreNiCorePOT图针对汽车供电系统中的瞬态脉冲噪音一般集中在音频范围内(Hz至KHz)因此在产品设计和PCBLayout中如何抑制音频噪音干扰(AFI=AudioFrequencyInterference)成为汽车音响设计的一项重要性能评估指标。理论上,电源滤波器的电感和电容的参数选的越大滤波效果越好。但在实际应用中容量大的电容一般寄生电感也大自谐振频率低对高频噪声的去耦效果差而电感值越大电感的体积也越大所以在设计时应权衡各种因素的影响确定合适的参数。在实际产品设计中除了考虑来自汽车供电系统瞬态噪音的抑制还要考虑高电压(OverVoltage)、大电流(OverCurrent)反向电压(ReverseVoltage)等各种使用条件的分析和保护电路的设计。.OverVoltage和OverCurrent设计的考虑在汽车音响电源滤波器设计时不仅要考虑各种不同汽车电气系统瞬态噪音或脉冲的抑制作用同时还要加强OverVoltage、OverCurrent和ReverseVoltage等使用情况的发生。在GMW-Feb:、VW:和、ISO:中规定了过压(OverVoltage)测试的内容在GMW-Feb:、VW:和ISO:中规定了SuperimposedAlternatingVoltage的测试要求。由于普通电源噪声滤波器对浪涌电压的抑制能力较差特别是当浪涌电压上升缓慢且宽度较大时容易出现阻抗不匹配使电感线圈达到磁饱和所以在电源噪声滤波器输入端通常增加了一个压敏电阻或半导体浪涌电压抑制管抑制浪涌电压保护汽车音响内部电路的正常运行。下面针对V汽车供电系统的电源滤波器电路进行参数确定见图。wwweetchinacom图针对该电源滤波器在Saber中进行滤波效果仿真见下图:以此为依据进行其他参数设计分析。图a)C电容的取值在允许的情况下该电容的容量要求越大越好其值很难确切地估算出来。一般情况下要求取值在l-uf之间。电容的耐压值必须经过雷击浪涌后取值有残压其瞬时值一般在V/s时不损坏按二级降额的原则选取取值在V频率特性与电容的取值有关。电容容值越大低频滤波特性越好电解电容的ESR越小低频阻抗越低。仿真结果见图a和b。图a图bwwweetchinacomb)CC电容的取值在允许的情况下电容容量的覆盖范围越广越好这样对于高频的瞬态干扰脉冲噪音就能够很好的抑制。一般情况下要求取值在pf-uf范围。电容耐压值必须能够承受雷击浪涌后取值有残压其瞬时值一般在V/S时不损坏按二级降额的原则选取取值V频率特性与电容的取值有关电容值越小高频特性越好。图为种电容实际阻抗随频率(KHz到MHz)变换的特征曲线。图为电容理想模型阻抗随频率的关系曲线。因此C-C电容一般都是通过电容并联来满足瞬态干扰脉冲噪音全频范围内的抑制作用。仿真结果见图a和b。图图图a图bc)电感的取值电感性能的好坏取决于磁芯材料特性应考虑以下几个方面:第一磁芯材料的频率范围要宽要保证最高频率在MHz即在很宽的频率范围内有比较稳定的磁导率。第二磁导率高但是在实际中很难满足这一要求所以磁导率往往是分段考虑的。磁芯材料一般是铁氧体。wwweetchinacom第三电感量的估算考虑阻抗随频率变换的特征曲线。共模扼流圈取值-mH差模扼流圈取值为-uH图为理想电感阻抗随频率变换的曲线。图d)压敏电阻的确定压敏电阻是电压敏感器件当加大压敏电阻两端的电压低于额定电压时它的阻抗几乎是无穷大而超过额定值后电阻值急剧下降反应时间为纳秒级。压敏电阻是根据工作电压来选择标称电压值一般可按使用电压的–倍关系来确定标称电压。比如:汽车音响正常电源电压范围在V至V则压敏电阻的标称电压为xV=V。e)TVS参数的确定在后面进行介绍。瞬态传导干扰的设计考虑在ISO-:、GMW:等标准中规定了沿电源线的电瞬态传导的干扰脉冲的抗扰性失效模式、严重程度和测量提供了种典型脉冲波形虽然没有涵盖所有可能出现在车辆上的各种瞬态脉冲但适用于各种动力系统的道路车辆例如:火花点火发动机、压燃式发动机、电动机、混合动力驱动系统。针对这种典型的瞬态传导脉冲在Saber仿真环境中进行该电源滤波器电路(图)的仿真如下:图)脉冲是模拟电源与感性负载断开连接时所产生的瞬态现象。它影响与感性负载并联的用电装置适用于各种DUT与感性负载保持直接并联的情况。仿真结果见图。wwweetchinacomTestSetupVs:Vt:st:mstr:ustd:usRi:OhmCoupling:BatteryEvents:Testduration:::h图)脉冲a模拟由于线束电感的原因使与DUT并联的装置内电流突然中断引起的瞬态现象脉冲b模拟直流电机充当发电机在点火开关断开时的瞬态现象。仿真结果见图a和b。ATestSetupVs:Vt:str:ustd:usRi:OhmCoupling:BatteryEvents:Testduration:::h图aBTestSetupVs:Vt:st:mstd:msInt:sRi:Ohmt:mstr:msEvents:Testduration:::h图b)试验脉冲模拟由开关过程引起的瞬态现象这些脉冲的特性受线束的分布电容和分布电感的影响。仿真结果见图a和b。PulseaPulsebwwweetchinacomATestSetupVs:Vf:kHzt:mst:mstr:nstd:nsRi:OhmCoupling:BatteryTestduration:h图aBTestSetupVs:Vf:kHzt:mst:mstr:nstd:nsRi:OhmCoupling:BatteryTestduration:h图b)试验脉冲模拟内燃机的起动电机电路通电时产生的供电系统电源电压的降低不包括起动时的尖峰电压。仿真结果见图。TestSetupVa:VVa:Vt:st:mst:mst:mst:st:msEvents:Testduration:::h图)试验脉冲是模拟抛负载瞬态现象即模拟在断开电池(亏电状态)的同时交流发电机正在产生充电电流而发电机电路上仍有其它负载时产生的瞬态抛负载的幅度取决于断开电池连接时发电机的转速和发电机的励磁场强的大小抛负载脉冲宽度主要取决于励磁电路的时间常数和脉冲幅度。产生抛负载的可能原因是电缆腐蚀、接触不良或发动机正在运转时有意断开与电池的连接。大多数新型交流发电机内部由于增加限幅二极管而抑制了抛负载幅度。具有非集中抛负载抑制的交流发电机的脉冲波形(脉冲a)及仿真结果见图a具有集中抛负载抑制的交流发电机的脉冲波形(脉冲b)及仿真结果见图b。PulseaPulsebPulsewwweetchinacomATestSetupVs:Vt:std:mstr:msRi:OhmEvents:Testduration:::h图aBTestSetupVs:Vt:std:mstr:msRi:OhmEvents:Testduration:::h图b在汽车音响产品设计满足OverVoltage、反向电压测试和进行Pulse抛负载瞬态脉冲设计考虑中TVS二极管在整个电源滤波器中扮演着重要角色如何选择适合的TVS(硅瞬态电压吸收二极管SiliconTransientVoltageSuppressor)是设计的关键。下面针对TVS二极管进行简单介绍建立TVS在Pulse双指数脉冲波形能量累积的MathCAD模型并进行仿真分析。TVS二极管是十分有效的瞬态干扰抑制器件当其两极受到反向瞬态高能量冲击时它能以–ns量级的速度将两极间的高阻抗变为低阻抗吸收高达数千瓦的浪涌功率使两极间的电压箝位于一个预定值(一般小于倍额定工作电压)有效地保护电子电路中的精密元器件免受各种浪涌脉冲的破坏。TVS对浪涌功率和浪涌电流的吸收能力取决于PN结的面积峰值脉冲功率(Pp)的吸收能力可以达到数千瓦。早期的器件用us波形来考核现在通常采用us的波形进行定义。TVS的吸收峰值脉冲功率(Pp)是由TVS上的箝位电压和流过TVS的冲击电流的峰值乘积来确定的。要注意的是:TVS的最大箝位电压与TVS的击穿电压(转折电压)不是一回事最大箝位电压大约是击穿电压的–倍这也表明TVS有一定的动态电阻。Pulseawwweetchinacom实际的TVS瞬变干扰限定电压可以用下式表达:Uo=(IPIPP)(UCMAX–UBR)UBR式中:IP是实际的脉冲电流值IPP是额定的最大脉冲电流UCMAX是产品规定的最大箝位电压UBR是击穿电压图至图为TPSMCATVS的技术指标了解每个波形的含义有助于进行TVS的MathCAD模型仿真分析。图图图图在ISO-:附录E(脉冲发生器能量容量的确定)中介绍了计算由脉冲发生器传递到匹配电阻(电阻性负载RL)上的脉冲能量的数学模型如下图:wwweetchinacom,Vs,VsVtrtdFigEDoubleexponentialpulseshapegeneratedbyatransientgenerator图E由瞬态发生器产生的双指数脉冲波形图a)电压波形函数U(t)按下式计算()()TdtLiLeRRRVtV×−××=b)电流波形函数I(t)按下式计算()()()TdtLiTdtLiLLeRRVeRRRVRtI××−×=−×××=c)脉冲功率函数P(t)按下式计算()()()()()()()()TdtLiLTdtLiLeRRRVeRRRVtItVtP××−××=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−××=×=)(d)P(t)的积分表示具有负载RL的单脉冲的能量容量()()()()dteRRRVdttPeWTdtLiL∫∞−××=∫∞=×上式中:UO开路输出电压Ri脉冲发生器的电源内阻RL脉冲发生器的负载电阻TdUs至Us的脉冲宽度I(t)电流波形函数U(t)电压波形函数We单脉冲的能量容量基于上述双指数脉冲波形能量计算数学模型在MathCAD中进行仿真可以得到TVSTPSMCA抛负载测试(Pulse)的浪涌功率吸收的仿真结果见图。它能满足GMW中PulseB(VsVr=V)的设计要求但达不到ISO中PulseA(VsVr=V)的设计要求。wwweetchinacom图如果产品设计要求一定通过Pulse脉冲可以更换大功率的TVS二极管或者将两个或多个TVS串并联起来解决高电压和大功率的要求。将TVS串联可以获得更高的限定电压值只是等效TVS的最大吸收电流取决于串连TVS中Ip最低的一个值。将TVS并联可以获得更高的限定电流值只是等效TVS的最大脉冲电压取决于并联TVS中VRSM最低的一个值。将图中的D换成同系列的TPSMCATVS管分别采用个和个并联使用均能够满足Pulsea的要求参见Saber和MathCAD的仿真结果见图。从图中可以发现:个TVS并联处于设计边缘风险比较高个并联则有设计风险低。采用或个TVS管在PCBLayout中占有的空间比较大若空间有限可以选用单个TVS具有高功率的器件来满足设计要求。图图a图b图c总结)汽车的电气系统分为供电系统和用电设备两部分具有低压、直流和单线制供电特点)汽车电源系统中产生各种各样的瞬态脉冲电流它是汽车用电设备的传导噪音源个TPSMCAVsVr=V个TPSMCAVsVr=Vwwweetchinacom)直流电源滤波器主要有π形、T形和L形等四种网络结构不管采用哪一种网络形式都要最大程度地满足阻抗失配设计原则)汽车供电系统中的瞬态脉冲噪音一般集中在音频范围内(Hz至KHz)在汽车音响直流滤波器设计中要重点评估扼流圈和电容等器件的选择是否有效地抑制音频噪音干扰(AFI=AudioFrequencyInterference))OverVoltage、OverCurrent、ReverseVoltage和ISO-中的各种瞬态脉冲等都是汽车音响直流滤波器设计过程中的重要考虑参数)TVS二极管在整个直流电源滤波器中扮演着重要角色如何选择适合的TVS是解决汽车音响能否通过OverVoltage、反向电压测试和Pulse抛负载瞬态脉冲测试的关键)Saber和MathCAD是进行电源滤波器设计电路仿真的有效快捷工具。参考文献:杨克俊《电磁兼容原理与设计技术》人民邮电出版社ISO:RoadVehiclesElectricalDisturbancesfromConductionandCouplingPart:Electricaltransientconductionalongsupplylinesonly(道路车辆由传导和耦合引起的电骚扰第部分:沿电源线的电瞬态传导)GMW-FebGeneralSpecificationforElectricalElectronicComponentAnalyticalDevelopmentValidation(ADV)ProceduresforConformancetoVehicleEnvironmental,Reliability,andPerformanceRequirementsVWElectricalandElectronicAssembliesinMotorVehiclesGeneralTestConditionsISORoadVehicles–EnvironmentalconditionsforelectricalandelectronicequipmentPart:ElectricalloadsCISPRVRadiodisturbancecharacteristicsfortheprotectionofreceiversusedonboardvehicles,boats,andondevices–LimitsandmethodsofmeasurementGMWGeneralSpecificationforElectricalElectronicComponentsandSubsystemsElectromagneticCompatibility:VerificationPart

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