汽車音響直流電源濾波器的設計

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)被引入到汽車設計中，汽車中的電氣系統(tǒng)變得越來越復雜，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)和用電設備兩部分。供電系統(tǒng)是指給用電設備產(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、開關及繼電器等，具有低壓和直流的特點。汽車用電設備是指汽車電氣系統(tǒng)中需要電源供給的設備，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：所有用電設備均并聯(lián)。蓄電池和發(fā)電機的電源正極和各用電設備只用一根導線相連，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備所需的電能則完全由蓄電池供給。同時，當用電設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，隨著不同用電設備的啟用或關閉，在各個負載中的脈沖電流也相應變化。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備供電;各零部件必須符合汽車電氣設備基本技術(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計原則

越來越多的電子控制、通訊，導航，監(jiān)控和顯示等各種功能的電子化裝置應用到汽車設計中。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備造成危害，同時也受到車載其他電氣設備產(chǎn)生的電磁干擾，可能導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、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。為了確保用電設備正常工作，免受來自電源線上的電瞬態(tài)傳導干擾脈沖，直流電源濾波器的設計成為汽車電子產(chǎn)品設計中的重點。

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備(如汽車音響等)內(nèi)部電路設計中產(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)絡結(jié)構(gòu)，都要注意以下設計原則：

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，降低對外圍用電設備的干擾。因此，電源濾波器的設計應遵循下列原則：

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)之間的變化不應超過1V，它應在100us 的時間內(nèi)恢復其最大幅度的63%。疊加脈動電壓Ur 的峰值間應不超過0.2V，最低頻率應為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該是感性的。

3.汽車音響直流電源濾波器的設計

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

就汽車音響獨立個體而言， 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)的傳導發(fā)射危害性，這就是為什么在汽車音響設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，所以在設計時應權(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計。

4.Over Voltage 和Over Current 設計的考慮

在汽車音響電源濾波器設計時，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。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，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)定的磁導率。

第二，磁導率高，但是在實際中很難滿足這一要求，所以，磁導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。