汽車電子電路潛電路的無(wú)效路徑剔除方法研究*

何惠英 ，李志剛 ，張菲菲 ，付蘭芳

(1.河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，天津300130；2.軍事交通學(xué)院 基礎(chǔ)部，天津300161)

汽車電子技術(shù)已成為汽車技術(shù)現(xiàn)代化的標(biāo)志與趨勢(shì)，其可靠性直接影響到汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和舒適性以及尾氣排放等諸多方面[1]。研究證明，汽車電子系統(tǒng)中的潛電路普遍存在，部分潛電路的激發(fā)可能會(huì)造成非常嚴(yán)重的后果[2]，特別是在行駛過(guò)程中，若無(wú)意間的操作導(dǎo)致潛電路激發(fā)，將有可能對(duì)行駛安全產(chǎn)生意想不到的危害。因此，分析并排除汽車電子電路中的潛電路成為提高汽車電子電路可靠性的重要手段，也是提高設(shè)計(jì)效率的有效途徑。

潛在電路 SC（Sneak Circuit）指電氣電子電路中存在的一種狀態(tài)，在特定條件下，它能夠?qū)е码娐废到y(tǒng)出現(xiàn)非期望的功能或抑制所期望的功能，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起系統(tǒng)故障[3-4]。值得注意的是，潛在電路有別于通常所說(shuō)的故障，產(chǎn)生原因不是元件、設(shè)備或系統(tǒng)故障，而是設(shè)計(jì)者為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖無(wú)意中帶進(jìn)設(shè)計(jì)方案的[5]。潛電路隱藏在系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，僅在某種特定的條件下才會(huì)被激發(fā)。

本文在參考文獻(xiàn)[6]所描述電力電子變換器潛電路中的無(wú)效路徑剔除方法的基礎(chǔ)上，從增加無(wú)電源回路判據(jù)、拓?fù)浼s束、回路的預(yù)期功能、元件特性約束4個(gè)方面對(duì)電子電路無(wú)效路徑的剔除方法進(jìn)行了完善和改進(jìn)，減少了后續(xù)分析過(guò)程的工作量，提高了后續(xù)潛電路判定的準(zhǔn)確性。并用此方法對(duì)汽車部分控制電路進(jìn)行了潛電路分析，結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性和正確性。

1 潛電路分析方法

潛電路分析方法在軍事、航空、航天等方面的應(yīng)用較早，也成為一套較完善的分析方法，并建立了一系列的規(guī)范。隨著潛電路技術(shù)受到人們?cè)絹?lái)越多的認(rèn)識(shí)和關(guān)注，其也在電力電子、汽車電子等民用工業(yè)技術(shù)中嶄露頭角。

因?yàn)檐娛鹿I(yè)技術(shù)的特殊性，規(guī)范的潛電路分析技術(shù)不再適用于非軍事工業(yè)領(lǐng)域。例如，規(guī)范的潛在電路分析方法在分析的完整性方面效果顯著，但在數(shù)據(jù)預(yù)處理和網(wǎng)絡(luò)樹(shù)生成方面需要投入大量的前期工作，分析周期長(zhǎng)且分析成本高[3]。在系統(tǒng)規(guī)模不大且設(shè)計(jì)更改頻繁的情況下實(shí)施難度大。而簡(jiǎn)化的SCA方法不需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)樹(shù)的生成，實(shí)施較為便捷，適用于系統(tǒng)規(guī)模較小和設(shè)計(jì)更改頻繁的情況。

2 無(wú)效路徑剔除的新方法的改進(jìn)

本文分別從依據(jù)開(kāi)關(guān)自身特點(diǎn)、拓?fù)浼s束關(guān)系、元件約束關(guān)系、開(kāi)關(guān)組合中開(kāi)關(guān)元件的匹配情況等方面提出了適用于一般電子電路的無(wú)效路徑剔除新方法，提高了無(wú)效路徑剔除方法應(yīng)用的普遍適用性，同時(shí)對(duì)存在的一些待改進(jìn)的缺陷有針對(duì)性地進(jìn)行了如下改進(jìn)。

2.1 增加無(wú)電源回路判據(jù)

若某回路中既不存在電源，也不包含可以等效為電源的元件(如電容、電感等)，則此回路可視為無(wú)效路徑。

2.2 拓?fù)浼s束關(guān)系

基爾霍夫定律反映了電路的基本拓?fù)浼s束關(guān)系，根據(jù)基爾霍夫電壓定律KVL(Kirchhlff′s Voltage Law)，單一元件不能形成電流路徑，因此全路徑中應(yīng)剔除只含一個(gè)電路元件的路徑。依此可推廣得出以下兩條結(jié)論：

(1)單一的電壓源、電阻、電感和電容元件若與處于導(dǎo)通狀態(tài)的開(kāi)關(guān)器件相串聯(lián)，即等同于單一元件回路，則此路徑應(yīng)判定為無(wú)效路徑。

(2)單一開(kāi)關(guān)元件或開(kāi)關(guān)元件的組合形成的回路，視為無(wú)效路徑。

2.3 回路的期望功能

在多個(gè)開(kāi)關(guān)組成的回路中，要保證各開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)及匹配情況遵從互鎖邏輯，不能有沖突，并與所期望的回路功能保持一致，從而實(shí)現(xiàn)所期望的電路功能。比如在各種諧振開(kāi)關(guān)變換器中，要求每組全控元件中的兩元件輪流導(dǎo)通，點(diǎn)空比為50%，即不能同時(shí)導(dǎo)通。

2.4 元件特性的約束

根據(jù)歐姆定律對(duì)元件特性的約束可推廣得出，在不含電容或電感等儲(chǔ)能元件的電阻性電路中，電流具有單向性，即只能從電源正極流向負(fù)極，否則應(yīng)視為無(wú)效路徑。

3 汽車電子系統(tǒng)中的潛電路分析

汽車電子系統(tǒng)部分電路原理如圖1所示。

3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

隱去圖1所示電路網(wǎng)絡(luò)的電氣特性，應(yīng)用圖的理論將其抽象為圖論的一個(gè)圖，即電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖1 汽車電子系統(tǒng)部分電路原理圖

圖2 電路拓?fù)鋱D

3.2 電流路徑分析

根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]所述的基于深度優(yōu)先搜索的算法得到全部電流路徑如表1所示?，F(xiàn)依據(jù)上述的無(wú)效路徑剔除方法，從全部路徑中剔除無(wú)效路徑后得到的即是實(shí)際存在的路徑，其剔除過(guò)程如下：

（1）根據(jù)無(wú)電源（或可等效為電源的元件）回路中不存在電流路徑的原則，判定路徑1→2→3為無(wú)效路徑。

（2）根據(jù) KVL，單一開(kāi)關(guān)元件或開(kāi)關(guān)元件的組合不能形成回路，則判定路徑0→1→2為無(wú)效路徑。

表1 各種電流路徑分析結(jié)果

3.3 實(shí)際電流路徑解釋

預(yù)期電流路徑(即根據(jù)設(shè)計(jì)要求得到的正常工作的電流路徑)如圖3中的虛線所示，其工作路徑的意義如表2所示。

圖3 正常工作電流路徑分布圖

表2 正常工作電流路徑解釋

若實(shí)際路徑數(shù)目大于預(yù)期路徑數(shù)目，說(shuō)明實(shí)際存在設(shè)計(jì)所不需要的路徑，即潛在路徑，從實(shí)際路徑中除去預(yù)期路徑即得潛在電路路徑。

潛在電流路徑如圖4中的虛線所示，其路徑的意義如表3所示。

圖4 潛在電流路徑分布圖

表3 潛在電流路徑解釋

即在緊急情況下，踩下剎車，收音機(jī)可用，這與電路設(shè)計(jì)所期望的功能相違背，即在緊急情況下，踩下剎車，收音機(jī)應(yīng)不可用，因此判定其為潛在路徑。此分析結(jié)果與參考文獻(xiàn)[2]中的分析結(jié)果一致。

汽車電子系統(tǒng)中的潛電路普遍存在，部分潛電路的激發(fā)可能會(huì)造成非常嚴(yán)重的后果。本文從增加無(wú)電源回路判據(jù)、拓?fù)浼s束、回路的預(yù)期功能、元件特性約束4個(gè)方面完善并改進(jìn)了無(wú)效路徑剔除方法。此方法可適用于一般電子電路的潛電路分析技術(shù)，有助于發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的疏忽和錯(cuò)誤，提前更改并完善設(shè)計(jì)，減少后期變更設(shè)計(jì)所帶來(lái)的人力、財(cái)力及時(shí)間上的浪費(fèi)。最后應(yīng)用此方法對(duì)汽車部分控制電路進(jìn)行了潛電路分析，結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性和正確性。

未來(lái)汽車電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性、安全性仍將存在，也使得汽車電子系統(tǒng)潛電路分析成為保障汽車品質(zhì)的一種手段，這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]鮑龍．淺析汽車電子技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與前景[D]．南京：南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2012.

[2]張大慶，宋斌．電子系統(tǒng)的潛通路分析技術(shù)[J]．光電技術(shù)應(yīng)用，2006，21(2)：43-46.

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[4]任立明．潛在電路分析技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011．

[5]張志學(xué)，馬皓，毛興云．基于混雜系統(tǒng)模型和事件辨識(shí)的電力電子電路故障診斷[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(3)：49-53．

[6]何惠英，李志剛，張菲菲，等．電力電子變換器潛電路中的無(wú)效路徑剔除方法[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(12)：72-74.

[7]梅義，丘東元.基于深度優(yōu)先搜索的潛在電路計(jì)算機(jī)輔助分析法[J]．中國(guó)機(jī)電工程學(xué)報(bào)，2008，25(24)：75-81．