工程機(jī)械電子控制單元電源設(shè)計與改進(jìn)

孫金泉，金 忠，江 恒SUN Jin-quan, JIN Zhong, JIANG Heng（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

工程機(jī)械電子控制單元電源設(shè)計與改進(jìn)

孫金泉，金 忠，江 恒
SUN Jin-quan, JIN Zhong, JIANG Heng
（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

[摘 要]以LM2576為例通過試驗設(shè)計方法進(jìn)行電源的設(shè)計與改進(jìn)，有效地提高了電子控制單元電源工作的可靠性。

[關(guān)鍵詞]控制單元;電源設(shè)計；設(shè)計方法

近年來工程機(jī)械智能化發(fā)展迅速，各類電子控制單元基于控制器局域網(wǎng)絡(luò)的分布式協(xié)同工作，極大提高了工程機(jī)械的操作便利性和燃油經(jīng)濟(jì)性，這對電子控制單元的可靠性提出較高要求。在國外品牌如卡特、小松等向智能化發(fā)展的同時，國內(nèi)工程機(jī)械幾大品牌如柳工等也開始向網(wǎng)絡(luò)化、智能化、分布式控制方向發(fā)展。但是受困于技術(shù)壁壘和技術(shù)累積效應(yīng)，總體上水平與國際先進(jìn)水平特別是在可靠性和耐久性方面還存在較大差距。所以從基礎(chǔ)研究來提升產(chǎn)品的可靠性不失為一種行之有效的方法。

1 工程機(jī)械電子控制單元現(xiàn)狀

從機(jī)械控制、液壓控制到現(xiàn)在的機(jī)電液訊控制，技術(shù)越來越復(fù)雜，工程機(jī)械的電子控制單元（Electronic Control Unit,簡寫ECU，以下同）功能越來越強(qiáng)大。逐步成為工程機(jī)械的大腦?？梢詽M足不斷增長的自動化、智能化的需求。

目前，工程機(jī)械ECU品牌如力士樂、EPEC、TTC等產(chǎn)品線豐富，廣泛應(yīng)用于裝載機(jī)、攤鋪機(jī)、銑刨機(jī)等工程機(jī)械。國產(chǎn)品牌質(zhì)量參差不齊，既有自主研發(fā)，也有合作開發(fā)。但在可靠性方面與國外品牌的性能仍存在一定差距。如果能提高ECU的可靠性，國產(chǎn)產(chǎn)品的性能就能再上新臺階。在近年的研究中發(fā)現(xiàn)，ECU的電源問題是最薄弱的環(huán)節(jié)，電源故障直接導(dǎo)致ECU復(fù)位、死機(jī)甚至程序跑飛等現(xiàn)象發(fā)生。本文結(jié)合LM2576電源芯片來簡單介紹某型ECU電源設(shè)計與改進(jìn)問題。

2 LM2576的電源設(shè)計

LM2576是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的高達(dá)3A電流輸出的降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，有3.3V、5V、12V、15V和ADJ可調(diào)電壓輸出多種系列。輸入電壓范圍寬，其中HV型號甚至可達(dá)40～60V，負(fù)載電壓的輸出容差最大為±4%；外圍元件少（固定輸出4個，可調(diào)輸出6個）?？捎肨TL電平關(guān)閉輸出，低功耗待機(jī)模式，典型待機(jī)電流為50μA等等，詳細(xì)的資料可以在其官網(wǎng)上下載閱讀，本文不再贅述（圖1）。

圖1　 LM2576原理圖

正是LM2576的優(yōu)良性能，而且電路簡單，輸出電流大，應(yīng)用非常廣泛，因此在某型ECU產(chǎn)品升級換代時，我們就采用LM2576S-ADJ作為ECU電源芯片進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計中均參照芯片資料提供的步驟進(jìn)行參數(shù)計算。

2.1 輸出電壓選擇

設(shè)計時按10V的輸出電壓進(jìn)行設(shè)計，計算時參照芯片資料提供的經(jīng)典值

其中，VREF=1.23V;

R1的推薦范圍在1～5k之間，選擇R1=1k；根據(jù)公式（1）求出

因此選擇R1＝1k，R2＝7.15k，精度均選擇1%。

2.2 電感選擇

根據(jù)公式（3）計算E?T

按照E?T=132V?μs，ILOAD（Max）=2A的條件在電感選型表中查到電感H220，即電感值為220uH。

2.3 輸出電容

在芯片資料沒有提到輸出電容的上限，因此選擇COUT＝470μF。

2.4 二極管選擇

根據(jù)芯片資料提供的1.25倍輸入電壓，對于額定電流也采用1.2倍的條件進(jìn)行篩選，于是選擇MBR340比較合適。

其他設(shè)計均參照資料提供要求選擇。在產(chǎn)品試驗階段完全滿足設(shè)計要求，經(jīng)過試驗后開始小批量試裝。然而在工作不到100h，出現(xiàn)了多次ECU不工作的情況。

3 問題分析與改進(jìn)

通過對15件反饋件進(jìn)行故障檢測與分析，故障模式如圖2所示。其中兩例虛焊可以通過修正焊接工藝來解決。剩余80%的故障與LM2576有關(guān)，解決LM2576失效問題就可解決ECU的反饋問題。

圖2　 故障模式的Pareto圖

通過對參數(shù)計算過程進(jìn)行反復(fù)核對，確認(rèn)設(shè)計與芯片資料要求并不沖突。最后聚焦在LM2576這個芯片本身上，期望通過其損壞機(jī)理找出故障原因。由于過流和過壓是LM2576的主要故障模式。在測試中發(fā)現(xiàn)，外圍電路保護(hù)正常，加載沿電源線傳導(dǎo)與耦合中所有的正脈沖干擾信號，經(jīng)過反復(fù)試驗LM2576也沒有損壞，因此不存在過壓損壞LM2576的情況。

通過分析，在電源開啟瞬間存在沖擊電流。而ECU的最大工作電流不超過1.5A，根據(jù)圖1可以看出，跟LM2576輸出電流相關(guān)的元件有電感L1、二極管D1、輸出電容COUT。通過實驗設(shè)計方法（Design of Experiments,簡寫DOE，以下同）進(jìn)行試驗設(shè)計，通過試驗可以得出二極管與輸出電流不相關(guān)，電感與輸出電流弱相關(guān)，而輸出電容與輸出電流強(qiáng)相關(guān)。

為了進(jìn)一步驗證電容與瞬間開機(jī)電流大小的關(guān)系。又通過DOE將輸出電容設(shè)計為4種，通過電流采樣電阻的方式測量瞬間沖擊電流。經(jīng)過試驗后整理數(shù)據(jù)，并通過軟件進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯鲚敵鲭娙菖c開機(jī)瞬間輸出電流不是線性關(guān)系，通過擬合分析，輸出電容選擇929μF時，開機(jī)瞬間沖擊電流最小。

按照上述結(jié)果進(jìn)行驗證，我們選取一批產(chǎn)品，將電容分別更改為2 200μF和470μF，1 000μF，設(shè)計一個調(diào)試平臺模擬整機(jī)開關(guān)機(jī)過程。循環(huán)時間設(shè)計為5s，試驗15h后，其中2 200μF和470μF均損壞，而1 000μF仍正常工作，試驗結(jié)果可以反復(fù)重現(xiàn)，證明選擇1 000μF參數(shù)是個合理的結(jié)果，與上述擬合結(jié)果相符。

至此可認(rèn)為LM2576損壞的原因是輸出電容

圖3　 輸出電容與沖擊電流的擬合線圖

選擇不合理造成的，但是在芯片資料中并沒有強(qiáng)調(diào)輸出電容范圍的問題。另外，在早期樣機(jī)設(shè)計時有沒有暴露問題呢？通過對器件型號和批次，發(fā)現(xiàn)樣機(jī)和批量裝機(jī)的批次不一致。批量生產(chǎn)的器件性能要次于樣機(jī)開發(fā)階段的產(chǎn)品，而輸出電容選擇不合適是造成后期問題爆發(fā)的關(guān)鍵因素。

于是對輸出電容進(jìn)行型號更換，對于已經(jīng)生產(chǎn)的產(chǎn)品，通過反復(fù)開關(guān)沖擊的方式進(jìn)行篩選，剔除早期失效的不合格品。經(jīng)過篩查共查出近15%的容易早期失效的ECU。經(jīng)過上述篩選和更換設(shè)計參數(shù)，經(jīng)過近1年左右的跟蹤，至今未見類似反饋。

4 結(jié) 論

本文對智能化ECU電源模塊（LM2576）早期失效的模式進(jìn)行分析，介紹通過DOE進(jìn)行試驗設(shè)計找出問題并進(jìn)行整改的方法。這種方法也給后期ECU設(shè)計提供了很好的參考。另外設(shè)計中仔細(xì)查閱原版最新的芯片資料非常重要。對于芯片資料中未能提及的器件參數(shù)范圍，可以進(jìn)行DOE試驗設(shè)計，找出最佳的工作參數(shù)，并進(jìn)行降額設(shè)計，同時也要保證產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)的一致性。這些都是保證產(chǎn)品可靠性的有效措施。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 魏洪興，王田苗，陳殿生．智能化工程機(jī)械及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 工程機(jī)械,2004，（4）：1-3.

（編輯 于 洋）

［中圖分類號］國家863課題（2014AA041502） TP29

［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］B

［文章編號］1001-1366（2015）02-0058-02

［收稿日期］2014-12-25

Construction machinery electronic control unit power supply design and improvement