電動(dòng)汽車電機(jī)控制器的電源完整性分析

李唐娟 董超

摘 要：近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，硬件電子系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，電源和地平面的噪聲所帶來(lái)的電源完整性（Power Integrity，PI）問(wèn)題越來(lái)越突出，會(huì)影響到整個(gè)硬件系統(tǒng)的電磁兼容性（EMC）。而諧振是電源完整性的一大問(wèn)題，PCB電源平面間諧振振幅過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）工作異常，甚至成為EMI輻射源，因此在PCB設(shè)計(jì)階段需開展諧振仿真分析并消除諧振，這是提高設(shè)計(jì)成功率的一個(gè)有效方法。為消除諧振，采用SIwave有限元仿真軟件對(duì)電源地平面間的諧振情況進(jìn)行仿真分析，找出諧振點(diǎn)，然后合理選用布局去耦電容，消除諧振影響。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；電機(jī)控制；電源；完整性

1 引言

本文采用了一種基于PI理論的硬件設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建了以NXP公司的32位單片機(jī)作為核心處理器的新能源汽車電機(jī)控制器系統(tǒng)。在系統(tǒng)的PCB板設(shè)計(jì)前、后對(duì)PDN進(jìn)行諧振仿真分析，并根據(jù)分析結(jié)果來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

2 電機(jī)控制器的硬件架構(gòu)和工作原理

電機(jī)控制器是新能源電動(dòng)汽車的核心部件之一，決定了汽車的動(dòng)力性能。它從整車控制器獲得整車的需求，從動(dòng)力電池包獲得電能，經(jīng)過(guò)自身逆變器的調(diào)制，獲得控制電機(jī)需要的電流和電壓，提供給電動(dòng)機(jī)，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩滿足整車的要求。

本文設(shè)計(jì)的電機(jī)控制器以單片機(jī)MC56F8323為核心控制芯片，該系統(tǒng)的硬件構(gòu)架如圖1所示。系統(tǒng)包括PWM波生成電路、復(fù)位電路、傳感器信號(hào)處理電路、交互電路。中央控制模塊通過(guò)對(duì)外接口，得到整車上其他部件的指令和狀態(tài)信息，同時(shí)把翻譯過(guò)的指令傳遞給逆變器驅(qū)動(dòng)電路，并檢測(cè)控制效果。

3 電機(jī)控制器的電源完整性分析

3.1 電源完整性及其影響因素

電源完整性是指系統(tǒng)供電電源在經(jīng)過(guò)一定的傳輸網(wǎng)絡(luò)后在指定器件端口相對(duì)該器件對(duì)工作電源要求的符合程度。雖然電源完整性是討論電源供給的穩(wěn)定性問(wèn)題，但由于地在實(shí)際系統(tǒng)中總是和電源密不可分的，通常把如何減少地平面的噪聲也作為電源完整性的一部分進(jìn)行討論。

電源完整性的作用是為系統(tǒng)所有的信號(hào)線提供完整的回流路徑，但實(shí)際上電源完整性往往得不到實(shí)現(xiàn)，破壞電源完整性的主要因素有以下幾種：地彈噪聲太大，去耦電容設(shè)計(jì)不合理，回流影響嚴(yán)重，多電源、地平面的分割不當(dāng)，地層設(shè)計(jì)不合理，電流分配不均勻，高頻的趨膚效應(yīng)導(dǎo)致系統(tǒng)阻抗變化等等。

將電源完整性仿真分析融入到電力電子產(chǎn)品的PCB設(shè)計(jì)當(dāng)中，最終為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供優(yōu)化的解決方案，已經(jīng)成為保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵步驟。

3.2 電路板的諧振

電路板的諧振是指能量被夾在兩個(gè)平行板之間，因原始信號(hào)與其反射信號(hào)同相而形成共振腔效應(yīng)。在中低頻時(shí)，電源地平面對(duì)可當(dāng)作一個(gè)理想電容，其ESR和ESL都很小，在頻率達(dá)到某一個(gè)高頻段時(shí)，電源地平面間變成了一個(gè)諧振腔，等效為RLC串并聯(lián)電路，在諧振頻率點(diǎn)附近，平面對(duì)地阻抗變得很大，從而引發(fā)電源完整性問(wèn)題。阻抗變化和電源電壓波動(dòng)的關(guān)系可通過(guò)如下公式表達(dá)：

結(jié)合公式（1），若諧振點(diǎn)落在了設(shè)計(jì)關(guān)注的頻段內(nèi)，可從三方面來(lái)分析所帶來(lái)的問(wèn)題：（1）若諧振過(guò)大，在諧振點(diǎn)處電源波動(dòng)過(guò)大，穩(wěn)壓電源芯片無(wú)法實(shí)時(shí)響應(yīng)負(fù)載對(duì)應(yīng)電流需求的快速變化，會(huì)出現(xiàn)電源跌落，從而產(chǎn)生電源噪聲；（2）在諧振點(diǎn)處，電源表現(xiàn)的高阻抗會(huì)使部分噪聲和信號(hào)能量無(wú)法在電源分配網(wǎng)絡(luò)中找到回流路徑，最終會(huì)從PCB板輻射出去，造成EMI問(wèn)題；（3）若諧振點(diǎn)與板上器件工作頻率相同，將引起共振。無(wú)論哪種情況發(fā)生，都可能產(chǎn)生EMC問(wèn)題，最終導(dǎo)致產(chǎn)品的可靠性下降。

3.3 電機(jī)控制器的PCB諧振仿真分析

本文采用ANSYS公司的SIwave有限元仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電機(jī)控制器的PCB進(jìn)行電源完整性的諧振仿真分析。通過(guò)仿真找到PCB諧振點(diǎn)，根據(jù)仿真結(jié)果合理添加去耦電容，從而消除諧振，保證電源完整性。

SIwave是一個(gè)專業(yè)化的設(shè)計(jì)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)IC封裝和PCB的電源完整性、信號(hào)完整性和EMI分析；可通過(guò)該軟件在低電壓設(shè)計(jì)中的自動(dòng)去耦分析確保滿足阻抗分布。

本仿真將所設(shè)計(jì)的電機(jī)控制器控制板的4層PCB板導(dǎo)入到SIwave仿真軟件中進(jìn)行諧振仿真，掃頻至1 GHz，掃頻過(guò)程如圖2所示。

從仿真結(jié)果可以看到整個(gè)PCB板電源和地平面在270 MHz附近存在一個(gè)明顯的諧振區(qū)域。諧振仿真結(jié)果中，諧振振幅越大表明諧振越明顯，該位置的電源PDN阻抗較大，易產(chǎn)生電源完整性問(wèn)題。

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，其諧振位置處于旋變芯片所在的區(qū)域，該芯片的25～33引腳的幾個(gè)關(guān)鍵信號(hào)所處的位置正位于此諧振區(qū)域。為消除此位置270 MHz的諧振，可在該區(qū)域增加去耦電容，在5 V電源和地GND網(wǎng)絡(luò)之間增加一個(gè)22 n F的去耦電容，同時(shí)優(yōu)化PCB布局布線，將電源層相對(duì)地層平面內(nèi)縮1.27 mm，再次進(jìn)行掃頻仿真，從仿真結(jié)果可以看出，諧振現(xiàn)象消失，表明該措施有效。

4 設(shè)計(jì)結(jié)果

經(jīng)過(guò)上述電源完整性的諧振分析，最終在Cadence SPB16.3平臺(tái)上完成了新能源汽車電機(jī)控制器的PCB設(shè)計(jì)，并最終通過(guò)了EMC測(cè)試，在200～960 MHz的頻段內(nèi)，EMC輻射發(fā)射測(cè)試通過(guò)，并有很大裕量。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)所設(shè)計(jì)的新能源汽車電機(jī)控制器在SIwave平臺(tái)上進(jìn)行了電源完整性的諧振仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果來(lái)優(yōu)化PCB設(shè)計(jì)，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力，使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)一次成功。該設(shè)計(jì)方法對(duì)于電力電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)具有很強(qiáng)的實(shí)用意義，不僅能夠有效提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的性能，而且可以大幅縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

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