汽車感性負(fù)載反電動(dòng)勢抑制技術(shù)淺析

摘 要：在汽車電子電器中反電動(dòng)勢的存在比較廣泛，反電動(dòng)勢有時(shí)對汽車電子電器產(chǎn)生一定危害，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致?lián)p傷周圍電子元器件功能的不利后果，一定要采取有效的抑制、消除措施。結(jié)合反電動(dòng)勢大小采用相應(yīng)方法和措施，深入研究反電動(dòng)勢抑制技術(shù)，并提出解決汽車感性負(fù)載常見反電動(dòng)勢的方法，應(yīng)用電路和產(chǎn)品驗(yàn)證，實(shí)際效果較好，對于提高汽車電子電器可靠性設(shè)計(jì)具有十分重要的作用。

關(guān)鍵詞：反電動(dòng)勢抑制技術(shù);汽車感性負(fù)載;汽車電子

0 前言

在汽車控制器和負(fù)載中有繼電器、線束及控制模塊中的電感等感性器件和門鎖電機(jī)、天窗電機(jī)、玻璃升降電機(jī)等感性負(fù)載。啟動(dòng)或停止感性負(fù)載時(shí)，將與電機(jī)啟動(dòng)或關(guān)閉會(huì)產(chǎn)生相反電勢，即反電動(dòng)勢。反電動(dòng)勢將干擾汽車環(huán)境，嚴(yán)重時(shí)造成減弱汽車電子電器的部分部件性能甚至功能失效，因此，一定要抑制和消除反向電動(dòng)勢，使電子電器的運(yùn)行環(huán)境可靠穩(wěn)定。汽車中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和燈負(fù)載使用很多繼電器，若未能抑制繼電器線圈的反向電動(dòng)勢，線圈兩端將產(chǎn)生超過100伏的反電動(dòng)勢能，若在新能源汽車的高壓繼電器中將產(chǎn)生更嚴(yán)重的反向電動(dòng)勢。因此，汽車電子電器的EMC試驗(yàn)對電子電器輻射及傳導(dǎo)發(fā)射的要求比較嚴(yán)格，在IEC標(biāo)準(zhǔn)中的門限值要求比較明確。

1 反電動(dòng)勢的主要產(chǎn)生原理

在汽車零部件中的負(fù)載有很多，負(fù)載類型通常分為阻性、容性及感性負(fù)載三類，負(fù)載的某種特性不是絕對的，通常組合了多種特性。感性負(fù)載的特性是對電流變化具有抵抗作用，感性負(fù)載在電流變化時(shí)具有阻礙電流變化的表現(xiàn)，諸如啟動(dòng)電機(jī)通電時(shí)，產(chǎn)生反電動(dòng)勢對原來電壓具有抵抗作用。產(chǎn)生的反電動(dòng)勢為：U（t） = Ldi/dt，其中U（t）為產(chǎn)生的反電動(dòng)勢，di/dt為電流變化率，L為感性負(fù)載電感值。由此可知，電流變化率與反電動(dòng)勢具有正相關(guān)關(guān)系，為使電感的反電動(dòng)勢得到消除或有效抑制，可降低電流變化率，使產(chǎn)生的反電動(dòng)勢有回路釋放，通常電流變化率難以改變，因此主要采取產(chǎn)生的反電動(dòng)勢有釋放回路的方式對反電勢進(jìn)行消除或有效抑制。

2 抑制反電動(dòng)勢的主要措施

（1）純電容吸收電路。電源低壓降前段及后端在純電容吸收電路中都是純電容吸收典型電路，主要用于對較小反電動(dòng)勢的吸收，諸如電路中的濾波、去耦等電容比較常見。該電路在較遠(yuǎn)距離感性負(fù)載的芯片級保護(hù)中應(yīng)用，使尖峰、毛刺等干擾消除，針對產(chǎn)生反電動(dòng)勢較大的感性負(fù)載，應(yīng)用大功率電阻與電容配合使用，效果才較為理想。

（2）純電阻吸收電路。可用電阻在較小的感性負(fù)載周圍將其產(chǎn)生的反電動(dòng)勢能量吸收，諸如將電阻并聯(lián)在繼電器線包兩端，利用電阻回路將斷電時(shí)繼電器線包產(chǎn)生在線包兩端的電動(dòng)勢釋放掉。類似電路中也有對線包產(chǎn)生的反電動(dòng)勢采用二極管直接釋放的方法，該方法更快，但容易造成傷害繼電器觸點(diǎn)的情況較嚴(yán)重。該電路對于繼電器線包、電磁鐵等較小感值的負(fù)載較為適用，不管是純電阻還是純電容吸收，都具有基本相同的尖脈沖表現(xiàn)，抑制及消除脈沖。

（3）TVS二極管+功率電阻吸收電路。TVS二極管也被稱為瞬態(tài)抑制二極管，是一種應(yīng)用比較普遍的新型高效電路保護(hù)器件，可達(dá)到亞納秒級的極快響應(yīng)時(shí)間，吸收浪涌能力較高。通常應(yīng)用于汽車電子控制器的電路中，電源前端對源自電源線上的干擾脈沖進(jìn)行吸收，脈沖類型通常具有較大的脈沖幅值、較短時(shí)間及較小的脈沖能量。達(dá)到雪崩電壓時(shí)的反電動(dòng)勢脈沖開始啟動(dòng)反向工作電壓，若電壓達(dá)TVS箝位電壓時(shí)完全開啟TVS，被箝位在TVS箝位電壓值的反電動(dòng)勢，在箝位電壓下TVS功率不同具有不同的最大電流。通常為避免TVS受到損壞，采用功率電阻與TVS配合在電路中使用，使脈沖干擾幅值降低。電路對流過功率電阻的最大電流進(jìn)行計(jì)算，以免功率電阻產(chǎn)生過熱問題。

（4）RC+壓敏電阻吸收電路。在產(chǎn)品中RC電路經(jīng)常用于吸收尖峰脈沖，通過調(diào)整RC值可調(diào)整吸收脈沖大小，但因受到電阻和電容所限，該值不可無限制大。此外，因受電容值所限，該方法在一定程度上限制了吸收反電動(dòng)勢，因此，RC與壓敏電阻相配合具有更明顯的效果，RC完成吸收脈沖尖峰毛刺的功能，壓敏電阻完成吸收較大幅值、較強(qiáng)能量的脈沖。RC配合壓敏電阻可有效吸收復(fù)雜感性負(fù)載產(chǎn)生的反電動(dòng)勢。

（5）MOSFET反電動(dòng)勢進(jìn)行吸收。冷卻風(fēng)扇在汽車零部件中具有較大的感性負(fù)載，功率通常處于350—500瓦之間，在啟動(dòng)和停止時(shí)風(fēng)扇產(chǎn)生較大的反電動(dòng)勢，若不能妥善處理將導(dǎo)致周圍電子元器受到的傷害較大，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致器件功能失效甚至消失。在MOSFET吸收電路中，PWM工作模式的冷卻風(fēng)扇控制器通過倍壓電路將產(chǎn)生比整車的battery電壓高，反電勢能量可獲得一定釋放。若風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)全速100%時(shí)，電路中未形成倍壓，也不會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢能量。但若此時(shí)突然停止風(fēng)扇，電路中將產(chǎn)生較大能量的反電動(dòng)勢，這時(shí)電路中因電壓聚集未能完全釋放，使電路處于微開通狀態(tài)，在短時(shí)間內(nèi)狀態(tài)較為危險(xiǎn)。冷卻風(fēng)扇有時(shí)將產(chǎn)生MOSFET點(diǎn)擊穿的情況，經(jīng)對風(fēng)扇分析測試后，結(jié)果顯示其主要的可能性為：一是在全速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，風(fēng)扇的VGS處于2—3伏之間的微開狀態(tài)，若突然斷電，風(fēng)扇電路中的一端將產(chǎn)生的反電動(dòng)勢較強(qiáng)，在微開通下導(dǎo)致其發(fā)生損壞;二是脈沖啟動(dòng)原因，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，將拉低電平電源電壓，處于微開通狀態(tài)的電路，電壓處于2—3 伏之間，這時(shí)流過電路一端的反電動(dòng)勢較大，使其存在一定風(fēng)險(xiǎn)。為使該問題得到妥善解決，可采用MCU獨(dú)立控制倍壓電路中的PWM信號，開始啟動(dòng)風(fēng)扇電機(jī)后，一直存在PWM信號，若電路中存在反電動(dòng)勢，可通過電路釋放;還可在全速轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇中，采用軟件打開電路并釋放風(fēng)扇產(chǎn)生的反電動(dòng)勢。

3 總結(jié)

綜上所述，本文與汽車電子電器工作的實(shí)際環(huán)境相結(jié)合，提出解決產(chǎn)生于不同感性負(fù)載的反電動(dòng)勢的具體方法，同時(shí)開展了對比測試，對應(yīng)用抑制反電動(dòng)勢措施的有效性進(jìn)行了證明，在理論上為汽車電子電器產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)，為試驗(yàn)提供了技術(shù)支撐，在汽車電子電器設(shè)計(jì)中對于提高抗干擾性提供了重要參考依據(jù)。

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作者簡介：曹稷（1984-），男，遼寧錦州人，本科，研究方向：汽車電子信息。