论文部分内容阅读
摘 要：近年来，随着电子技术的发展，硬件电子系统变得越来越复杂，电源和地平面的噪声所带来的电源完整性（Power Integrity，PI）问题越来越突出，会影响到整个硬件系统的电磁兼容性（EMC）。而谐振是电源完整性的一大问题，PCB电源平面间谐振振幅过大，会导致电源分配网络（PDN）工作异常，甚至成为EMI辐射源，因此在PCB设计阶段需开展谐振仿真分析并消除谐振，这是提高设计成功率的一个有效方法。为消除谐振，采用SIwave有限元仿真软件对电源地平面间的谐振情况进行仿真分析，找出谐振点，然后合理选用布局去耦电容，消除谐振影响。
关键词：电动汽车；电机控制；电源；完整性
1 引言
本文采用了一种基于PI理论的硬件设计方法，构建了以NXP公司的32位单片机作为核心处理器的新能源汽车电机控制器系统。在系统的PCB板设计前、后对PDN进行谐振仿真分析，并根据分析结果来优化设计，以确保系统稳定性和可靠性。
2 电机控制器的硬件架构和工作原理
电机控制器是新能源电动汽车的核心部件之一，决定了汽车的动力性能。它从整车控制器获得整车的需求，从动力电池包获得电能，经过自身逆变器的调制，获得控制电机需要的电流和电压，提供给电动机，使得电机的转速和转矩满足整车的要求。
本文设计的电机控制器以单片机MC56F8323为核心控制芯片，该系统的硬件构架如图1所示。系统包括PWM波生成电路、复位电路、传感器信号处理电路、交互电路。中央控制模块通过对外接口，得到整车上其他部件的指令和状态信息，同时把翻译过的指令传递给逆变器驱动电路，并检测控制效果。
3 电机控制器的电源完整性分析
3.1 电源完整性及其影响因素
电源完整性是指系统供电电源在经过一定的传输网络后在指定器件端口相对该器件对工作电源要求的符合程度。虽然电源完整性是讨论电源供给的稳定性问题，但由于地在实际系统中总是和电源密不可分的，通常把如何减少地平面的噪声也作为电源完整性的一部分进行讨论。
电源完整性的作用是为系统所有的信号线提供完整的回流路径，但实际上电源完整性往往得不到实现，破坏电源完整性的主要因素有以下几种：地弹噪声太大，去耦电容设计不合理，回流影响严重，多电源、地平面的分割不当，地层设计不合理，电流分配不均匀，高频的趋肤效应导致系统阻抗变化等等。
将电源完整性仿真分析融入到电力电子产品的PCB设计当中，最终为产品设计提供优化的解决方案，已经成为保证产品设计成功的关键步骤。
3.2 電路板的谐振
电路板的谐振是指能量被夹在两个平行板之间，因原始信号与其反射信号同相而形成共振腔效应。在中低频时，电源地平面对可当作一个理想电容，其ESR和ESL都很小，在频率达到某一个高频段时，电源地平面间变成了一个谐振腔，等效为RLC串并联电路，在谐振频率点附近，平面对地阻抗变得很大，从而引发电源完整性问题。阻抗变化和电源电压波动的关系可通过如下公式表达：
结合公式（1），若谐振点落在了设计关注的频段内，可从三方面来分析所带来的问题：（1）若谐振过大，在谐振点处电源波动过大，稳压电源芯片无法实时响应负载对应电流需求的快速变化，会出现电源跌落，从而产生电源噪声；（2）在谐振点处，电源表现的高阻抗会使部分噪声和信号能量无法在电源分配网络中找到回流路径，最终会从PCB板辐射出去，造成EMI问题；（3）若谐振点与板上器件工作频率相同，将引起共振。无论哪种情况发生，都可能产生EMC问题，最终导致产品的可靠性下降。
3.3 电机控制器的PCB谐振仿真分析
本文采用ANSYS公司的SIwave有限元仿真软件对所设计的电机控制器的PCB进行电源完整性的谐振仿真分析。通过仿真找到PCB谐振点，根据仿真结果合理添加去耦电容，从而消除谐振，保证电源完整性。
SIwave是一个专业化的设计平台，可实现IC封装和PCB的电源完整性、信号完整性和EMI分析；可通过该软件在低电压设计中的自动去耦分析确保满足阻抗分布。
本仿真将所设计的电机控制器控制板的4层PCB板导入到SIwave仿真软件中进行谐振仿真，扫频至1 GHz，扫频过程如图2所示。
从仿真结果可以看到整个PCB板电源和地平面在270 MHz附近存在一个明显的谐振区域。谐振仿真结果中，谐振振幅越大表明谐振越明显，该位置的电源PDN阻抗较大，易产生电源完整性问题。
对仿真结果进行分析，其谐振位置处于旋变芯片所在的区域，该芯片的25～33引脚的几个关键信号所处的位置正位于此谐振区域。为消除此位置270 MHz的谐振，可在该区域增加去耦电容，在5 V电源和地GND网络之间增加一个22 n F的去耦电容，同时优化PCB布局布线，将电源层相对地层平面内缩1.27 mm，再次进行扫频仿真，从仿真结果可以看出，谐振现象消失，表明该措施有效。
4 设计结果
经过上述电源完整性的谐振分析，最终在Cadence SPB16.3平台上完成了新能源汽车电机控制器的PCB设计，并最终通过了EMC测试，在200～960 MHz的频段内，EMC辐射发射测试通过，并有很大裕量。
5 结束语
本文对所设计的新能源汽车电机控制器在SIwave平台上进行了电源完整性的谐振仿真分析，根据分析结果来优化PCB设计，从而提高系统的抗干扰能力，使得产品的设计一次成功。该设计方法对于电力电子系统的设计开发具有很强的实用意义，不仅能够有效提高产品设计的性能，而且可以大幅缩短产品开发周期，降低开发成本。
参考文献
[1]申伟，唐万明，王杨.高速PCB的电源完整性分析[J].现代电子技术，2009，32（24）：213-218.
[2]王锋，高元楼.基于MC56F8323的直流无刷电机调速控制系统[J].仪器仪表用户，2007，4（3）：22-23.
[3]黄永顺.基于MC56F8323的两相步进电机高速细分驱动模块[J].国外电子元器件，2007（05）：9-11.
[4]卢秋朋，张清鹏，秦润杰.传输线中趋肤效应的介绍及仿真[J].电子测量技术，2015，6（06）：27-30.
关键词：电动汽车；电机控制；电源；完整性
1 引言
本文采用了一种基于PI理论的硬件设计方法，构建了以NXP公司的32位单片机作为核心处理器的新能源汽车电机控制器系统。在系统的PCB板设计前、后对PDN进行谐振仿真分析，并根据分析结果来优化设计，以确保系统稳定性和可靠性。
2 电机控制器的硬件架构和工作原理
电机控制器是新能源电动汽车的核心部件之一，决定了汽车的动力性能。它从整车控制器获得整车的需求，从动力电池包获得电能，经过自身逆变器的调制，获得控制电机需要的电流和电压，提供给电动机，使得电机的转速和转矩满足整车的要求。
本文设计的电机控制器以单片机MC56F8323为核心控制芯片，该系统的硬件构架如图1所示。系统包括PWM波生成电路、复位电路、传感器信号处理电路、交互电路。中央控制模块通过对外接口，得到整车上其他部件的指令和状态信息，同时把翻译过的指令传递给逆变器驱动电路，并检测控制效果。
3 电机控制器的电源完整性分析
3.1 电源完整性及其影响因素
电源完整性是指系统供电电源在经过一定的传输网络后在指定器件端口相对该器件对工作电源要求的符合程度。虽然电源完整性是讨论电源供给的稳定性问题，但由于地在实际系统中总是和电源密不可分的，通常把如何减少地平面的噪声也作为电源完整性的一部分进行讨论。
电源完整性的作用是为系统所有的信号线提供完整的回流路径，但实际上电源完整性往往得不到实现，破坏电源完整性的主要因素有以下几种：地弹噪声太大，去耦电容设计不合理，回流影响严重，多电源、地平面的分割不当，地层设计不合理，电流分配不均匀，高频的趋肤效应导致系统阻抗变化等等。
将电源完整性仿真分析融入到电力电子产品的PCB设计当中，最终为产品设计提供优化的解决方案，已经成为保证产品设计成功的关键步骤。
3.2 電路板的谐振
电路板的谐振是指能量被夹在两个平行板之间，因原始信号与其反射信号同相而形成共振腔效应。在中低频时，电源地平面对可当作一个理想电容，其ESR和ESL都很小，在频率达到某一个高频段时，电源地平面间变成了一个谐振腔，等效为RLC串并联电路，在谐振频率点附近，平面对地阻抗变得很大，从而引发电源完整性问题。阻抗变化和电源电压波动的关系可通过如下公式表达：
结合公式（1），若谐振点落在了设计关注的频段内，可从三方面来分析所带来的问题：（1）若谐振过大，在谐振点处电源波动过大，稳压电源芯片无法实时响应负载对应电流需求的快速变化，会出现电源跌落，从而产生电源噪声；（2）在谐振点处，电源表现的高阻抗会使部分噪声和信号能量无法在电源分配网络中找到回流路径，最终会从PCB板辐射出去，造成EMI问题；（3）若谐振点与板上器件工作频率相同，将引起共振。无论哪种情况发生，都可能产生EMC问题，最终导致产品的可靠性下降。
3.3 电机控制器的PCB谐振仿真分析
本文采用ANSYS公司的SIwave有限元仿真软件对所设计的电机控制器的PCB进行电源完整性的谐振仿真分析。通过仿真找到PCB谐振点，根据仿真结果合理添加去耦电容，从而消除谐振，保证电源完整性。
SIwave是一个专业化的设计平台，可实现IC封装和PCB的电源完整性、信号完整性和EMI分析；可通过该软件在低电压设计中的自动去耦分析确保满足阻抗分布。
本仿真将所设计的电机控制器控制板的4层PCB板导入到SIwave仿真软件中进行谐振仿真，扫频至1 GHz，扫频过程如图2所示。
从仿真结果可以看到整个PCB板电源和地平面在270 MHz附近存在一个明显的谐振区域。谐振仿真结果中，谐振振幅越大表明谐振越明显，该位置的电源PDN阻抗较大，易产生电源完整性问题。
对仿真结果进行分析，其谐振位置处于旋变芯片所在的区域，该芯片的25～33引脚的几个关键信号所处的位置正位于此谐振区域。为消除此位置270 MHz的谐振，可在该区域增加去耦电容，在5 V电源和地GND网络之间增加一个22 n F的去耦电容，同时优化PCB布局布线，将电源层相对地层平面内缩1.27 mm，再次进行扫频仿真，从仿真结果可以看出，谐振现象消失，表明该措施有效。
4 设计结果
经过上述电源完整性的谐振分析，最终在Cadence SPB16.3平台上完成了新能源汽车电机控制器的PCB设计，并最终通过了EMC测试，在200～960 MHz的频段内，EMC辐射发射测试通过，并有很大裕量。
5 结束语
本文对所设计的新能源汽车电机控制器在SIwave平台上进行了电源完整性的谐振仿真分析，根据分析结果来优化PCB设计，从而提高系统的抗干扰能力，使得产品的设计一次成功。该设计方法对于电力电子系统的设计开发具有很强的实用意义，不仅能够有效提高产品设计的性能，而且可以大幅缩短产品开发周期，降低开发成本。
参考文献
[1]申伟，唐万明，王杨.高速PCB的电源完整性分析[J].现代电子技术，2009，32（24）：213-218.
[2]王锋，高元楼.基于MC56F8323的直流无刷电机调速控制系统[J].仪器仪表用户，2007，4（3）：22-23.
[3]黄永顺.基于MC56F8323的两相步进电机高速细分驱动模块[J].国外电子元器件，2007（05）：9-11.
[4]卢秋朋，张清鹏，秦润杰.传输线中趋肤效应的介绍及仿真[J].电子测量技术，2015，6（06）：27-30.