采用双绞线作为电源总线有利于信号传输

随着现代通信网络及电子技术的飞速发展,越来越多的汽车产品开始向智能化娱乐化的方向发展。越来越多的汽车上装了GPS 定位导航系统、车载计算机、车载DVD 等通信设备和娱乐系统,但由此带来了巨大的负面效应:有限的空间内电子设备的密度越来越大,相互之间的干扰严重影响了车载设备及系统的可靠性和安全性,引起了人们越来越多的重视。国内对车载总线技术的研究起步很晚,主要集中在总线的灵活性、实用性、协议等方面,从车载总线信号的传输特征的角度研究的很少。

从广义的角度分析,总线没有特定的协议,只要在满足要求的条件下,能够在其介质上传输所需的信号即可。

车载通信系统中,总线的种类繁多,类型多样。按照车载通信系统内部总线传输信号的不同分为:用来控制设备、进行设备与系统之间通信的数据总线; 用来传输音频信号、视频信号和电台信号的射频总线,和为各种设备和系统提供电源的电源总线。任何一台设备,都必须有电源才能工作,因此电源总线在车载通信系统中的作用非常重要。

车载通信系统内大部分设备和系统都是+ 24V直流电源,如车内照明、各种不同波段的电台、北斗定位系统、GPS 导航系统、计算机以及很多网络接口,也有5V、3. 3V 等,如板级供电等。电源总线一般为平行双线和双绞线。

电源信号分析

直流稳定电源一般是由交流电源经整流、滤波、稳压等环节形成,但由于滤波不干净,就不可避免地在直流稳定量中多少带有一些交流成分,这种叠加在直流稳定量上的交流分量即为纹波。

纹波的产生有很多原因,并且不可能彻底消除,只能将其减小,使其符合某一标准。图1 为常用的开关电源的简化电路图。从图中可看出,输出纹波主要包括低频、高频及控制环节引起的噪声,还有一些共模噪声。

图1：电网供电开关电源简化电路

低频纹波及抑制方法

开关电源包括AC/ DC 和DC/ DC 部分。其中整流部分一般通过整流桥整流,再经过滤波平滑电容滤波而得。由于通常电源体积受限,平滑电容不可能无限大,所以导致低频纹波的存在。一般的输入电压和输出电压纹波频率(几十赫兹) 较开关频率(几十甚至几百千赫兹) 低得多,所以通常作低频纹波分析时,对变换器的高频开关过程取了平均处理。采用功率匹配法和等效电流源法,来计算纹波电压,一般表示为:
（1）
式中: IL 为整流桥输出负载电流。

由式(1) 可知,低频纹波的抑制方法主要有以下两种：

(1) 加平滑电容的容量值。这样一般会增加整个产品的总成本和体积。简单办法是利用晶体管的放大特性,即构成有源滤波器。
(2) 增加低频滤波器。将它加在高频开关整流电压和输出之间,可滤去高频开关脉宽调制引起的差模滤波和整流器的低频滤波。

高频纹波及抑制方法

表1：高频纹波电压

由表1 可知,高频纹波电压的频率与斩波频率同频,大小与开关电源的频率和输出滤波器有关。

电源的开关频率越高,电感和电容值越大,输出的纹波越小。

●　串联非线性电感(见图2) 。其中采用非线性饱和电感,正常状态时,它饱和不起作用; 关断时,限制的下降速度,电感产生反电动势,使二极管维持正偏并逐步向零偏压过渡,接着转向反相截止状态。
●　增大负载网络电阻值。此方法的目的是减小峰值。这一点上,有些自激式串联型开关电容:在复合晶体管的基极驱动电阻上并电容,能减少输出纹波。

图2：二极管串联的非线性电感

电源总线传导发射的测量

由上述对电源信号的分析可知,电源线上传输的信号可能存在较低频率的纹波干扰和较高频率的共模干扰。通常开关电源总线的干扰在30MHz以下。

采用GJB152 - 97 标准中,传导发射CE102 的测试方法进行试验。本测试方法用来测量被测设备( EU T) 输入电源线(包括回线) 上的传导发射。

所需测试设备:

(a) 测量接收机;
(b) 数据记录装置;
(c) 信号发生器;
(d) 衰减器,20dB ;
(e) 示波器;
(f) T 型同轴连接器;
(g) 线性阻抗稳定网络(L ISN)测试

图3：测试配置图

按照图3 进行测试配置, 测试接收机接到L ISN 的信号输出端口上的20dB 衰减器上。

(a) EU T 通电预热, 使其达到稳定工作状态;
(b) 分别选择平行双线和双绞线电源线进行测试;
(c) 采用适当的带宽和最小测量时间,使测量接收机在适用的频率范围内扫描。

通过以上对双绞电源总线和平行线电源总线传导发射的测量,得出图4 的传导发射强度:

图4：双绞线和平行双线传导发射强度

从图中可以看出,同一频点上,平行双线的辐射发射强度要比双绞线辐射发射强度大的多。所以双绞线相对平行双线有更好的电场发射抑制作
用,更适合作电源总线。

本文主要对车载总线中电源线的信号传输特征角度对车载总线进行了研究,而且根据研究结果对电源总线的传导发射进行了测试,得出了采用双绞线作为电源总线有利于信号传输的结论。本文研究的角度对于车载总线技术的研究是比较新的,而得出的结论对于车载总线的电磁兼容性设计具有一定的借鉴意义。