基于FPGA的车载电子设备浪涌冲击试验装置

摘要：该文介绍了一种全新的车载电子设备浪涌冲击试验装置。该装置是在传统的RC充放电脉冲生成电路原理的基础上以FPGA为控制核心，用大容量接触器进行脉冲种类的切换选择，并通过高速大功率IGBT管控制电容的充放电，实现浪涌脉冲的模拟冲击输出，达到浪涌冲击试验的目的。

关键词：RC电路；FPGA；浪涌脉冲

中图分类号：TP368 文献标识码：B文章编号：1009-3044(2011)10-2414-03

The Electrical Surge Testing Instrument for Electronic Equipment Based on FPGA

GAO Ming, NIU Jiong

(College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Abstract: This paper introduces a completely new electrical surge testing table for the device on car. This table which is based on traditional RC charge and discharge circuit taking FPGA as the control core and relay as the electrical isolation device controls the switches through the rigorous timing to finish charge and discharge in order to simulate electrical surge.

Key words: RC circuit; FPGA; electrical surge

随着现代电子设备的迅速发展，车载电子设备已经成为汽车中不可或缺的组成部分。但是汽车当中的电气环境对于电子设备来说是十分恶劣的。由于储能元件的投切，会产生瞬间电压达额定电压几十倍的浪涌电压，如果保护不力，可能会造成车载电子设备的永久性的损坏。因此，提高电子设备本身的浪涌电压吸收能力，并对其进行抗浪涌冲击能力试验测试是十分必要的。

浪涌电压也被称为瞬态过电压，一般是指在微秒级时间内产生的一种剧烈脉冲。浪涌有时是以单个脉冲的形式出现，但是更多的是以脉冲簇的方式连续冲击电子设备，这就需要试验测试平台能够模拟连续的脉冲冲击。产生浪涌电压的原因主要是储能元件的投切，这里的储能元件主要是指电机电感、点火线圈等[1-2]。另外，发电机的抛负载也可以产生浪涌电压。由于储能元件（主要是电感）产生的电压可以由公式计算出来：

其中存储的能量为：

浪涌电压有可能是正脉冲，也有可能是负脉冲，而且大部分是双指数脉冲。以正脉冲为例，如图1所示，上升沿数学模型为：

下降沿：

一般来说，脉冲的上升时间要求在1μs左右，这就对浪涌脉冲产生装置的响应速度有很高的要求。另外，脉冲的峰值电压很高，能量也很大，所以，冲击电源必须能够满足这样的储能要求。

目前在市场上主要有两种类型的脉冲模拟设备，一种是有源浪涌脉冲模拟，另外一种是无源浪涌脉冲模拟。有源模拟就是通过计算机模拟脉冲波形，然后通过大功率高压放大器进行放大。但是，这种方法有一些缺陷：

1）这种设备的电源必须能提供大的功率去满足脉冲的要求；

2）这种电路的动态特性不好，必须加调节电路，使得电路设计更为复杂；

3）高压放大器不易选择，响应速度慢，；

4） 整体设计困难，可靠性低，成本高。

基于以上原因，本系统选用无源的方式模拟浪涌脉冲，也就是以RC充放电电路模拟双指数脉冲。这种方式主电路简单，元器件容易选择，电容可以储存很大的能量，放电时可以满足脉冲的能量要求。另外，对于系统高响应速度的问题，可以通过利用高速电子开关（IGBT）来解决。

1 相关标准[3]

在国家的相关标准中，发生双指数脉冲的瞬态简单电路实例如图2所示。

前面提到，浪涌脉冲主要是由储能元件的投切和电机抛负载造成的，下面分别介绍这两种情况。

1）电感断开引起的浪涌脉冲

电源与感性负载断开连接时所产生的瞬态现象，它是由于电源与感性负载断开连接产生的，它影响与感性负载并联的装置。

2）电机抛负载引起的浪涌脉冲

抛负载瞬态现象，即模拟在断开电池（亏电状态）的同时，交流发电机正在产生充电电流，而发电机电路上仍有其他负载时产生的瞬态。抛负载的幅度取决于断开电池连接时，发电机的转速和励磁场强的大小。抛负载脉冲宽度主要取决于励磁电路的时间常数和脉冲幅度。

本系统具体的参数要求是根据成熟的企业标准而设计的。该企业标准规定了有五种脉冲波形，分别是正脉冲Z1、Z2、Z3和负脉冲F1、F2。相关参数如表1所示。

从表1中可以看出，如果不考虑电压的正负的话，只有三种波形：峰值300V、脉宽690μs，峰值200V、脉宽11.5ms和174V、脉宽460ms。波形如图3图4所示。

以正脉冲为例（如图3），具体说明图和表中参数：

1）UA是待测电子设备的工作电压，发生脉冲时，脉冲电压需要叠加在UA上，所以在负脉冲的发生周期内，有一段波形电压实际上是正值，本系统的UA是12V/24V；

2）上升时间tr，要求小于1μs；

3）td是脉冲宽度，这一标准的五种波形中只有三种脉宽；

4）Us是脉冲电压的峰值，共有五种；

5）重复周期T是脉冲宽度td加上脉冲间歇，也只有三种值；

6）重复次数N是需要对待测电子设备进行连续冲击的次数，虽然表中有规定值，但在系统中可以手动调节。

2 主电路设计

2.1 系统组成

本系统分为脉冲发生电路系统与控制电路系统两部分。脉冲发生电路系统是用来产生浪涌脉冲的主电路，如图4所示，它由以下几部分组成：

1）220V工频电源作为脉冲产生的功率源；

2）220V/450V变压器和整流器；

3）三组IGBT（IGBT1、IGBT2、IGBT3）及其控制电路板；

4）充放电电路：包括充电电阻，三种充放电电容组（Ci，i=1,2,3），保护电阻，放电电阻；

5）继电器与接触器；

6）正负脉冲选择电路，正负脉冲选择电路用于选择脉冲的正负；

7）12V/24V电源，用于电压的叠加和为继电器供电，IGBT3是控制12V/24V电压输入；

2.2 电阻R3的选择

选择R3所遵循的的原则是：

当：

此时负载对系统时间常数的影响可以忽略，所以取：

当Rl最小，即负载最重时：

待测电子设备的电源为24V，工作电流最大是2A，所以：

取：

得：

实际取：

2.3 电容Ci的选择

根据公式：

可近似选择C1=220μF，C2=1000μF×3个，C3=10000μF×12个。

由电容储能公式：

得三种脉宽的电容储能为：W1=9.9J，W2=60J，W3=1816.56J，可以达到脉冲冲击能量要求。

工作时，FPGA会通过打开和关断IGBT去对电容进行充电与放电，达到模拟浪涌脉冲的目的。IGBT是高速大容量电子开关，可以通过大电流而且导通和关断的时间很短，能够和完成高速的动作，对电容充放电的导通和关断就是由IGBT完成的。继电器和接触器动作较慢，由于继电器无法驱动大功率器件，却可以驱动接触器，而且继电器可以有效地保护弱电电路，所以被用作中间继电器，而接触器则负责RC充放电回路的导通，FPGA通过选通接触器去选择脉冲种类。电容支路的接触器是常开触点，由继电器选通，保护电阻支路的接触器是常闭触点，用于使电容释放出残留电压，保护人员和电路，但在正常充放电时，该电阻保持开路状态。

3 控制电路设计

FPGA是一种高度可编程的控制器件，采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

控制电路系统主要包括电源电路、FPGA核心板、反馈采样电路和显示与键盘电路四部分，如图5所示。电源负责整个控制系统的供电。FPGA核心板是整个系统的控制核心，决定系统的工作时序，人机界面，通过继电器、IGBT控制板与断路器、以及其他强电部分相连。它是由以下几部分组成：FPGA，FLASH，SDRAM，EPCS等，目的是使电路模块化，并以核心板为控制单位的对外电路进行控制。另外，FPGA工作速度很高，能够满足系统对于速度的要求。FPGA技术的使用，可以将大量时序工作交由底层硬件完成，不但满足了系统快速响应的设计要求，同时增加了系统的灵活性和可配置性，方便了系统的开发，缩短了开发周期。软件部分基本只参与应用层的设计，包括波形选择、参数调整、设备的启停控制和当前波形的显示。IGBT是主电路的开关，负责电容的充电与放电，但是FPGA不能与IGBT直接相连，需要通过IGBT驱动模块来驱动IGBT。继电器是FPGA的IO口与强电电路相连接的中间设备，它可以通过隔离有效地保护弱电电路。反馈采样电路包括反馈电路和AD采样电路。反馈电路包括分压电阻，光电隔离，DA，比较器。它是将脉冲信号采集以后经分压电阻分压、光电隔离后与经过数模转换后的FPGA的预设值通过比较器进行比较，根据比较器的输出是否翻转来决定充电是否完成，以此控制脉冲的幅值。AD采样电路是是将采集回来的脉冲电压值送到FPGA，用于绘制波形电压。显示与键盘电路是人机界面部分，操作者可以通过显示屏看到设备目前的工作状态，也可以通过键盘对设备进行编程，以得到想要的波形参数，如峰值、脉冲个数等。

4 工作时序

这是一个典型的弱电控制强电的系统，由控制电路发出控制信号，经过电气隔离后，控制强电开关，完成动作。

首先，FPGA会给通过IO口给IGBT1控制板一个导通信号，IGBT1控制板接到FPGA的导通控制信号后，通过IGBT驱动模块向IGBT1输出一个开启电压，令其导通。当IGBT1导通后，FPGA会根据当前选择的脉冲类型，通过继电器选择闭合其中一个接触器，构成一个RC回路，让整流器输出的直流电压通过电阻为电容迅速充电。反馈电路在充电的过程中，实时的将充电电压采集后，与FPGA设定的阈值比较，当反馈电路检测到电压达到设定值之后，FPGA会首先给IGBT1控制板一个关断信号，使得IGBT1关断。当IGBT1完全关断后，FPGA再给IGBT2的控制板一个打开IGBT2的信号，使其导通。在IGBT2导通以后，FPGA根据设定的波形选择脉冲的正负，让RC电路放电，放电完成后，浪涌脉冲模拟完毕。一个充放电周期也就是一个脉冲产生周期。之后，FPGA会判断脉冲个数是否达到设定值，从而决定是否开始下一个脉冲周期。时序图如图6所示。

5 软件流程

图7为应用软件流程。

6 结束语

经过理论验证和实际测试的检验，该测试平台能满足实际试验和使用的需求，符合国家和企业的相关标准，是一款性能良好，易于操作的智能浪涌脉冲模拟设备。

参考文献：

[1] 曹洪其,黄涛,陆丰奎.汽车电子产品浪涌试验研究[J].武汉汽车工业大学学报,1998,20(6).

[2] 陈昌巨,李俊松,聂海.汽车电系传导干扰模拟研究[J].武汉理工大学学报,2003,25(5).

[3] 中国国家标准化管理委员会.道路车辆――由传导和耦合引起的电骚扰[S].2008.