一種應用于車載以太網端口的瞬態脈沖抑制電路設計和性能驗證

王中 趙文暉 周海貝 / 上海市計量測試技術研究院；上海市在線檢測與控制技術重點實驗室

0 引言

隨著車輛智能化網聯化程度的逐漸提高，以太網廣泛應用于機動車，而來自車輛內部或外部的高速脈沖對其的影響也越來越明顯[1-3]。以太網線作為信號線，其抗擾度需要滿足ISO 7637—3:2016 或GB/T 21437.3—2021 的相關要求。GB/T 21437.3—2021 中定義了針對信號線試驗的脈沖3a 和3b，試驗中200 V 的脈沖會明顯影響以太網通信，對輔助設備性能具有明顯的影響，甚至損壞輔助設備[4-5]。GB/T 21437.3—2021 中定義了采用直接容性耦合（direct capacitive coupling，DCC）注入和容性耦合鉗（capacitive coupling clamp，CCC）注入兩種方式使高速脈沖電壓注入信號線進行試驗的方法。在實際試驗中，為了對產品性能進行更準確的判定，需要在被測樣品的以太網線和輔助設備之間引入脈沖抑制電路。

近年來，研究人員針對脈沖抑制電路的設計也開展了一系列研究[6-8]。在脈沖抑制電路的設計中通常采用瞬態電壓抑制二極管（transient voltage suppressor, TVS）、電感器、電容器等元器件。在實現脈沖抑制功能的同時，脈沖抑制電路插入系統后可能會引起通信性能或效率的下降。因此，設計方案為在保證通信性能不出現明顯下降的條件下實現有效的脈沖抑制功能，這對于車載智能網聯終端的性能評價是非常重要的。

1 脈沖電壓抑制電路

脈沖電壓抑制電路主要實現3 項功能：一、防止直接注入或間接耦合注入的脈沖電壓導致被保護電路的直接損壞；二、防止直接注入或間接耦合注入的脈沖電壓擾亂電路的通信；三、保持阻抗匹配，減小脈沖電壓抑制電路對于系統通信性能的影響。對應的技術要求在外部脈沖電壓出現時，能夠快速啟動，將脈沖電壓進行鉗位，從而將脈沖電壓和電流引入參考地，同時對殘壓進行濾波。對于GB/T 21437.3—2021 定義的脈沖波形，擬研制的脈沖抑制電路的主要作用在于抑制脈沖電壓(包括直接注入和電容耦合注入的脈沖電壓)，將殘壓抑制在較低水平。

圖1 所示為瞬態脈沖電壓保護電路功能示意圖。P1 為干擾脈沖。Z1 主要實現瞬態限流單元，可以包含電感器或鐵氧體磁珠等，也可包含熔絲或斷路器等過流保護電路；Z2 為瞬態電壓保護單元，執行保護動作時，由高阻快速切換為低阻狀態，通常為雙端TVS 管、氣體放電管等元件或電路，在瞬態脈沖防護中通常使用雙端TVS 管；Z3 為被保護電路。Z1和Z2 組成保護電路，在瞬態高壓出現后保護Z3 電路。此外，合理的PCB（印制電路板）分層、布線、接地以及安裝也是有效改善瞬態脈沖抑制效果的重要途徑。

圖1 瞬態脈沖電壓保護電路功能

脈沖抑制電路主要包括脈沖電壓鉗位電路和濾波電路兩部分。利用瞬態電壓抑制二極管快速響應和電壓鉗位功能進行脈沖抑制，采用以太網網口變壓器和差模電感器等組成的濾波電路對脈沖抑制效果進行優化。此外，還需要優化PCB 印制線、覆銅方案等，以減小PCB 印制線之間的電容耦合和電感耦合。

2 脈沖抑制電路的設計方案

根據脈沖電路的設計原則和試驗驗證結果，研制了一款脈沖抑制電路。圖2 所示為一種百兆以太網端口瞬態脈沖抑制電路原理圖。設計方案包含以太網屏蔽接口RJ1 和RJ2，RJ1 為干擾源輸入端，RJ2 為被保護設備端口；兩個TVS 脈沖抑制單元D1和D2 主要實現對來自RJ1 端的瞬態脈沖抑制，應用于端口Pin1、Pin2、Pin3 和Pin6；1 個以太網網口隔離變壓器T1, 防止脈沖抑制后的殘壓和PCB 印制線耦合的電壓；4 個電感器L1～L4，用于減小差模耦合電壓；兩組成對線之間的2 個雙向低等級的TVS脈沖抑制單元D3 和D4，對參考地耦合至成對線的低幅值的差模電壓進行抑制。C1 和C2 為1 nF，C3和C4 為10 nF，L1～L4 為15 nH，R1 和R2 為75 Ω，T1 為以太網網口變壓器。

圖2 電路原理

3 脈沖抑制結果驗證

采用GB/T 21437.3—2021 中的DCC 注入和CCC注入兩種方案進行脈沖抑制結果的驗證。試驗波形采用GB/T 21437.3—2021 定義的脈沖3a 和3b，如圖3 所示，施加脈沖電壓幅值為200 V，偏差小于10%。

圖3 初始脈沖3a 和3b 電壓波形

3.1 DCC 結果驗證

采用圖4 所示的驗證實施方案，發生器和脈沖抑制電路之間連接100 pF 電容器。發生器輸出幅值設置為200 V。在脈沖抑制電路的脈沖電壓鉗位電路后端和濾波電路后端使用示波器兩個通道同時進行電壓采集。采集結果如圖5 所示。圖5（A）為脈沖3a 抑制的結果，圖5（B）為脈沖3b 抑制的結果。圖中上方曲線為脈沖電壓鉗位電路后端采集的結果；下方曲線為濾波電路后端采集的結果，即整個脈沖抑制電路進行脈沖抑制后的殘壓。如圖5（A）所示，-200 V 的脈沖電壓經脈沖電壓鉗位電路后降低至-51.3 V，再經過濾波電路后降至-8.5 V。如圖5（B）所示，+200 V 的脈沖電壓經脈沖電壓鉗位電路后降低至+46.0 V，再經過濾波電路后降至+6.1 V。由此可見，脈沖抑制效果非常明顯，脈沖抑制電路的抑制度大于27 dB。

圖4 DCC 注入方案

圖5 DCC 注入脈沖電壓抑制波形

3.2 CCC 結果驗證

采用圖6 所示的驗證實施方案，由于標準容性耦合鉗端接了50 Ω 衰減器，發生器輸出幅值設置為400 V，實際輸出至耦合鉗的電壓為200 V。同本文3.1 所述，在脈沖抑制電路的脈沖電壓鉗位電路后端和濾波電路后端使用示波器同時進行電壓采集。采集結果如圖7 所示。圖7（A）為脈沖3a 抑制的結果，圖7（B）為脈沖3b 抑制的結果。圖中上方曲線為脈沖電壓鉗位電路后端采集的結果，下方曲線為濾波電路后端采集的結果，也就是整個脈沖抑制電路進行脈沖抑制后的殘壓。如圖7（A）所示，-200 V 的脈沖電壓經脈沖電壓鉗位電路后降低至-81.0 V，再經過濾波電路后降至-10.8 V。如圖7（B）所示，+200 V 的脈沖電壓經脈沖電壓鉗位電路后降低至79.0 V，再經過濾波電路后降至5.1 V。由此可見，脈沖抑制效果非常明顯，脈沖抑制電路的抑制度大于25 dB。

圖6 CCC 注入方案

圖7 CCC 注入脈沖電壓抑制波形

4 通信性能驗證

按照圖8 所示方案對脈沖抑制模塊通信性能的影響進行驗證，使用計算機的網絡端口與路由器端口進行通信校驗，分別統計通信延時和數據丟包。采用圖8 的驗證方案分別在計算機直連路由器和計算機經脈沖抑制電路后再連接路由器兩種條件下進行驗證。通信次數大于2 400 次，通信結束后統計通信延時和數據丟包，如表1 所示。從表1 中可知計算機直連路由器和計算機經脈沖抑制模塊后連接路由器的結果沒有明顯差異，延時的最大值均為3 ms，最小值和平均值均為0，即脈沖抑制模塊接入后沒有發生明顯的延時。兩種條件下的丟包數為0，丟包率均為0%，說明脈沖抑制模塊插入后沒有引起明顯的數據丟包。

表1 脈沖抑制電路通信性能統計表

圖8 通信性能驗證方案

5 結語

根據本研究所述的脈沖抑制電路設計原則，針對GB/T 21437.3—2021 定義的脈沖3a 和3b，研制了一款脈沖抑制電路。DCC 注入幅值為200 V 的脈沖3a和3b 波形的脈沖經研制的脈沖抑制電路后，殘壓最大值為8.5 V，抑制度達到27 dB；CCC 注入幅值為200 V 的脈沖3a 和3b 波形的脈沖經研制的脈沖抑制電路后，殘壓最大值為10.8 V，抑制度達到25 dB。脈沖抑制電路插入通信系統內部，沒有引起通信性能的明顯變化，且丟包數為0，丟包率亦為0%。即本研究中研制的脈沖抑制電路在實現有效的脈沖抑制功能的同時，沒有對系統內以太網通信產生明顯影響。通過本研究為涉及車載智能網聯終端產品的性能準確判定提供一些理論和技術支撐。