CN116406081A - 一种车辆控制器电路板及应用该电路板的车辆控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种车辆控制器电路板及应用该电路板的车辆控制器。本发明实施例的车辆控制器电路板被设计为六层电路板结构，第一层、第四层、第五层和第六层为信号布线层，第二层为地线层，第三层为电源层。所述信号布线层包括数据通信电路布线，所述数据通信电路布线包括相互隔离的前端回路和后端回路，所述前端回路和所述后端回路分别通过电阻连接所述第二层。本发明实施例采用专用的电源层及地线层，减小了电源线路阻抗，完整的地平面结合顶层、底层的设计，提供良好的抗干扰性能。同时，将数据通信电路中的前端回路和后端回路做单独的隔离处理，且每条回路通过电阻与大地地线相连，避免了高速信号的信号线与地平面之间形成串扰。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车技术领域，具体而言，涉及一种车辆控制器电路板及应用该电路板的车辆控制器。
背景技术
随着汽车智能化的发展，汽车内部中的电子设备的数量大大增加，因而，负责调控调度整车电子设备的车辆控制器的工作频率也逐渐提高。车辆控制器电路板所处的空间相对狭小，布局布线密度的增大、电路板层数的增加，导致各零部件之间会相互引起电磁干扰，轻则影响车辆控制器的正常工作，重则损坏车辆控制器电路板，带来不可估量的风险。影响汽车的安全性和可靠性。因此，在车辆控制器电路板的设计中，如何实现电磁兼容显得尤为重要。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种车辆控制器电路板及应用该电路板的车辆控制器，以通过对数据通信电路进行隔离，提高车辆控制器电路板的电磁兼容性能。
第一方面，提供一种车辆控制器电路板，所述车辆控制器电路板为六层电路板结构；
其中，第一层、第四层、第五层和第六层为信号布线层；
第二层为地线层；
第三层为电源层；
其中，所述信号布线层包括数据通信电路布线，所述数据通信电路布线包括相互隔离的前端回路和后端回路，所述前端回路和所述后端回路分别通过电阻与大地地线相连。
在一种可能的实施方式中，所述第一层和所述第六层的信号线路通过所述第二层的地平面回流。
在一种可能的实施方式中，所述信号线路包括数字信号线路，所述数字信号线路之间使用光耦隔离或磁耦隔离。
在一种可能的实施方式中，所述车辆控制器电路板中存在至少一个电源端口；
所述电源端口处连接滤波器组，用于抑制电源端的噪声。
在一种可能的实施方式中，所述滤波器组包括电解电容、共模电感、电感与两个电容组成的П型滤波以及并联的至少三个高频滤波电容。
在一种可能的实施方式中，所述车辆控制器电路板中的电源线路和接地线路连接旁路电容和/或去耦电容。
在一种可能的实施方式中，所述数据通信电路布线，用于实现所述车辆控制器与车辆通信总线的通信；
所述信号布线层还包括：
信号传输电路布线，用于传输数字信号和模拟信号；
微控制器电路布线，用于接收所述数字信号和/或所述模拟信号，并基于预设的控制策略生成对应的处理指令；
开关驱动电路布线，用于驱动所述车辆内除车辆控制器外的其他电控系统；
电源管理电路布线，用于将电压变换为所述车辆控制器各单元所需电压。
在一种可能的实施方式中，所述第一层、所述第三层和所述第六层的非信号部分均铺铜用于接地。
在一种可能的实施方式中，所述数据通信电路布线的输入线路连接静电保护器。
第二方面，提供一种车辆控制器，所述车辆控制器包括如第一方面所述的车辆控制器电路板。
本发明实施例的车辆控制器电路板被设计为六层电路板结构，其中，第一层、第四层、第五层和第六层为信号布线层，第二层为地线层，第三层为电源层。其中，所述信号布线层包括数据通信电路布线，所述数据通信电路布线包括相互隔离的前端回路和后端回路，所述前端回路和所述后端回路分别通过电阻连接所述第二层。本发明实施例采用专用的电源层及地线层，减小了电源线路阻抗，完整的地平面结合顶层、底层的覆铜设计，提供良好的抗干扰性能。同时，该车辆控制器电路板通过将数据通信电路中的前端回路和后端回路做单独的隔离处理，使每条回路有单独的隔离地。同时，每条回路并未直接与信号地连接，而是通过电阻与大地地线相连，从而避免数据通信电路的高速信号的信号线与地平面之间形成串扰。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是本发明实施例的车辆控制器电路板的结构示意图；
图2是本发明实施例的信号布线层的示意图；
图3是本发明实施例的数据通信电路布线回路隔离地的示意图；
图4是本发明实施例的电路静电放电的示意图；
图5是本发明实施例的滤波器组的示意图；
图6是本发明实施例的滤波器组电磁兼容性实验波形的示意图；
图7是本发明实施例的应用电路板的车辆控制器的示意图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
为易于说明，诸如“内”、“外”、“之下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等等的空间相关术语在此被用于描述图中例示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。将理解的是，空间相关术语可意欲包含设备在使用或操作中的除图中描绘的方位之外的不同的方位。例如，如果图中的设备被翻转，则被描述为在其它元件或特征“下方”或“之下”的元件于是将被定位为在该其它元件或特征“上方”。因而，示例术语“下方”能包含上方和下方的方位二者。设备可以以其它方式被定向（旋转90度或处于其它方位），并且在此使用的空间相关描述词应该被相应地解释。
除非上下文明确要求，否则整个申请文件中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图1是本发明实施例的车辆控制器电路板的结构示意图。如图1所示，所述车辆控制器电路板为六层电路板结构。具体包括：第一层101、第二层102、第三层103、第四层104、第五层105以及第六层106。
其中，第一层101、第四层104、第五层105和第六层106为信号布线层。第二层102为地线层。第三层103为电源层。相邻的任意两层之间均设置有绝缘层。信号布线层用于放置连接数字信号或模拟信号的铜膜走线。地线层用于放置各种地线。地线可以包括信号地（Signal ground，SG）、模拟地线（Analogground，AGND）、数字地线（Digital ground，DGND）、功率地线（Powerground，PGND）、交流地线（communicate ground，CGND）、大地地线（Earthground，EGND）以及悬浮地、热地、冷地等。其中，信号地就是零电位的参考点，也是构成电路信号回路的公共段。模拟地线，主要是用在模拟电路部分，如模拟传感器的ADC采集电路，运算放大比例电路、采样保持器、比较器的零电位参考点等。数字地线DGND也叫逻辑地，是数字电路的零点位参考点。是相对模拟地线AGND而言，主要是用于数字电路部分，比如按键检测电路，USB通信电路，单片机电路等。大功率电路，顾名思义，是电流比较大的电路。很显然大的电流，容易造成不同功能电路之间的地偏移现象。模拟地线AGND，和数字地线DGND以及功率地线PGND，都被归类为直流地线GND。这些不同种类的地线，最后都要汇集在一起，作为整个电路的0V参考地线，这个地线叫做电源地线GND。交流地线是指交流电的零线。大地地线，仅仅是连接到我们的地球，起到高压保护作用，没有参与项目电路功能，与电路功能无关。所以大地地线EGND，与其他类型的地线GND是存在明显电路含义区别的。悬浮地(FG)是系统中部分电路的地与整个系统的地不直接连接，而是通过变压器耦合或者直接不连接，处于悬浮状态。不同地线均可设置于地线层。
这样的电路板结构使得信号布线层尽可能相互隔离，避免了信号布线层走线的相互干扰。同时，电源层和地线层相邻，形成一个天然的电容结构，耦合性更好，起到退耦电容的作用，不需要设置很多的高频电容来退耦，信号更加稳定。
所述信号布线层，也就是第一层101、第四层104、第五层105和第六层106中的至少一层，包括数据通信电路布线，所述数据通信电路布线包括相互隔离的前端回路和后端回路，所述前端回路和所述后端回路分别通过电阻与大地地线相连。第一层和第六层的信号线通过第二层的地平面回流。电源层以及排列紧密的信号线/地线间距能够减小共模阻抗和感性耦合，两层信号走线之间的串扰小。
在信号布线层进行布线时，按照车辆控制器的工作流程，安排各个功能电路单元的位置，使得布局便于信号流通，并使信号可以保持一致的方向。针对每一功能电路单元，以该功能电路单元的核心元件为中心，围绕中心进行布局，各元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在电路板上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。
本申请实施例的车辆控制器电路板通过上述六层结构和布局实现了车辆控制器整体的电磁兼容设计。车辆控制器电路中的电磁兼容环境较为复杂。电磁耦合的途径主要有低频特征的传导耦合和高频辐射为特征的辐射干扰耦合。下面将从车辆控制器电路板上各功能电路单元的角度描述车辆控制器的电磁兼容设计。
图2是本发明实施例的信号布线层的示意图。如图2所示，除了数据通信电路布线201以外，所述信号布线层还包括：微控制器电路布线202、信号传输电路布线203、开关驱动电路布线204以及电源管理电路布线205。各电路布线在车辆控制器电路中的作用分别为：
数据通信电路布线201，用于实现所述车辆控制器与车辆通信总线的通信。
微控制器电路布线202，用于接收所述数字信号和/或所述模拟信号，并基于预设的控制策略生成对应的处理指令。
信号传输电路布线203，用于传输数字信号和模拟信号。
开关驱动电路布线204，用于驱动所述车辆内除车辆控制器外的其他电控系统。
电源管理电路布线205，用于将电压变换为所述车辆控制器各单元所需电压。
针对数据通信电路布线201，数据通信电路布线包括相互隔离的前端回路和后端回路，所述前端回路和所述后端回路分别通过电阻与大地地线相连。
图3是本发明实施例的数据通信电路布线回路隔离地的示意图。如图3所示，前端回路的接地线301和后端回路的接地线302分别通过1nF/3000V的静电保护和/或1M电阻305与大地地线“EGND”303相连，避免与数据通信电路中的高速信号和信号地304之间形成串扰。
其中，大地地线“EGND”303主要是针对电源回路电流所走的路径而言的。而信号地304主要是针对电路板不同模块之间的通信信号的回流所流过的路径。通常来说，大地地线“EGND”303流过的电流较大，而信号地304流过的电流很小。大地地线“EGND”303主要目的是为了保障人身和设备安全，起到高压保护作用，与电路功能无关。而信号地304是为使车辆控制器电路工作时有一个统一的参考电位，避免有害电磁场的干扰，使电子设备稳定可靠的工作，建立的电子设备中的信号电路应接地。在信号频率越来越高的车辆控制器电路中，经常会有串扰现象的产生。信号串扰（Cross-Talk）是在电气上没有连接的信号线路之间，如数据通信电路布线的隔离前端和隔离后端之间，产生的电磁耦合现象，一条信号线路上的电压或电流可以通过互感和互容耦合到相邻的信串号线路上，及对相邻的信号线路产生了不期望的干扰噪声。串扰噪声从攻击对象上以耦合电压或耦合电压的形式，交叉耦合到牺牲对象上，表现在只要有一条信号线路上有信号流通，电路板上与这条信号线路相邻的其他网络上就会感应出耦合电压或电流信号。
1M电阻305是避免静电放电（Electro-Static discharge，ESD）损坏电路而设置的。ESD是指具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移。静电放电时产生的电流传导往往会对阻抗最小路径上的微电子器件造成永久性损害，并在机壳孔缝位置产生很强的电磁干扰。因为用电容连接高压（ProtectingEarthing，PE）和电路板上的接地端（GND）的系统（浮地系统），当进入电路的电荷无处释放，会逐渐累积，抬升或降低GND相对PE的电平，累积到一定程度，超过了PE和电路之间的绝缘最薄弱处所能耐受的电压范围，GND和PE之间就会放电，几个纳秒间，在PCB上的产生数十到数百安培的电流，这足以让任何电路因EMP（电磁脉冲）宕机，或者是让PE与电路之间绝缘最薄弱处所在信号连接的器件损坏。而数据通信电路往往很容易受到影响。
图4是本发明实施例的电路静电放电的示意图。如图4所示，电路静电放电时，静电电流会寻找阻抗最小的路径并产生静电放电电流对应的电磁场从而干扰电路。为了避免静电放电对车辆控制器电路板上的各组件造成损害，车辆控制器通过低阻抗线缆可靠接地，并在壳体地（也就是大地地线）与信号地之间，采用阻容的形式做好静电防护。具体的，可用一个1~2M的电阻去慢慢释放这个电荷，以消除二者间的压差。如果电路板外壳有高压静电，则该大电阻也能有效降低电流，不会损坏电路板。
综上所述，在车辆控制器工作时，在信号布线层的数据通信电路布线中将相互隔离的前端回路和后端回路分别通过大电阻连接EGND，避免直接连接信号地造成串扰，使电路更加稳定。同时在易受影响的数据通信电路中还可以在输入输出电路中连接专用的TVS二极管进一步保证静电防护和浪涌防护。对其他底层和大地地线之间的电路采用防静电电容和电阻进行连接，保护车辆控制器的整体回路。
针对信号传输电路布线203，由于在实际布线中，将信号传输电路中的地线接到了第二层上形成了共地，其外部电路使用了DC-DC电压转化器进行了隔离，因此，其对应的模拟电路之间在保持正确的逻辑关系时，已经被切断了物理联系，所以不需要另外考虑模拟数字单点接地的问题。模拟信号线需要避开大电流和高频率器件，重要的模拟信号线采用地线包围的办法减少电磁耦合。另外，各信号传输线路之间还可以使用光耦隔离或磁耦隔离。
针对开关驱动电路布线204，由于开关驱动电路中传输大电流，因此，该模块主要考虑电路的散热问题。
车辆控制器中可以预见的主要发热器件是电源管理电路中的DC-DC电压转换器和开关驱动电路的MOS管。DC-DC电压转换器的空载电流低至0.1mA，满载电流大约500mA，MOS管满载功耗为12W，温度特性为2.5℃/W，因此在设计的时候需要特别考虑其散热的问题。
由于DC-DC电压转化器是采用模块化器件，在手册中特意强调无需外加散热，因此不用为其单独设计散热面。对于MOS管部分，在电路板上对MOS管贴片位置预留了大约55mm，六层的散热面积，并且用带孔的裸露焊盘进一步扩大散热面积，从而进一步改善散热条件。
针对电源管理电路布线205，电源管理电路布线205直接关系到整个电路板的稳定性能，整个电源系统由外部电源提供24V供电输入，电源输入电路布线连接TVS二极管、肖特基二极管组成反接保护电路，避免操作过程中的误插导致供电反向，损坏车辆控制器对应电路。所述车辆控制器电路板中存在至少一个电源端口，也就是说，电源管理电路布线205至少包括一个电源端口布线。在所述电源端口处连接滤波器组，用于抑制电源端的噪声。针对高频功率器件产生的传导噪声干扰，系统必须进行有效的滤波处理，从处理的干扰信号来源成分区分，可分为信号滤波器和电源滤波器。从需要滤除的干扰噪声频率与工作频率的相对关系来区分，采用的滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器，或者由不同滤波器组成的滤波网络，这种滤波网络只允许特定的频率成分通过，而对其余的频率成分进行抑制。常用的滤波器由电容和电感元件构成，根据不同的需要和参数进行搭配使用。
具体的，所述滤波器组包括电解电容、共模电感、电感与两个电容组成的П型滤波以及并联的至少三个高频滤波电容。图5是本发明实施例的滤波器组的示意图。如图5所示，10uF的电解电容501、57uH的PRS6055-570MT共模电感502以及10uF的电容503和1nF的电容504组成了П型EMI滤波回路。并在П型滤波回路就近并联了68nF、8.2nF和1nF三个容值电容505、506、507，用不同容值电容的截止频率不同这一特性，大容量的电容负责进行高通滤波和蓄能，小容量的电容负责进行低通滤波。从而滤除特定频率的噪声。
图6是本发明实施例的滤波器组电磁兼容性实验波形的示意图。如图6所示，经过实际的电磁兼容实验考核证明，采用该EMI滤波器件能够有效地减小车辆控制器的对外传导与辐射干扰信号。在电源端口处连接该滤波器组后，电路的电磁兼容性能明显提高。
电源经过电源端口输入24V的电流经由DC-DC电压转换器将电流变压为12V，为开关驱动电路回路提供供电电压。然后再经过线性稳压芯片为信号传输电路和数据通信电路提供5V供电，满足整体VCU所有的供电需求。车辆控制器的供电使能与保持回路由电阻串联具有快速关断能力的开关二极管BAV70构成，并通过MCU的IO口控制电源模块的使能“Ctrl”脚，完成电源芯片的上电使能工作。
综上所述，电源管理电路布线采用高性能的滤波器组进行滤波，通过不同频段的电容对不同频段的干扰信号进行过滤。有效抑制了电源管理电路布线引入的干扰信号，抑制纹波，达到优良的电源滤波效果。同时还可以在电源输入脚就近布置高频退耦电容，提高车辆控制器电路板工作稳定性，同时减小车辆控制器电路板工作时可能产生的干扰。
在一种可能的实施方式中，所述车辆控制器电路板中的电源线路和接地线路连接旁路电容和/或去耦电容。旁路（bypass）电容是把输入信号中的高频成分作为滤除对象。去耦（decoupling）电容，也称退耦电容，是把输出信号的干扰作为滤除对象。去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用。高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般是0.1u，0.01u等，而去耦合电容一般比较大，是10u或者更大。
综上所述，分别针对各功能电路单元进行电磁兼容设计以后，还可以针对车辆控制器电路整体布局进行设计。
在一种可能的实施方式中，在进行布线时，加宽电源和地线的宽度，减少环路电阻。不同线路之间的宽度关系为：地线＞电源线＞信号线。通常信号线宽为0.2～0.3mm，最细宽度可达0.05～0.07mm。电源线为1.2～2.5mm。地线一般在1.5～3mm。对于车辆控制器电路板来说，可用宽的地导线组成一个回路，即构成一个地网来使用用大面积铜层作地线用,在电路板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。此外本申请实施例中，车辆控制器的电路板是六层结构，在中间层采用阴刻工艺，电源部分采用铺铜形式增加电流载流量，而且铜被设计为和地GND相连，这样电路板上有较大面积和地GND相连的铜，可以利于电路板散热。其余部分均铺铜作为地层，对于连接至地层的设备，采用就近接地原则，这样既方便走线，又可以在一定程度提高抗干扰性能。同时，还需要避免相邻导线的线间串扰。因为有大面积的地线，导线的特性阻抗减小，这样大大减少了线间串扰的发生。但还是要避免平行数字信号导向的长距离走线。
此外，在关键电路布线时，比如上述数据通信电路布线201和电源管理电路布线205，可适量增加TVS二极管等ESD保护器件。ESD保护器件采用大面积接地设计，通过增加过孔，降低到地阻抗，进一步提高保护效果。
本发明实施例的车辆控制器电路板被设计为六层电路板结构，其中，第一层、第四层、第五层和第六层为信号布线层，第二层为地线层，第三层为电源层。其中，所述信号布线层包括数据通信电路布线，所述数据通信电路布线包括相互隔离的前端回路和后端回路，所述前端回路和所述后端回路分别通过电阻连接所述第二层。本发明实施例采用专用的电源层及地线层，减小了电源线路阻抗，完整的地平面结合顶层、底层的覆铜设计，提供良好的抗干扰性能。同时，该车辆控制器电路板通过将数据通信电路中的前端回路和后端回路做单独的隔离处理，使每条回路有单独的隔离地。同时，每条回路并未直接与信号地连接，而是通过电阻与大地地线相连，从而避免数据通信电路的高速信号的信号线与地平面之间形成串扰。
图7是本发明实施例的应用电路板的车辆控制器的示意图。如图7所示，本发明实施例提供一种车辆控制器72，包括有本发明实施例所提供的六层电路板71。
本发明实施例的车辆控制器由于采用了本发明实施例提供的六层电路板，通过调整六层电路板的布置顺序，使得信号布线层相互隔离，避免了布线层走线所带来的串扰，电源层与地线层紧邻，相互耦合好，形成一个天然的电容结构，起到退耦电容的作用，信号比较稳定。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种车辆控制器电路板，其特征在于，所述车辆控制器电路板为六层电路板结构；
其中，第一层、第四层、第五层和第六层为信号布线层；
第二层为地线层；
第三层为电源层；
其中，所述信号布线层包括数据通信电路布线，所述数据通信电路布线包括相互隔离的前端回路和后端回路，所述前端回路和所述后端回路分别通过电阻与大地地线相连；
所述车辆控制器电路板中的电源线路和接地线路连接旁路电容和/或去耦电容；
所述数据通信电路布线，用于实现所述车辆控制器与车辆通信总线的通信；
所述信号布线层还包括：
信号传输电路布线，用于传输数字信号和模拟信号；
微控制器电路布线，用于接收所述数字信号和/或所述模拟信号，并基于预设的控制策略生成对应的处理指令；
开关驱动电路布线，用于驱动所述车辆内除车辆控制器外的其他电控系统；
电源管理电路布线，用于将电压变换为所述车辆控制器各单元所需电压；
所述第一层、所述第三层和所述第六层的非信号部分均铺铜用于接地。
2.根据权利要求1所述的车辆控制器电路板，其特征在于，所述第一层和所述第六层的信号线路通过所述第二层的地平面回流。
3.根据权利要求2所述的车辆控制器电路板，其特征在于，所述信号线路包括数字信号线路，所述数字信号线路之间使用光耦隔离或磁耦隔离。
4.根据权利要求1所述的车辆控制器电路板，其特征在于，所述车辆控制器电路板中存在至少一个电源端口；
所述电源端口处连接滤波器组，用于抑制电源端的噪声。
5.根据权利要求4所述的车辆控制器电路板，其特征在于，所述滤波器组包括电解电容、共模电感、电感与两个电容组成的П型滤波以及并联的至少三个高频滤波电容。
6.根据权利要求1所述的车辆控制器电路板，其特征在于，所述数据通信电路布线的输入线路连接静电保护器。
7.一种车辆控制器，其特征在于，所述车辆控制器包括所述权利要求1-6任一项所述的车辆控制器电路板。
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