車(chē)載控制器電源保護(hù)電路設(shè)計(jì)

袁志國(guó)

(延鋒百利得(上海)汽車(chē)安全系統(tǒng)有限公司，上海 201305)

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車(chē)載控制器電源保護(hù)電路設(shè)計(jì)

袁志國(guó)

(延鋒百利得(上海)汽車(chē)安全系統(tǒng)有限公司，上海 201305)

對(duì)車(chē)載控制器電源保護(hù)電路的需求進(jìn)行了整理；針對(duì)需求給出了典型電路設(shè)計(jì)，并詳細(xì)說(shuō)明了各設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。研究?jī)?nèi)容是對(duì)車(chē)載控制器電源保護(hù)電路的一個(gè)總結(jié)。

車(chē)載電源電路； 保護(hù)電路

0 引言

隨著汽車(chē)電子化程度越來(lái)越高，汽車(chē)上配備的各種控制器也越來(lái)越多?？刂破鞯墓δ芨鳟?，但是都需要電源模塊，因此建立電源模塊的開(kāi)發(fā)能力是汽車(chē)電子公司的基本要求。車(chē)載環(huán)境非常復(fù)雜，需要面對(duì)寬電壓范圍、寬溫度范圍、大電流沖擊、低靜態(tài)電流消耗等惡劣情況。

1 電源需求匯總

對(duì)于12 V系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電源電壓波動(dòng)定義見(jiàn)ISO16750-2中Code A/B/C/D等，常見(jiàn)的要求是Code C、9～16 V，控制器在這個(gè)電壓范圍內(nèi)都需要滿(mǎn)足Class A。除此之外，電源設(shè)計(jì)還必須考慮ISO 7637-2規(guī)定的由于負(fù)載突變而產(chǎn)生的大的正負(fù)脈沖沖擊，ISO 16750-2規(guī)定的冷車(chē)啟動(dòng)、拋負(fù)載、發(fā)電機(jī)故障、雙電池泵電、電池反接等諸多工況。

ISO 7637-2中定義了Pulse1、Pulse 2a/2b、Pulse 3a/3b[1]等5種寬度不等的、幅度從-206.5～163.5 V的脈沖波形，測(cè)試溫度為23 ℃。

原ISO 7637-2中定義的Pulse4和Pulse 5a/5b脈沖波形改到ISO 16750-2中定義。Pulse4即為冷車(chē)啟動(dòng)，在啟動(dòng)機(jī)拖動(dòng)過(guò)程中，電池電壓可能跌到4.5 V甚至3 V，功能要求Class B或者C。

Pulse 5a/5b拋負(fù)載是模擬發(fā)電機(jī)在對(duì)虧電電池充電過(guò)程中電池脫落瞬間產(chǎn)生的大電流沖擊。電壓可瞬間達(dá)到79～101 V，持續(xù)時(shí)間40～400 ms，內(nèi)阻0.5～4 s[2]。其中Pulse 5a是模擬沒(méi)有中央拋負(fù)載抑制器的原始波形，Pulse 5b是模擬有中央拋負(fù)載抑制器抑制后的波形，抑制器將拋負(fù)載電壓鉗位到35 V。為了避免每個(gè)控制器都需要增加拋負(fù)載抑制器，增加整車(chē)成本，現(xiàn)在大多數(shù)新型發(fā)電機(jī)內(nèi)部都配置有拋負(fù)載抑制器，因此車(chē)身上其他控制器只需要考慮Pulse 5b波形即可。

發(fā)電機(jī)故障要求控制器能在比控制器最高工作溫度低20 ℃的溫度下18 V工作1 h[2]，至少滿(mǎn)足Class C的要求，常見(jiàn)是滿(mǎn)足Class A。

雙電池泵電是在常溫下測(cè)試，ISO 16750-2要求24 V能抗1 min，至少滿(mǎn)足Class D的功能需求，常見(jiàn)要求是Class C。有時(shí)候要考慮用柴油機(jī)跳線(xiàn)啟動(dòng)，因此很多OEM將此需求的電壓提高到28 V。

2 電源保護(hù)電路設(shè)計(jì)

在清楚了車(chē)載電源的以上常見(jiàn)需求以及客戶(hù)的特別需求后，就可以根據(jù)產(chǎn)品自身的特點(diǎn)設(shè)計(jì)最適合的保護(hù)電路。常見(jiàn)電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1中各器件功能說(shuō)明如下：

C3是ESD保護(hù)電容，容值常見(jiàn)介于1～100 nF之間，封裝不宜大于0603；

D2為雙向TVS管，主要用于抗Pulse1/2a/2b/3a/3b；

R1、R2構(gòu)成分壓電路對(duì)電源電壓進(jìn)行采樣監(jiān)控，R1、R2的阻值對(duì)控制器的靜態(tài)電流有影響，其阻值不能選擇太??；

D1的作用是防止電源反接，其電流能力、熱功耗是首要考慮的。其正向?qū)▔航祵?duì)系統(tǒng)的最小工作電壓能力有影響；

D3是放在防反二極管后面的單向TVS管，與D2是二選一。D3與D1一起組合抗Pulse1/2a/2b/3a/3b，要求D1的反向擊穿電壓超過(guò)200 V，D1抗負(fù)脈沖，D3抗正脈沖；選擇D1和D2組合，一般是用于對(duì)最低工作電壓要求比較高，D1選用正向壓降比較小、反向擊穿電壓也比較小的肖特基二極管。

C1、C2是組合的高低頻濾波器，對(duì)Pulse1/2a/2b/3a/3b有一定抑制作用。

D2/D3的擊穿電壓和擊穿電流計(jì)算方法如下：

式中：ε為脈沖的瞬態(tài)峰值；r為脈沖的內(nèi)阻；Icl為瞬態(tài)擊穿的鉗位電流；Vcl為瞬態(tài)擊穿的鉗位電壓；Vcl0為擊穿電流為1 mA時(shí)候的擊穿電壓；RD為擊穿時(shí)的電壓/電流曲線(xiàn)斜率。

由于雙電池泵電持續(xù)時(shí)間是1 min，對(duì)于二極管來(lái)說(shuō)算是持續(xù)電壓了，因此D2/D3的擊穿電壓Vcl要求高于雙電池泵電電壓，按照以上推導(dǎo)公式計(jì)算出的Vcl電壓很可能超過(guò)后級(jí)電壓調(diào)節(jié)器的最大允許輸入電壓。因此，抗Pulse1/2a/2b/3a/3b需要TVS管與C1/C2共同作用。TVS管對(duì)電壓脈沖的響應(yīng)時(shí)間很快，達(dá)到納秒級(jí)，比脈沖的上升下降時(shí)間tr還快。脈沖到來(lái)的時(shí)候，TVS管先響應(yīng)，接著電容的穩(wěn)壓作用體現(xiàn)出來(lái)，保證電壓調(diào)節(jié)器的輸入電壓在電壓調(diào)節(jié)器的允許范圍之內(nèi)。另外，電壓調(diào)節(jié)器標(biāo)稱(chēng)的最大工作電壓是允許持續(xù)輸入的最大電壓，其實(shí)，電壓調(diào)節(jié)器還能抗一些寬度較窄的高電壓脈沖，只是并不是每個(gè)芯片手冊(cè)中都有描述，細(xì)節(jié)可見(jiàn)電壓調(diào)節(jié)器的EMC測(cè)試報(bào)告。

由于功耗和散熱的原因，使用二極管作為防反保護(hù)的電路一般只能提供幾百毫安的電流能力。當(dāng)電路板上還有其他大電流負(fù)載(如電機(jī)或大的加熱器件)需要供電的時(shí)候，就需要采用圖1中的MOS管防反保護(hù)電路了。Q1是N-MOS管，電源從MOS管的源極輸入，漏極輸出。柵極電壓必須比源極的電池電壓還高一些才能使N-MOS管導(dǎo)通，常見(jiàn)的是采用電荷泵電路來(lái)驅(qū)動(dòng)此N-MOS管。當(dāng)電池反接的時(shí)候，為了使MOS管的柵源兩級(jí)有效導(dǎo)通、N-MOS管有效截止，增加了三極管T1和電阻R3。當(dāng)電池反接的時(shí)候，T1處于導(dǎo)通狀態(tài)，有效地將N-MOS管截止。三極管的基級(jí)和發(fā)射極之間的擊穿電壓一般比較低，為了防止電源上的正脈沖將三極管損壞，在基級(jí)串聯(lián)反向擊穿電壓較高的二極管D4來(lái)防止三極管擊穿。也可以用圖2中的Q2、T2、D5、R6組成的防反電路。區(qū)別是Q1、T1、D4、R3電路對(duì)D4的方向擊穿電壓有一定要求，Q2、T2、D5、R6電路對(duì)D5的方向擊穿電壓沒(méi)有太大要求，但是D5和R6掛接在UBD上，需要消耗一定的靜態(tài)電流，因此R6要選擇大一些，T2的放大倍數(shù)也最好大一些。如果電路中沒(méi)有恰當(dāng)?shù)碾姾杀秒娐?，也不愿意使用分立的電荷泵電路，可以考慮使用圖3的P-MOS管作為防反保護(hù)電路。圖中穩(wěn)壓管D6起鉗位作用，防止雙電池泵電或拋負(fù)載等工況下，高電壓將P-MOS管的柵源級(jí)擊穿。

圖2 大電流負(fù)載的電源保護(hù)電路

圖3 P-MOS防反保護(hù)電路

一般情況下，大電流負(fù)載的EMC情況比較惡劣，因此MOS管防反還有π形濾波設(shè)計(jì)，如圖1中的L1、C4、C5、C6、C7、C8。π形濾波的設(shè)計(jì)和選型跟負(fù)載的阻抗、頻帶、紋波電流等有關(guān)，在此不展開(kāi)描述。一般情況會(huì)至少有一顆大容值的電解電容(電解電容是單極性的，只能出現(xiàn)在防反電路之后)，容值越大，其靜態(tài)電流也越大。如Lelon的一個(gè)電解電容漏電流描述如圖4所示。在電池電壓12 V情況下，一個(gè)2 200 μF電容在常溫20 ℃下的漏電流就達(dá)到0.01×2 200×12=264 μA。這么大的漏電流OEM是很難接受的。因此增加圖2中的Q3和R4，作為一個(gè)后級(jí)供電的開(kāi)關(guān)使用，在后級(jí)工作之前先將Q3打開(kāi)，待機(jī)工況下Q3是關(guān)斷的，使漏電流常溫下降低到1 μA左右。另外，在Q3開(kāi)啟瞬間，UBD會(huì)對(duì)電解電容進(jìn)行充電到

12 V左右，充電電流瞬間可能達(dá)到100 A，對(duì)電源系統(tǒng)是一個(gè)不小的沖擊，甚至干擾其他控制器的正常工作。因此，可以考慮增加圖2中的U2和R5電路，在開(kāi)啟Q3之前先開(kāi)啟U2通過(guò)R5對(duì)電解電容進(jìn)行慢充，減小對(duì)電源系統(tǒng)的沖擊，此電路又額外增加0.5 μA的漏電流消耗。

圖4 Lelon電解電容漏電流描述

3 結(jié)束語(yǔ)

關(guān)于冷車(chē)啟動(dòng)波形，不同客戶(hù)、不同產(chǎn)品要求差別很大，電壓低到6、4.5、3 V等都有，各功能模塊在不同電壓下的工作狀態(tài)要求需要根據(jù)不同的安全策略要求客戶(hù)化地詳細(xì)定義。這需要對(duì)各級(jí)電源模塊的壓降、欠壓閾值、復(fù)位電路的邏輯設(shè)計(jì)等進(jìn)行系統(tǒng)的綜合評(píng)估和設(shè)計(jì)，因產(chǎn)品而異，差別很大。

[1]ISO7637-2-2011 Road Vehicles-electrical Disturbances from Conduction and Coupling:Part 2:Electrical Transient Conduction along Supply Lines Only[S].

[2]ISO 16750-2-2010 Road Vehicles-environmental Conditions and Testing for Electrical and Electronic Equipment:Part 2:Electrical Loads[S].

Vehicle ECU Power Supplier Protection Circuit Design

YUAN Zhiguo

(Yanfeng KSS(Shanghai) Automotive Safety System Co.,Ltd., Shanghai 201305,China)

The requirements for vehicle controller unit power supplier protection circuit were illustrated. Some typical circuits were given as examples to fulfill the requirements, and the design key points were explained. This research is a good summary about power supplier protection circuit.

Vehicle power supplier circuit; Protection circuit

2017-05-05

袁志國(guó)(1982—)，男，碩士, 工程師，主要從事電路開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作。E-mail：yuan_sjtu@126.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.07.014

U466

A

1674-1986(2017)07-051-03