車(chē)載監(jiān)控終端電源的浪涌抑制電路設(shè)計(jì)

洪炳林

摘 要：文章介紹了《ISO7637-2 道路車(chē)輛—由傳導(dǎo)和耦合引起的電騷擾 第2部分：沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)》。通過(guò)分析標(biāo)準(zhǔn)中的脈沖波形，設(shè)計(jì)一款可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的高可靠低成本電路，該電路與傳統(tǒng)電路相比，具有良好的浪涌抑制性能，并通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該電路。

關(guān)鍵詞：干擾抑制；脈沖；瞬態(tài)傳導(dǎo)；車(chē)載遠(yuǎn)程監(jiān)控終端

隨著現(xiàn)代汽車(chē)的高速發(fā)展，大量的電子設(shè)備用在汽車(chē)上，包括感性負(fù)載、容性負(fù)載、發(fā)電機(jī)等設(shè)備，這些設(shè)備都接在電源上，不定時(shí)地突加、突卸，或發(fā)生各種故障，都可能產(chǎn)生大量電磁干擾，這些干擾可通過(guò)傳導(dǎo)、耦合、輻射的方式干擾電子設(shè)備，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致設(shè)置死機(jī)甚至損壞，因?yàn)樗性O(shè)備的電源都并聯(lián)在一起，通過(guò)電源線帶來(lái)的破壞是最嚴(yán)重的。因此，高性能的車(chē)載電源設(shè)計(jì)是車(chē)載電子設(shè)備可靠工作的保障[1-2]。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO7637針對(duì)道路車(chē)輛及其掛車(chē)內(nèi)通過(guò)傳導(dǎo)和耦合引起的電干擾，提出了沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)及測(cè)試方法，適用于12 V或24 V的電氣系統(tǒng)車(chē)輛[3]。我們?cè)O(shè)計(jì)的電路必須滿足ISO7637標(biāo)準(zhǔn)才能可靠安全地安裝在汽車(chē)上。

1 ISO7637標(biāo)準(zhǔn)介紹

ISO7637規(guī)定了5種脈沖波形，歸納了大部分汽車(chē)可能發(fā)生的情況所帶來(lái)的電源沖擊和干擾，我們的車(chē)載遠(yuǎn)程監(jiān)控終端只有通過(guò)這5種脈沖波形的沖擊，才能保證在實(shí)際使用過(guò)程中，相對(duì)可靠地運(yùn)行。24 V系統(tǒng)推薦的試驗(yàn)等級(jí)如表1所示。

2 電路設(shè)計(jì)部分

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖1所示，原理上正高壓是通過(guò)瞬態(tài)抑制（Transient Voltage Suppressor，TVS）管強(qiáng)制吸收泄放，負(fù)壓是采用串聯(lián)的二極管來(lái)防止負(fù)壓沖擊。D40二極管需要足夠的反向耐壓保證在負(fù)脈沖﹣600 V處不會(huì)被擊穿，此處選擇3 A的肖特基二極管1N5408，反向電壓1 000 V。對(duì)于脈沖1、脈沖3a、脈沖4的負(fù)壓有很好的抑制阻斷作用。對(duì)于脈沖2a、脈沖3b、脈沖5a、脈沖5b的高正向電壓通過(guò)D13的TVS吸收。該電路的缺點(diǎn)是，對(duì)于脈沖5a，因?yàn)殡妷鹤罡?174 V，持續(xù)時(shí)間最大350 ms，瞬間能量很大，需要用很大的TVS管，會(huì)大大提高電路成本。同時(shí)，在干擾的瞬間D40二極管和D13 TVS管所承受的應(yīng)力非常大，而且該吸收電路，在吸收嵌位的時(shí)候，瞬間電流能達(dá)到50 A以上，電源線上的保險(xiǎn)絲容易燒斷。TVS后的電源芯片需要選擇高耐壓，比TVS的嵌位電壓更高耐壓的電源芯片，對(duì)于24 V的車(chē)電系統(tǒng)，根據(jù)《GBT 19056—2012 汽車(chē)行駛記錄儀（工信部3C）》中的5.3.3要求，對(duì)于24 V的系統(tǒng)要求車(chē)載遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的電源需要在36 V條件下仍然正常工作1 min，所以TVS需要選擇5KP36A，TVS后的電源芯片耐壓至少要60 V以上，保證電源芯片的安全。綜上幾點(diǎn)，電路的成本相對(duì)較高，對(duì)電路的要求較高。

新的設(shè)計(jì)方案如圖2所示，原理是：通過(guò)金屬氧化物半導(dǎo)體（Metal Oxide Semiconductor，MOS）管的嵌位作用，限制輸出端的電壓。電路介紹如下：N溝道MOS管特性分析：此電路選擇14N30管，RDS（on）= 290 mΩ，在VGS = 10 V時(shí)，I D = 7 A。耐壓VDSS=300 V，保證VDSS>脈沖5a的最高電壓（+174 V）。ID>車(chē)載遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的工作電流0.2 A。管子最大功耗PD=140 W。按MOS管S極輸出為32 V電壓計(jì)算，當(dāng)脈沖5a最高電壓174 V通過(guò)時(shí)，管子的DS壓降為△U=174-32=142 V。公稱(chēng)壓力（Nominal Pressure，PN）結(jié)的最高結(jié)溫為150 ℃，如果設(shè)備工作在75 ℃條件下。按熱導(dǎo)為1.12 W/℃計(jì)算。功耗P=（150-75）×1.12 = 84 W。最大電流IP=84 W/（174 V-32 V）=0.59 A。如果設(shè)備超過(guò)該工作電流，MOS管會(huì)瞬間過(guò)熱溫度超過(guò)PN結(jié)而損壞，表現(xiàn)為GDS擊穿等現(xiàn)象，應(yīng)用中需要控制工作電流小于0.59 A。

對(duì)高電壓干擾信號(hào)不吸收，而是采用高耐壓MOS管來(lái)阻擋高壓傳給后級(jí)的方法。工作原理如下：當(dāng)VCC_CAR 的24 V車(chē)電進(jìn)來(lái)后，通過(guò)R7電阻使D2 的G極電壓達(dá)到24 V，VGS（TH）按4 V計(jì)算，滿足VGS>VGS（TH），所以D2 MOS管的DS極導(dǎo)通，DS極導(dǎo)通后，后面的DC-DC啟動(dòng)，脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）來(lái)自于DC-DC的PWM腳，與D11和D14構(gòu)成倍壓電路，使D14負(fù)極處的電壓接近48V，該電壓通過(guò)R6限流和D10的穩(wěn)壓，穩(wěn)定到36 V。因?yàn)閷?dǎo)通后，只要保持VGS>VGS（TH），即可保證D2可靠導(dǎo)通。所以在24 V供電的情況下，該電路正常導(dǎo)通。

圖2 基于MOS管的干擾抑制電路

以脈沖5a的波形來(lái)分析該電路的保護(hù)作用。脈沖5a的波形如圖3所示。當(dāng)輸入電壓升高到40 V以上后，由于D10穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓嵌位作用，D2 MOS管的G極電壓穩(wěn)定在36 V。因?yàn)镸OS管的DS極導(dǎo)通的條件是VGS>VGS（TH），VGS（TH）按規(guī)格書(shū)在4 V內(nèi)，所以供電電壓（Volt Current Condenser，VCC）的電壓嵌位到32 V。就算前端電壓升到174V，也可以將VCC的電壓嵌位到32V。如果VCC>32 V，因?yàn)镸OS管G極的電壓被穩(wěn)壓在36 V，很快會(huì)破壞VGS>VGS（TH）的條件，讓MOS截止，所以VCC不可能高于32 V。該電路的性能取決于MOS管的參數(shù)。首先MOS管的耐壓需要大于174 V，而14N30的VDSS電壓可以達(dá)到300 V，滿足要求。其次，因?yàn)楦邏焊蓴_過(guò)來(lái)的時(shí)候，MOS管DS之間的壓差會(huì)比較大，瞬間功耗取決于壓差和流過(guò)MOS管的電流。因?yàn)橛涗泝x工作電流較小，所以該電路可安全使用。

3 測(cè)試驗(yàn)證

主要通過(guò)最高正壓的波形來(lái)驗(yàn)證選擇脈沖5a波形來(lái)做實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖3），實(shí)驗(yàn)環(huán)境安裝ISO7637的標(biāo)準(zhǔn)搭建。

脈沖5a（Us=+174 V，Ri=1 Ω，td=350 ms），用示波器捕捉脈沖1和經(jīng)過(guò)MOS管后級(jí)S級(jí)VCC的波形，可以看出后級(jí)VCC最高電壓不超過(guò)32 V。實(shí)驗(yàn)完成后，T-BOX設(shè)備正常。達(dá)到ISO7637中規(guī)定的功能等級(jí)A級(jí)。圖3VCC_CAR_IN為車(chē)電輸入的電壓，可以看出有5a波形，VCC為MOS管后端電壓，當(dāng)5a波形沖擊的時(shí)候，可以嵌位到32 V的最高電壓，從而保證后端電路的安全可靠。

利用脈沖5a波形配合負(fù)載做MOS管的耐受極限實(shí)驗(yàn)，可以看出與理論計(jì)算的IP=0.59 A是比較接近的。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該電路具有很好的抗電源瞬態(tài)傳導(dǎo)的能力，滿足ISO7637的認(rèn)證要求，很大程度上提高了產(chǎn)品的可靠性。endprint