汽車電子中的電源接口防護(hù)電路設(shè)計(jì)分析

王祥楚

摘 要：隨著人民生活水平的提高，汽車已經(jīng)進(jìn)入千家萬(wàn)戶，汽車工業(yè)的發(fā)展給我們的生活帶來(lái)了巨大的變化，現(xiàn)在的汽車都在向著智能化、網(wǎng)聯(lián)化的方向發(fā)展，車載電子已經(jīng)成為汽車的重要組成部分，如何讓汽車上的各個(gè)電器設(shè)備穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，已經(jīng)成為提高汽車質(zhì)量、保障汽車安全的重要指標(biāo);電源是每個(gè)汽車電子設(shè)備正常工作的基礎(chǔ)，電源接口防護(hù)電路是保證汽車電子設(shè)備能獲得穩(wěn)定電源的先決條件。

關(guān)鍵詞：汽車電子;電源接口防護(hù);車載電源系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：? TP368? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

近年來(lái)汽車電子化程度越來(lái)越高，汽車上電子設(shè)備也越來(lái)越多，電源是汽車電子的基本需求，電源接口防護(hù)是保證電源能正常工作的基礎(chǔ)。該文從實(shí)踐電路設(shè)計(jì)著手，面對(duì)寬電壓、寬溫度、大電流沖擊等復(fù)雜車載環(huán)境，保證汽車電器設(shè)備能正常工作。

該公司的車載移動(dòng)數(shù)據(jù)終端產(chǎn)品出口歐美等多個(gè)國(guó)家，使人印象深刻的是第一個(gè)歐洲客戶定制的M73I（車載移動(dòng)數(shù)據(jù)終端），客人的要求是：支持寬電壓（9 V～36 V）輸入，通過(guò)ISO7637-2和ISO16750-2的2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)時(shí)我們把重點(diǎn)都放在3G模塊、WIFI模塊和GPS模塊的穩(wěn)定性調(diào)試上，第一版樣機(jī)拿到實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)，在測(cè)試過(guò)程中就發(fā)現(xiàn)樣機(jī)不能工作了，分析后發(fā)現(xiàn)是電源DC/DC芯片不工作了，以為是國(guó)產(chǎn)的DC/DC芯片達(dá)不到要求，就直接把DC/DC芯片換成TI的TPS5430，去做第二次測(cè)試，結(jié)果還是DC/DC芯片壞了，在實(shí)驗(yàn)室的指導(dǎo)下，才知道ISO7637-2和ISO16750-2的2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是模擬汽車在工作中的各種環(huán)境，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)是電源接口防護(hù)電路設(shè)計(jì)出現(xiàn)了問(wèn)題，下面對(duì)其防護(hù)原理進(jìn)行分析介紹。

1 汽車電源環(huán)境和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

車載電源系統(tǒng)環(huán)境比普通電源要復(fù)雜得多，因?yàn)槠囯姎庠O(shè)備在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生了大量的電磁干擾，通過(guò)輻射、傳導(dǎo)或者耦合等方式傳播到電源系統(tǒng)，從而影響電子設(shè)備的正常工作。汽車分為12 V和24 V電氣系統(tǒng)，車載電子產(chǎn)品的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ISO 16750-2《道路車輛-電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件試驗(yàn) 第2部分：電氣負(fù)荷》和ISO7637-2《道路車輛-由傳導(dǎo)和耦合引起的電騷擾 第二部分：沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)》，模擬了汽車在運(yùn)行過(guò)程中的各種工作狀況。

ISO16750-2中定義了供電電壓范圍（12V系統(tǒng)6? V～12V，24 V系統(tǒng)10 V～32 V）、過(guò)壓測(cè)試、反極性測(cè)試 、耐壓測(cè)試等，主要模擬車輛啟動(dòng)、拋負(fù)載、發(fā)電機(jī)故障等多種工作狀況下汽車電氣系統(tǒng)的變化。

ISO7637-2中定義了Pulse1、Pulse 2a/2b、Pulse 3a/3b和Pulse 5a/5b等7種不同脈沖寬度的波形干擾。

2 電源接口防護(hù)電路設(shè)計(jì)及器件選型說(shuō)明

我們了解了車載電源的環(huán)境和相關(guān)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，就可以根據(jù)這些要求去設(shè)計(jì)實(shí)際的電路。雖然不同的工程師或者不同的防護(hù)等級(jí)要求都會(huì)有不同的電路，下面介紹一種我們經(jīng)常用在車載電子產(chǎn)品上的電源接口防護(hù)電路，如圖1所示。

電路的分析和器件選型介紹如下，F(xiàn)1是PPTC（自恢復(fù)保險(xiǎn)絲），是一種具有自恢復(fù)特性的非線性過(guò)流保護(hù)器件，要根據(jù)電路的實(shí)際工作電流、工作電壓、動(dòng)作時(shí)間等參數(shù)來(lái)進(jìn)行選擇，特別要注意的是電流，要按實(shí)際工作電流的1.5倍來(lái)選擇。

D1為TVS管（瞬態(tài)抑制管），主要用于抗Pulse1/2a/2b/3a/3b;它加在電源進(jìn)線的前端，是浪涌抑制的關(guān)鍵器件，能起到浪涌削波和鉗位的作用，選擇TVS管要參考的重要參數(shù)是：一個(gè)是截止電壓，小于等于這個(gè)電壓時(shí)，TVS管處于截止?fàn)顟B(tài);一個(gè)是擊穿電壓，TVS管進(jìn)入雪崩擊穿的電壓;另外一個(gè)是鉗位電壓，鉗位電壓指的是在施加規(guī)定波形脈沖峰值電流時(shí)TVS管兩端的峰值電壓。TVS管的選擇要特別注意，以24 V系統(tǒng)為例，要達(dá)到ISO16750-2的要求，至少要選擇5 KP以上的TVS管，一般車載電源DC/DC芯片的輸入電壓都可以達(dá)到40 V以上，TVS管的鉗位電壓應(yīng)低于電源DC/DC芯片的最高電壓，那么鉗位電壓為35.5 V的5KP24A滿足這樣的要求，但是就容易出現(xiàn)TVS管雪崩擊穿的情況，因此，正常24 V系統(tǒng)選擇比較多的是5KP33A，它能夠保證在5a/5b脈沖時(shí)TVS管不會(huì)壞，但是其鉗位電壓就變成53.3 V了，已經(jīng)超出很多DC/DC芯片能承受的電壓，因此單獨(dú)加TVS管不能完全保證電路的安全。

此電路中，PPTC和TVS管都是電路中的重要器件，可以對(duì)浪涌起保護(hù)作用，有效地抑制脈沖的干擾。當(dāng)電流超過(guò)額定值時(shí)，PPTC的溫度升高阻值變大。當(dāng)有干擾脈沖進(jìn)入電源線路時(shí)，TVS管會(huì)動(dòng)作，對(duì)流向后端電路的瞬間電流進(jìn)行分流，PPTC的動(dòng)作速度會(huì)比TVS管來(lái)得慢，在大電流的作用下，PPTC呈高阻態(tài)，會(huì)斷開后級(jí)電路，減少TVS管的瀉流時(shí)間，對(duì)TVS管起保護(hù)作用。

D2為肖特基二極管，其作用是防止電源反接，正常反向擊穿電壓要超過(guò)200V，以免損壞后端器件，應(yīng)按照大于電路工作電流的2倍來(lái)選擇，同時(shí)也要考慮正向?qū)▔航岛凸摹?/p>

C1、C2、C3、C4、C5、C6、L1組成π型濾波電路，對(duì)Pulse1/2a/2b/3a/3b都有抑制作用，C1、C6正常是電解電容，一般是在220UF以上，主要作用是濾低頻;C2、C3、C4、C5是瓷片電容，值比較小，主要作用是濾高頻;這種常用電路就不作詳細(xì)分析了。

后端的DC/DC器件，要選擇輸入電壓比較寬的，例如：8 V～50 V，這樣適應(yīng)范圍就比較廣了。

3 結(jié)語(yǔ)

文中根據(jù)實(shí)踐分析，提出了一種可靠性高、成本低、簡(jiǎn)單實(shí)用的車載電子電源接口保護(hù)方案，詳細(xì)分析了TVS管的選擇問(wèn)題，有效解決了浪涌抑制的問(wèn)題 ，保護(hù)了電源芯片，該電路可以滿足普通車載電器的要求，具有工程推廣應(yīng)用價(jià)值。

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