汽車產(chǎn)品電源電路設計

【摘" 要】隨著新興技術的發(fā)展，汽車制造業(yè)對汽車技術的要求越來越高，汽車產(chǎn)品電源電路的科學化設計對產(chǎn)品可靠性的影響越來越重要。文章基于電源電路設計圖，將汽車產(chǎn)品電源電路分為輸入抗擾、電壓轉(zhuǎn)換、電源電壓監(jiān)控、輸出抗擾儲能4大模塊，并對各大模塊中每個元器件的選型策略和關鍵參數(shù)進行著重闡述，結(jié)合產(chǎn)品負載大小，把電源各部分作為模塊化使用，可減少重復開發(fā)，有利于節(jié)省成本。

【關鍵詞】汽車；電源電路；選型；關鍵參數(shù)

中圖分類號：U463.62" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2023 ）11-0051-02

Power Circuit Design for Automotive Products

ZHANG Xiaoxi，HU Sunjie，PENG Shixiang，CAO Deyou

（Zhejiang Changjiang Automotive Electronics Co.，Ltd.，Wenzhou 325024，China）

【Abstract】With the development of car manufacturing technology，the scientific design of power supply circuits in automotive products has become increasingly important in affecting product reliability. Based on the power circuit design diagram，the article divides the power circuit of automotive products into four modules：input anti-interference，voltage conversion，power voltage monitoring，and output anti-interference energy storage. It emphasizes the selection strategy and key parameters of each component in each module，and combines the load size of the product to use each part of the power supply as a module，which can reduce repeated development and help save costs.

【Key words】automobile; power circuit; selection; key parameter

1" 研究背景

目前，中國已經(jīng)成為世界汽車保有量最大的國家，尤其是在新能源汽車方面，已經(jīng)成功實現(xiàn)了彎道超車，意味著中國未來汽車的發(fā)展道路日益清晰。另外，汽車早已成為人們出行不可或缺的重要部分，中國的汽車需求量只會日益激增，而汽車電源電路作為汽車動力和能源的提供者，是每輛汽車中不可缺少的部分，是直接影響汽車其他零部件可靠性的重要因素。保障汽車電源電路的科學化設計，對汽車整體的影響至關重要。

基于以上考慮，如何更好解決電源電路科學性設計成為研制汽車首要考慮的問題。首先，汽車的電源電路設計要考慮汽車使用中出現(xiàn)的一些外部干擾及其他環(huán)境因素的影響。其次，還需要考慮電源電路本身所選用的元器件使用壽命、元器件失效率以及元器件之間的適配可能出現(xiàn)的最壞情況及冗余設計等情況。

2" 設計實現(xiàn)

電源電路是指給控制系統(tǒng)提供恒定電壓的電源管理電路，可分為輸入抗擾、電壓轉(zhuǎn)換、電源電壓監(jiān)控、輸出抗擾儲能4個部分。電源電路設計如圖1所示。

2.1" 輸入抗擾部分

電路中的輸入抗擾部分在電源電路的設計中能有效地去除來自內(nèi)外部的干擾信號，外部主要表現(xiàn)為電源上面的干擾信號，內(nèi)部主要是來自電源電路輸出負載端對外的輻射干擾信號。輸入抗擾部分的性能與元器件選型密不可分，接下來將對各元器件的選型要點一一進行說明。

1）瞬變電壓抑制二極管TV2選型要根據(jù)外部干擾脈沖時間和能量來選擇參數(shù)，如圖2所示。一般，起動時間推薦選＜10/1000μs；能量上，最大承受功率推薦選擇＞1500W；最小擊穿電壓VBR推薦選擇36V±1V；最高嵌位電壓Vc推薦選擇48V±1V；漏電流IR推薦選擇≤1μA；工作溫度推薦選擇范圍≥-40～105℃，汽車級認證需要滿足AEC-Q 101認證；峰值脈沖電流Ipp推薦選擇≥3A；截止電壓VRM推薦選擇30V±1V。

2）電容C66、電容C67、電容C68這3個元器件并聯(lián)組成高頻濾波器，在選擇時，要考慮電容諧振頻率、耐壓值、工作溫度和抗ESD能力。一般諧振頻率參數(shù)由電容廠家提供。由于整車電源線束長度為1.5～2m，遵循λ/2、λ/4、λ/8、λ/16天線原理，容易接收和發(fā)射10～200MHz的干擾信號。在產(chǎn)品設計中，一般選擇0.1μF、0.01μF、1000pF這3個陶瓷電容組成的10～200MHz濾波頻段，如表1所示，能有效消除來自電源線束的干擾信號，甚至可以清除自身MCU等有源振蕩信號通過電源線對外形成的干擾輻射信號。由于C66、C67、C68元器件前端有瞬變電壓抑制二極管TV2，可以將電壓鉗位在35V，因此，這里的電容耐壓值可以選擇≥100V，工作溫度選擇范圍在-40～105℃即可，如果電容旁邊有溫升高的元器件可以適當提高耐高溫范圍。從電容封裝參數(shù)上看，由于大封裝陶瓷電容ESD能力比小封裝優(yōu)秀，端口位置一般都要選擇封裝≥0805封裝陶瓷電容。如果電路有功能安全等要求，要考慮2個同型號電容進行串聯(lián)接入的情況，同時PCB設計時要將2個串聯(lián)電容之間垂直90°擺放，防止因線路板變形損傷電容，導致電容擊穿短路，造成電源與搭鐵線短路，從而發(fā)生燒車事故。

3）反極性二極管D3和D1主要用于電路電源反極性保護，在選擇時，要考慮車輛正常工作電壓、外部干擾脈沖幅值及負載電流再決定選擇關鍵參數(shù)，關鍵參數(shù)有反極性耐壓、反極性漏電流、正向?qū)▔航怠⒄驅(qū)娏?、反向截止時間、工作溫度、熱阻系數(shù)。由于1和3b號脈沖為-150V，需要選擇反極性耐壓值≥200V，反極性漏電流≤5μA，正向?qū)▔航怠?.1V，額定電流要≥1.5倍負載電流。根據(jù)負載電流與壓降計算熱阻，需要保證溫升≤35℃。

4）電解電容C70和C53在耐壓選型考慮時，要選擇高于瞬變電壓抑制二極管最大嵌位的電壓值，其電容值要根據(jù)輸入干擾信號類型、產(chǎn)品狀態(tài)要求、負載電流等因素確定，能夠排除瞬態(tài)干擾帶來的影響，保障系統(tǒng)可靠的供電。參數(shù)中的漏電流值是根據(jù)電容量和耐壓值決定的，電解電容值一般選擇220μF，耐壓選擇50V，同時可以根據(jù)公式計算，即漏電流=0.01×C×V×6%（實際電壓比額定電壓比值30%）=0.01×50V×220μF×6%=6.6μA。

根據(jù)τ=RC（圖3）放電時間要求，假設電源電壓為12V，負載電流為70mA，而電解電容可維持時間=12V/70mA×100μF=17.1ms，可以保證受到外部干擾脈沖時能維持后續(xù)供電穩(wěn)定性。

5）電容C69和C63主要作用是應對高頻干擾信號，防止輸入高頻干擾信號影響后端正常工作，同時也防止后端高頻干擾信號通過電源端口傳送到線束，再通過線束輻射到空間上，從而影響收音機正常工作。由于收音機常用頻段為100MHz左右，10nF電容、諧振頻率100MHz左右的最為合適。

6）電阻R137和電容C112兩個元器件組成能夠發(fā)揮搭鐵線隔離作用，主要是防止大電流負載產(chǎn)生地漂，影響系統(tǒng)正常工作。選擇時，需要考慮0Ω電阻功率。

2.2" 電壓轉(zhuǎn)換部分

電壓轉(zhuǎn)換部分主要作用是將蓄電池9～16V電壓轉(zhuǎn)換成控制系統(tǒng)中所需的3.3V或者5V電壓，其作用的最大化離不開元器件的選擇。

低壓差電源管理芯片U6選型時，需要考慮輸入最高電壓、熱阻、工作溫度、輸出電壓范圍、最大輸出電流、輸入與輸出最大電壓差、靜態(tài)功耗等。輸入最高電壓建議選擇≥28V，同時需要滿足40V（0.5s）以及抵抗2a和5b脈沖。輸入與輸出最大電壓差建議≤0.5V，靜態(tài)功耗≤40μA。根據(jù)輸出負載電流熱阻，需≤35℃。輸出電壓范圍需要根據(jù)控制系統(tǒng)供電要求5V或者3.3V進行選擇，輸出電壓精度控制在2%以內(nèi)。

2.3" 輸出抗擾儲能部分

輸出抗擾儲能部分的作用是配合低壓差電源管理芯片恒定輸出電壓，同時消除來自負載端的高頻干擾信號，防止對外產(chǎn)生輻射發(fā)射。

1）在選擇電解電容C81時，要考慮 ESR值、漏電流、電容值、耐壓等參數(shù)。ESR值一般在低壓差電源管理芯片數(shù)據(jù)手冊上有推薦值。低壓差電源管理芯片輸出端口電解電容推薦使用100μF容值。

根據(jù)τ=RC放電時間要求，假設5V系統(tǒng)，最大功耗50mA，電解電容可維持時間=5V/50mA×100μF=10ms，可以滿足負載電流在波動時控制系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性。

2）在電容C72的選擇上，由于電容C72是去耦電容，是為了去除低壓差電源管理芯片輸出端口高頻干擾信號和一些有源芯片對電源上產(chǎn)生的干擾，選型時要考慮有源芯片工作頻率，比如總線頻率24MHz單片機要選擇100nF電容，其諧振頻率點也在24MHz左右，這樣能有效防止單片機工作頻率通過產(chǎn)品線束對外產(chǎn)生輻射。

2.4" 電源電壓監(jiān)控部分

電源電壓監(jiān)控部分的作用是當輸出電壓處于欠壓時，能直接輸出復位信號給與負載端控制系統(tǒng)，防止在電源電壓欠壓時運行，導致系統(tǒng)出現(xiàn)非預期動作。

電源電壓控制部分要考慮電阻R100、電阻R101和濾波電容C82的選擇。

1）電阻R100是電源電壓監(jiān)控輸出OC門上拉電阻，若要選擇最小電阻值，需要考慮OC門最大導通電流，如果電阻值過小，會造成OC門因為輸入電流過大而損壞芯片；若要選擇最大電阻值，則要考慮高電平上拉能力，電阻值過大會造成Reset端口上電過慢和受到高頻干擾信號端口異常被拉低電平，最終造成單片機異常復位。

2）電阻R101為Reset電路限流電阻，其主要作用是與電阻R100和電容C82組成濾波電路，防止瞬態(tài)干擾脈沖造成單片機異常復位。在電阻值選擇上也需要考慮濾波時間和抗干擾能力。

3）單片機Reset端口濾波電容C82的主要作用是防止高頻信號進入單片機造成異常復位，設計時也需要注意考慮選型問題。

3" 總結(jié)

總之，只有在所有元器件正常運行的情況下，才能保證電源電路在汽車面臨惡劣環(huán)境下各個性能的可靠性。設計時，根據(jù)產(chǎn)品負載大小，可以讓電源模塊作為模塊化或者平臺化去使用，減少重復開發(fā)，進而提高開發(fā)效率及可靠性。另外，為了應對全球缺芯問題，為保證后續(xù)產(chǎn)品供貨穩(wěn)定性，元器件選型建議盡量采用國產(chǎn)品牌。

（編輯" 凌" 波）

作者簡介

張小西，女，工程師，從事汽車空調(diào)以及開關類的硬件、軟件、測試驗證等工作；胡孫杰，男，工程師，從事汽車零部件測試設備的研發(fā)工作；彭時翔，男，工程師，從事汽車空調(diào)以及面板類的硬件、軟件、測試驗證等工作。