車載通信終端防浪涌電路的優(yōu)化設(shè)計

收稿日期：2023-11-13

作者簡介

常君（1975—），男，高級工程師，從事車載電子T-BOX設(shè)計工作。

【摘 要】文章針對車載（尤其是新能源汽車）通信終端在使用時出現(xiàn)的偶發(fā)浪涌破壞問題，分析浪涌產(chǎn)生的不確定性，通過排查和試驗復(fù)現(xiàn)失效過程，鎖定問題，并提出三級防護(hù)的優(yōu)化解決方案。試驗結(jié)果表明，該方案能夠提高車載通信終端抗擾能力，以達(dá)到IEC 61000-4-5試驗標(biāo)準(zhǔn)要求，同時也達(dá)到實用性目的。

【關(guān)鍵詞】新能源；電磁兼容；屏蔽

中圖分類號：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）07-0063-02

Design Optimization for Surge Protection Circuit of Automotive Telematics Device

CHANG Jun，YE Dan，WANG Yindong，XIAO Jiange

（Dalian Neusoft Smart Go Co.，Ltd.，Dalian 116085，China）

【Abstract】Accidental electrical surge may cause damages to automotive telematics devices especially for new energy vehicles. This article investigated and analyzed the uncertainty of electrical surge. By recreating the failure process，we successfully locked the root cause. Furthermore，we have proposed a novel in-circuit three-stage protection scheme to counter this problem. The experimental results have shown that such scheme is able to enhance the electrical surge immunity of telematics devices and hence to meet the IEC 61000-4-5 standard. Additionally，this scheme is also proven to have practical applications.

【Key words】new energy vehicle；electromagnetic compatibility（EMC）；shielding

浪涌是汽車電磁環(huán)境中對車載電子產(chǎn)品影響比較大的一種干擾現(xiàn)象。汽車電路中，浪涌主要有兩個來源，一是來自電路外部（雷電或雷電感應(yīng)），另一個是來自電路內(nèi)部。其中，來自內(nèi)部的占主導(dǎo)地位。在實車環(huán)境下，浪涌處于不定態(tài)，難以捕捉，其危害會導(dǎo)致零部件易受干擾，嚴(yán)重則造成電子元器件故障，進(jìn)而影響客戶體驗，甚至安全性問題。本文以車載通信終端為例，介紹浪涌對其造成的危害、故障診斷及改進(jìn)方法。

1 故障現(xiàn)象

車載通信終端在研發(fā)設(shè)計和測試環(huán)節(jié)均通過了正式的靜電抗擾和瞬態(tài)抗擾測試，等級符合IEC 61000-4-2要求和ISO 7637國際汽車電器工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等試驗標(biāo)準(zhǔn)，但是在試裝車運行階段，偶遇故障件，車載通信終端不工作，導(dǎo)致車輛數(shù)據(jù)無法上報、遠(yuǎn)程無法訪問和控制車輛，說明產(chǎn)生的問題并非靜電和瞬態(tài)抗擾兩方面原因。

2 故障檢測

通過對該故障件進(jìn)行初步檢測，發(fā)現(xiàn)主要故障是4G通信模組損壞。具體檢測結(jié)果如下：MCU的主電源+3.3V和4G模組供電+3.8V電源均有效，MCU對4G模組的上電、復(fù)位、控制電路均正常，MCU側(cè)對4G通信模組發(fā)送的數(shù)據(jù)正常，但是無接收數(shù)據(jù)，因此判斷是4G通信無反應(yīng)，存在被損壞的可能性。對模組返廠后，經(jīng)解析，電源入口器件有損壞的痕跡。在車輛上，對車輛的供電和環(huán)境也進(jìn)行了測試，供電仍在范圍之內(nèi)，但是車輛是新能源車，不排除有偶發(fā)浪涌的可能性，對車輛上的浪涌捕捉困難，尤其是偶發(fā)類型的浪涌。因此初步分析損壞原因是由于浪涌干擾電源引起的，即來自電源上的浪涌波動沒有被前級濾波電路完全抑制掉，傳遞到模組的+3.8V系統(tǒng)中，對其后級電路進(jìn)行了沖擊，超過了模組的電源入口IC的承受范圍，致使內(nèi)部電路中的部分元件損壞。

3 故障驗證

為驗證上述故障原因分析的準(zhǔn)確性，對原有的設(shè)計方案進(jìn)行了浪涌抗擾度驗證，驗證故障能否再次重現(xiàn)。對浪涌抗擾度試驗依據(jù)IEC 61000-4-5：2014國際標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)試驗等級，浪涌的開路電壓通常分為0.5kV、1kV、2kV、4kV 4個等級，執(zhí)行時間為1.2/50μs電壓波形和8/20μs電流波形規(guī)定。本試驗采用0.5kV電壓，測試布局環(huán)境依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試驗中在A、B、C、D 4處對電壓進(jìn)行監(jiān)控，所得波形如圖1所示，測試結(jié)果見表1。

測試結(jié)果分析，經(jīng)過浪涌電壓試驗后，在4G模組根部側(cè)殘余電壓>8.0V，依舊超出IC入口所能承受的極限電壓，對內(nèi)部IC會造成潛在的損壞。通過對駐網(wǎng)功能驗證，發(fā)現(xiàn)4G模組無法訪問基站，故障現(xiàn)象可再現(xiàn)。可以確認(rèn)故障原因主要由外部浪涌導(dǎo)致，即從入口的電源系統(tǒng)電路直至+3.8V環(huán)路元件沒有完全抑制住外部浪涌干擾信號，使得浪涌信號傳遞到模組+3.8V的系統(tǒng)中，導(dǎo)致+3.8V系統(tǒng)的較脆弱的模組內(nèi)部元器件損壞，最終導(dǎo)致4G模組無法通信。以上試驗再次驗證了故障原因分析的準(zhǔn)確性，因此需要對現(xiàn)有電路進(jìn)行優(yōu)化。

4 改進(jìn)方法

針對浪涌抑制，最有效的方法就是采用TVS管防護(hù)方案。原有電路已經(jīng)在入口處有TVS二極管E1、模組側(cè)有TVS二極管D1，從目前效果來看，E1、D1起了絕大部分作用，只是到模組根部殘余電壓還很高。為了進(jìn)一步降低后級殘余電壓，以最小的改動量，在B位置追加一個TVS二極管E2，并且再次進(jìn)行有效測試。優(yōu)化后的系統(tǒng)框圖如圖2所示，優(yōu)化后的測試波形如圖3所示。此時到達(dá)模組殘余電壓<6.5V，測試結(jié)果見表2。通過對駐網(wǎng)功能驗證，4G模組功能一切正常，達(dá)到了預(yù)期改善的目的。

5 結(jié)論

針對車載通信終端在新能源車上試裝偶發(fā)受浪涌干擾的問題，本文分析了浪涌的產(chǎn)生的機(jī)理。針對問題，提出了將浪涌防護(hù)電路由二級防護(hù)改為三級防護(hù)，并進(jìn)行了有效驗證。結(jié)果表明，采用本文所提供的優(yōu)化方法能有效提高車載通信終端的抗浪涌能力，對改進(jìn)后的市場車輛批量跟蹤，運行一直很穩(wěn)定，再未發(fā)現(xiàn)其他故障件，優(yōu)化后電路效果非常明顯。

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（編輯 楊凱麟）