一種車載終端的主電源系統(tǒng)設(shè)計及控制方法

摘 要：為了滿足智能設(shè)備在車載復(fù)雜供電環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行的需求，介紹了一種車載智能設(shè)備主電源系統(tǒng)的電路設(shè)計方案和控制方法，主要包括電源保護(hù)、超級電容充放電、備用電池充放電以及與主電源通路的自動切換，并介紹了MCU程序控制方法和完整的程序控制流程，以實現(xiàn)ISO 7637、ISO 16750和GB/T 19056、JTT 794等國際、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對車載設(shè)備運(yùn)行的要求。最后，給出了相關(guān)條件下的實際測試結(jié)果，表明該方案實施方便、操作可靠、邏輯結(jié)構(gòu)清晰，驗證了該方案的可行性和實用性。

關(guān)鍵詞：車載終端；主電源系統(tǒng)；電路設(shè)計；超級電容；備用電池；車載記錄儀

中圖分類號：TP39；TN919.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）03-0-06

0 引 言

隨著公路運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展，以及國家對載客汽車、危險品運(yùn)輸車輛、重型載貨汽車、長途客運(yùn)車、物流車的監(jiān)管要求不斷提高，集防疲勞、防碰撞、視頻監(jiān)控功能及衛(wèi)星定位系統(tǒng)于一體的車載智能終端的應(yīng)用越來越廣?？紤]到車載系統(tǒng)的供電狀況復(fù)雜，電磁環(huán)境較為惡劣，為了確保汽車電子系統(tǒng)的可靠性和安全性，車載智能終端需要滿足ISO 7637、ISO 16750、GB/T 19056、JTT 794標(biāo)準(zhǔn)以及其他地方標(biāo)準(zhǔn)的要求[1-3]，除了工作電壓范圍、防反接、過壓保護(hù)等常規(guī)要求外，測試脈沖、拋負(fù)載以及車載主電源關(guān)機(jī)后備用電池工作時長的標(biāo)準(zhǔn)要求，在車載智能終端主電源系統(tǒng)的電路設(shè)計和控制策略上也需要著重考慮。

1 車載設(shè)備的電源相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求

ISO 7637-2 標(biāo)準(zhǔn)用于研究機(jī)動車輛通過傳導(dǎo)和耦合方式引起的電氣干擾，并提出了沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)及測試方法[1]。此標(biāo)準(zhǔn)共包括5種電源測試波形（P1～P5），其中脈沖波形P4已被移入ISO 16750-2 電氣負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)中（作為啟動特性標(biāo)準(zhǔn)）[2]，此變動不影響本文的討論。測試脈沖P1用于模擬電源與感性負(fù)載斷開瞬間，與感性負(fù)載保持直接并聯(lián)供電的被測設(shè)備上所產(chǎn)生的較大幅度的負(fù)脈沖干擾情況。脈沖P2包括兩個子類型P2a和P2b，其中P2a是與被測試設(shè)備相并聯(lián)設(shè)備的運(yùn)行電流被瞬間切斷時，由于連接線束電感的作用所產(chǎn)生的瞬變脈沖；脈沖P2b則模擬了在點(diǎn)火開關(guān)斷開時，直流電機(jī)作為發(fā)電機(jī)對其并聯(lián)的被測試設(shè)備產(chǎn)生的浪涌干擾。脈沖P3a和P3b屬于高速、低能量的脈沖群，是模擬開關(guān)過程中因線束的分布電感和電容影響而引起的瞬時脈沖，易引起數(shù)字開關(guān)電路的誤動作。脈沖波形P4（啟動特性）是由于車輛發(fā)動機(jī)的起動電路接通而導(dǎo)致的車輛電源系統(tǒng)電壓跌落現(xiàn)象。脈沖P5（拋負(fù)載）發(fā)生在交流發(fā)電機(jī)正在對蓄電池充電且蓄電池被斷開的瞬間，還連接在發(fā)電機(jī)電路上的其他負(fù)載會承受很高的浪涌電壓。P5a屬于破壞性極高的脈沖，其測試脈沖的幅度較高（200 V，甚至更高）、內(nèi)阻較低（根據(jù)發(fā)電機(jī)的類型而定）、沖擊時間長（寬度最大350 ms），需采用專門的防浪涌器件進(jìn)行防護(hù)。P5b脈沖對電子設(shè)備的沖擊相對較小，因為發(fā)電機(jī)內(nèi)置了專門的鉗位二極管對最高電壓進(jìn)行限制。ISO 16750-2標(biāo)準(zhǔn)對拋負(fù)載的要求是連續(xù)做10次，間隔1 min，設(shè)備在實驗后可正常工作。GB/T 19056和JTT 794標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了車載設(shè)備的電源過電壓、防反接及主電源掉電后車載終端的工作時長要求。本文以24 V車載設(shè)備為例，主要介紹以上各標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的防反接、過電壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、P5a拋負(fù)載、脈沖波形P1、啟動特性相關(guān)的電路設(shè)計及控制方法，這些方法對P2和P3波形同樣起作用[4]。圖1～圖3和表1是相關(guān)的防護(hù)或運(yùn)行要求。其中的功能標(biāo)準(zhǔn)描述如下：A類，對設(shè)備施加干擾期間及之后，設(shè)備所有功能可正常運(yùn)行；B類，對設(shè)備施加干擾期間，設(shè)備所有功能可正常運(yùn)行，一項或幾項指標(biāo)可允許超出規(guī)定的偏差，干擾停止之后，所有功能可自動恢復(fù)到正常工作狀態(tài)；C類，對設(shè)備施加干擾期間，設(shè)備的一項或多項功能不能執(zhí)行，但干擾停止后所有功能需要自動恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

2 電源系統(tǒng)電路設(shè)計

2.1 電源系統(tǒng)電路

車載終端設(shè)備與車載蓄電池之間的供電連接包括正極DC+、負(fù)極DC-、控制ACC信號，蓄電池電源經(jīng)過前端的防浪涌、防反接及過壓保護(hù)電路供給到主電源變換模塊。對于同時滿足12 V及24 V車輛應(yīng)用的設(shè)備，此電源模塊為升降壓模塊，終端設(shè)備可支持9～36 V的輸入范圍；如果只用于24 V車輛，此模塊也可為降壓模塊。主電源變換模塊由開關(guān)機(jī)控制模塊進(jìn)行控制（第一次上電時根據(jù)ACC信號進(jìn)行控制啟動，啟動后由MCU進(jìn)行控制），升降壓模塊的輸出為12.5 V，此12.5 V電壓再由MCU控制進(jìn)行超級電容和備用電池的充電，以及給SoC模塊和其他外設(shè)模塊供電。當(dāng)蓄電池電壓因第1章中所述的干擾發(fā)生波動或斷電時，由超級電容或備用電池給SoC模塊和外設(shè)模塊供電，以滿足設(shè)備抗干擾及標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的延時關(guān)機(jī)要求。電源系統(tǒng)框圖如圖4所示。

2.2 電源輸入前端防護(hù)電路

主電源變換模塊的前端輸入防護(hù)電路主要功能包括浪涌防護(hù)（拋負(fù)載P5a）、電源濾波、防反接防護(hù)、過電壓保護(hù)功能及過流防護(hù)功能。對于對流防護(hù)，主要采用保險絲，基于實際使用場景現(xiàn)場考慮更換，保險絲一般不安裝在設(shè)備內(nèi)而是串聯(lián)在電源線上。電源輸入前端防護(hù)電路如圖5所示。

圖5中，大功率TVS管D1用于防浪涌[5-6]，根據(jù)要求的防浪涌電壓等級、內(nèi)阻和持續(xù)時間，采用不同功率等級的TVS管。根據(jù)表1中標(biāo)準(zhǔn)的要求，選擇TVS管的最大反向工作電壓36 V，相應(yīng)的鉗位電壓為58 V左右[7-8]。另外，TVS管在浪涌發(fā)生時的實際能量需小于可承受最大能量。拋負(fù)載時TVS管的實際能量可按下面公式評估：

W=1/2×（Ippi）2×Rdt （1）

式中：Ippi =（Us-Vbr）/（Rd+R），Ippi為實際經(jīng)過TVS管的最大電流；Us是拋負(fù)載最高電壓；Rd是二極管的反向?qū)娮?；R是拋負(fù)載發(fā)生器內(nèi)阻；t是拋負(fù)載脈沖持續(xù)的最大時間（對于24 V系統(tǒng)是350 ms）。在本文介紹的電路中，選擇最大功率12 kW的TVS管，可滿足ISO 16750-2標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖5中采用共模電感L1對電源輸入進(jìn)行濾波，以消除共模干擾的影響。共模電感的漏電感與其兩端的電容可構(gòu)成防差模干擾的濾波電路，并且根據(jù)實測結(jié)果也可在電路中加入差模電感。功率MOS管Q1與R1、D2構(gòu)成了防反接電路；功率MOS管Q2與D3、Q3、Q4、D4等共同構(gòu)成防過壓電路，當(dāng)輸入電源超過36 V時，Q2關(guān)掉以保護(hù)后端電路（滿足輸入電源過壓時的C級功能要求）。另外，前端電路中的電阻、電容耐壓值的設(shè)置也需要考慮保證長期運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.3 主電源變換模塊

主電源變換模塊如圖6所示，采用5 A輸出降壓轉(zhuǎn)換器，可以把蓄電池供給的24 V電壓轉(zhuǎn)換為VCC_12 V電壓。如果用于12 V和24 V車載系統(tǒng)，可使用升降壓變換器來實現(xiàn)同樣的功能，原理相似。當(dāng)車載ACC信號初次變高且電源芯片EN腳的電壓超過使能閾值時，電源轉(zhuǎn)換芯片開始工作，否則保持在關(guān)閉狀態(tài)，實現(xiàn)欠壓保護(hù)功能。主電源變換模塊的輸出電壓經(jīng)后級單獨(dú)的電源變換電路給MCU供電，MCU啟動后通過nPWR_SHDN網(wǎng)絡(luò)把主電源變換芯片的使能信號拉高，這樣可以使ACC信號即使出現(xiàn)短暫拉低，主電源變換模塊也能一直保持在工作狀態(tài)，構(gòu)成閉鎖功能以滿足ACC啟動要求。

2.4 超級電容模塊

超級電容充電模塊由電阻充電電路、恒流快速充電電路、MCU控制電路構(gòu)成?？焖俪潆娀赑WM方式的恒流轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)，可以通過恒流芯片的外部設(shè)定電阻設(shè)置充電電壓限值和恒流充電電流。為安全起見，設(shè)定快速充電電路的輸出電壓限值Vf略小于12 V（超級電容最終的充電電壓）[9-10]；快速充電電路由MCU進(jìn)行控制。MCU首先檢測輸入電壓，當(dāng)DC-IN上電且電壓大于某一定值并持續(xù)一段時間Tr后，MCU會使能快速充電電路給超級電容充電，MCU同步檢測超級電容電壓，當(dāng)超級電容電壓維持在Vf一定時間后，MCU關(guān)斷快速充電電路，由電阻充電電路完成超級電容的最終充電，并補(bǔ)償超級電容的自放電。當(dāng)設(shè)備供電的DC-IN受到P1或P4干擾脈沖影響，導(dǎo)致輸入電壓瞬間下降，進(jìn)而使主電源模塊的輸出電壓降低時，超級電容會通過電壓回饋電路給負(fù)載供電（同步供給MCU維持其工作）；同時，MCU使能快速充電電路，以便在輸入電壓恢復(fù)時快速給超級電容充電。超級電容充電電路如圖7所示。

關(guān)于超級電容的選擇，需要綜合考慮設(shè)備工作電壓、脈沖P1和P4的干擾時長及重復(fù)次數(shù)、設(shè)備功耗[11-12]，還要結(jié)合設(shè)備的掉電保護(hù)功能。本文介紹的車載設(shè)備，其滿載功耗為40 W，需要實現(xiàn)輸入主電源掉電后由超級電容供電時設(shè)備至少能工作2 s，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲保護(hù)。超級電容的容量估算可以參考公式：

Cs=（Vwork+Vmin） IT/（V 2 work-V 2 min）

式中：Vwork為正常工作電壓；Vmin為截止工作電壓；T為要求工作時長；I為負(fù)載電流。本系統(tǒng)中Vwork為12 V，Vmin為9 V，I為3 A，T為2 s，由此可以得到超級電容容量為2 F?？紤]到各單體超級電容的耐壓值及容量，選擇單體容量為10 F、耐壓值為2.7 V的超級電容，且5節(jié)串聯(lián)以實現(xiàn)所要求的規(guī)格。

2.5 備用電池

備用電池旨在滿足蓄電池輸入中斷后較長時間延時關(guān)機(jī)的需求。圖8展示了充放電電路，該電路專為兩節(jié)電池的充放電設(shè)計。充電控制器為MP2615，具備電池存在檢測、預(yù)充電、恒流和恒壓充電功能；充放電使能由MCU進(jìn)行控制，避免過充并減少電池自放電，延長電池使用壽命。MCU還能根據(jù)一定時間內(nèi)備用電池放電功能是否使用過，強(qiáng)制進(jìn)行充放電操作，以確保電池功能正常。主電源變換模塊的輸出電壓、超級電容電壓、備用電池電壓各自經(jīng)過一個肖特基二極管構(gòu)成電源切換電路。該電路的輸出電壓VDD，在經(jīng)過各自的獨(dú)立電源變換后，為SoC模塊和各種外設(shè)提供所需的電源電壓。

3 電源系統(tǒng)工作邏輯

電源系統(tǒng)邏輯主流程如圖9所示。主電源模塊滿足初始上電條件，包括蓄電池輸入電壓在正常范圍，ACC信號變高且持續(xù)，環(huán)境溫度處于正常范圍，設(shè)備鎖已鎖，MCU上電且控制主電源模塊正常開機(jī)并運(yùn)行。MCU持續(xù)檢測ACC的電平狀態(tài)、蓄電池輸入電源的狀態(tài)（正常供電、欠壓或斷電）、超級電容模塊的電壓狀態(tài)、備用電池的狀態(tài)（備用電池是否存在、電池電壓大?。?，并每隔一定時間T1上報給車載終端的主SoC。當(dāng)車載蓄電池輸入低于主電源模塊的工作下限（蓄電池輸入電源處于欠壓或斷電狀態(tài)），主電源模塊停止工作，此時備用電池或超級電容模塊供電給SoC模塊或外設(shè)，設(shè)備進(jìn)入欠壓或掉電流程。如果蓄電池輸入處于正常范圍，則MCU判斷是否滿足休眠條件，并執(zhí)行進(jìn)入和退出休眠；如果滿足正常關(guān)機(jī)條件，則執(zhí)行關(guān)機(jī)。

進(jìn)入欠壓或掉電流程后，若蓄電池輸入欠壓或斷電狀態(tài)持續(xù)時間超過時間閾值T2，則生成欠壓或斷電告警信號并發(fā)送給SoC，進(jìn)入延時關(guān)機(jī)狀態(tài)，如圖10所示。

ISO 7637標(biāo)準(zhǔn)下的P1負(fù)干擾脈沖持續(xù)寬度為200 ms，而ISO 16750-2標(biāo)準(zhǔn)下的擾動干擾脈沖寬度為10 s量級，時間閾值T2需要大于這些時間，并留出時間裕量ΔT。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求及設(shè)備的實際測試情況，ΔT為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的由欠壓狀態(tài)恢復(fù)到正?？晒ぷ麟妷旱臅r間即可。蓄電池輸入處于欠壓或斷電狀態(tài)且時長小于T2時，電源切換模塊可根據(jù)超級電容模塊或電池模塊的電壓大小自動選擇給SoC模塊和外設(shè)模塊供電。當(dāng)延時關(guān)機(jī)計時啟動后，若存在備用電池且電池電壓低于閾值Vbat-S，則車載終端強(qiáng)制關(guān)機(jī)；若備用電池電壓不低于Vbat-S，則MCU在達(dá)到延時關(guān)機(jī)時間后切斷主電源模塊的使能信號，并關(guān)閉SoC模塊和外設(shè)模塊的供電；若沒有備用電池，則MCU判斷超級電容模塊的電壓是否低于閾值Vsc-S，若低于此閾值，則車載終端強(qiáng)制關(guān)機(jī)；若超級電容模塊的電壓不低于閾值Vsc-S，則由超級電容模塊供電，并在達(dá)到延時關(guān)機(jī)時間后關(guān)閉主電源模塊，同時關(guān)掉SoC模塊和外設(shè)模塊供電。正常情況下，超級電容模塊的電壓大于備用電池的電壓。對于車載設(shè)備而言，更常遭遇的是由瞬間干擾引起的終端輸入電源欠壓或斷電情況（持續(xù)時間通常在秒級左右）。此時，由超級電容模塊給后端電路供電，而備用電池則不放電，充分發(fā)揮超級電容的可快速充放電、充放電次數(shù)遠(yuǎn)大于鋰電池模塊的優(yōu)勢[6-7]。只有在終端輸入電源處于欠壓或斷電的時長大于超級電容模塊放電持續(xù)的時間時，備用電池模塊才進(jìn)行放電補(bǔ)償。

4 調(diào)測驗證

基于此電路方案和控制方法的車載設(shè)備在上電時的超級電容充電波形、滿負(fù)載時施加P1和P4以及拋負(fù)載時的測試波形圖分別如圖11～圖14所示。從圖11中可以看出，當(dāng)車載設(shè)備上電，最初只有主電源變換器的輸出電壓經(jīng)電阻給超級電容充電，且充電速度很慢。當(dāng)恒流充電器開啟后，超級電容電壓會快速上升，達(dá)到一定值后恒流充電器就會關(guān)閉，再由主電源變換器輸出經(jīng)過電阻繼續(xù)為超級電容充電。若超級電容的電壓低于快速充電的閾值，恒流充電器可能會多次重新啟動以進(jìn)行補(bǔ)充充電。在進(jìn)行P1測試時超級電容會在200 ms內(nèi)放電，接著在300 ms內(nèi)進(jìn)行充電。

對于P4脈沖（等級II），在tf、t6、t7時間段內(nèi)，超級電容處于放電狀態(tài)，以維持設(shè)備的運(yùn)行功能，在此期間，如果超級電容電壓低于快速充電閾值，恒流充電器會啟動，使電容電壓上升。在進(jìn)行拋負(fù)載測試時，前置的TVS管會將浪涌電壓鉗位在51 V（與Bulk電容共同作用實現(xiàn)），此時過壓保護(hù)電路會觸發(fā)動作，導(dǎo)致MOS管Q2關(guān)斷，以保護(hù)后端電路不受損害。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種車載智能終端的主電源系統(tǒng)和控制方法，主要介紹了電源系統(tǒng)架構(gòu)、硬件/軟件設(shè)計方案及實測結(jié)果。通過設(shè)備的ISO 7637和ISO 16750的實驗測試證明，該系統(tǒng)方案性能穩(wěn)定、實現(xiàn)方法簡單可靠、價格適中，滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求和實際使用需求，可應(yīng)用于使用環(huán)境惡劣的車載領(lǐng)域，有效應(yīng)對各種干擾的影響，具備良好的應(yīng)用價值。

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