汽車電子電源接口防護電路設計分析

時間:2022-02-01 11:15:02

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汽車電子電源接口防護電路設計分析

摘要:隨著人民生活水平的提高,汽車已經進入千家萬戶,汽車工業的發展給我們的生活帶來了巨大的變化,現在的汽車都在向著智能化、網聯化的方向發展,車載電子已經成為汽車的重要組成部分,如何讓汽車上的各個電器設備穩定可靠地運行,已經成為提高汽車質量、保障汽車安全的重要指標;電源是每個汽車電子設備正常工作的基礎,電源接口防護電路是保證汽車電子設備能獲得穩定電源的先決條件。

關鍵詞:汽車電子;電源接口防護;車載電源系統

近年來汽車電子化程度越來越高,汽車上電子設備也越來越多,電源是汽車電子的基本需求,電源接口防護是保證電源能正常工作的基礎。該文從實踐電路設計著手,面對寬電壓、寬溫度、大電流沖擊等復雜車載環境,保證汽車電器設備能正常工作。該公司的車載移動數據終端產品出口歐美等多個國家,使人印象深刻的是第一個歐洲客戶定制的M73I(車載移動數據終端),客人的要求是:支持寬電壓(9V~36V)輸入,通過ISO7637-2和ISO16750-2的2個標準。當時我們把重點都放在3G模塊、WIFI模塊和GPS模塊的穩定性調試上,第一版樣機拿到實驗室測試時,在測試過程中就發現樣機不能工作了,分析后發現是電源DC/DC芯片不工作了,以為是國產的DC/DC芯片達不到要求,就直接把DC/DC芯片換成TI的TPS5430,去做第二次測試,結果還是DC/DC芯片壞了,在實驗室的指導下,才知道ISO7637-2和ISO16750-2的2個標準是模擬汽車在工作中的各種環境,經過分析發現是電源接口防護電路設計出現了問題,下面對其防護原理進行分析介紹。

1汽車電源環境和測試標準

車載電源系統環境比普通電源要復雜得多,因為汽車電氣設備在運行時產生了大量的電磁干擾,通過輻射、傳導或者耦合等方式傳播到電源系統,從而影響電子設備的正常工作。汽車分為12V和24V電氣系統,車載電子產品的測試標準ISO16750-2《道路車輛-電氣及電子設備的環境條件試驗第2部分:電氣負荷》和ISO7637-2《道路車輛-由傳導和耦合引起的電騷擾第二部分:沿電源線的電瞬態傳導》,模擬了汽車在運行過程中的各種工作狀況。ISO16750-2中定義了供電電壓范圍(12V系統6V~12V,24V系統10V~32V)、過壓測試、反極性測試、耐壓測試等,主要模擬車輛啟動、拋負載、發電機故障等多種工作狀況下汽車電氣系統的變化。ISO7637-2中定義了Pulse1、Pulse2a/2b、Pulse3a/3b和Pulse5a/5b等7種不同脈沖寬度的波形干擾。

2電源接口防護電路設計及器件選型說明

我們了解了車載電源的環境和相關的測試標準,就可以根據這些要求去設計實際的電路。雖然不同的工程師或者不同的防護等級要求都會有不同的電路,下面介紹一種我們經常用在車載電子產品上的電源接口防護電路,如圖1所示。電路的分析和器件選型介紹如下,F1是PPTC(自恢復保險絲),是一種具有自恢復特性的非線性過流保護器件,要根據電路的實際工作電流、工作電壓、動作時間等參數來進行選擇,特別要注意的是電流,要按實際工作電流的1.5倍來選擇。D1為TVS管(瞬態抑制管),主要用于抗Pulse1/2a/2b/3a/3b;它加在電源進線的前端,是浪涌抑制的關鍵器件,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是:一個是截止電壓,小于等于這個電壓時,TVS管處于截止狀態;一個是擊穿電壓,TVS管進入雪崩擊穿的電壓;另外一個是鉗位電壓,鉗位電壓指的是在施加規定波形脈沖峰值電流時TVS管兩端的峰值電壓。TVS管的選擇要特別注意,以24V系統為例,要達到ISO16750-2的要求,至少要選擇5KP以上的TVS管,一般車載電源DC/DC芯片的輸入電壓都可以達到40V以上,TVS管的鉗位電壓應低于電源DC/DC芯片的最高電壓,那么鉗位電壓為35.5V的5KP24A滿足這樣的要求,但是就容易出現TVS管雪崩擊穿的情況,因此,正常24V系統選擇比較多的是5KP33A,它能夠保證在5a/5b脈沖時TVS管不會壞,但是其鉗位電壓就變成53.3V了,已經超出很多DC/DC芯片能承受的電壓,因此單獨加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,可以對浪涌起保護作用,有效地抑制脈沖的干擾。當電流超過額定值時,PPTC的溫度升高阻值變大。當有干擾脈沖進入電源線路時,TVS管會動作,對流向后端電路的瞬間電流進行分流,PPTC的動作速度會比TVS管來得慢,在大電流的作用下,PPTC呈高阻態,會斷開后級電路,減少TVS管的瀉流時間,對TVS管起保護作用。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200V,以免損壞后端器件,應按照大于電路工作電流的2倍來選擇,同時也要考慮正向導通壓降和功耗。C1、C2、C3、C4、C5、C6、L1組成π型濾波電路,對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分析了。后端的DC/DC器件,要選擇輸入電壓比較寬的,例如:8V~50V,這樣適應范圍就比較廣了。

3結語

文中根據實踐分析,提出了一種可靠性高、成本低、簡單實用的車載電子電源接口保護方案,詳細分析了TVS管的選擇問題,有效解決了浪涌抑制的問題,保護了電源芯片,該電路可以滿足普通車載電器的要求,具有工程推廣應用價值。

參考文獻

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[2]陳永真.現代電子技術[M].沈陽:東北大學出版社,2015.

[3]徐小濤.現代通信電源技術及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009.

作者:王祥楚 單位:廈門金龍電控科技有限公司