王洪濤，張紅霞，李 威

（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心 湖北 武漢 430056）

現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展，使得大量的車載電子設(shè)備廣泛應(yīng)用于汽車，如車載衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、車載影音娛樂系統(tǒng)、車身照明系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)、自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)等。各種各式的車載電子設(shè)備穩(wěn)定工作，相互配合，需要有穩(wěn)定的供電系統(tǒng)。因此，高性能的車載電源設(shè)計(jì)是車載電子設(shè)備可靠工作的保障[1]。

車載電源系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜，因?yàn)槠噧?nèi)的電磁環(huán)境較為惡劣。車輛的電氣設(shè)備在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量電磁干擾，這些干擾的頻帶很寬，通過傳導(dǎo)、耦合或者輻射的方式，傳播到電源系統(tǒng)內(nèi)，進(jìn)而影響到電子設(shè)備的正常工作。其中，對(duì)車載控制設(shè)備影響最大、也是引起電子控制設(shè)備失效最主要的原因是沿電源線的瞬變傳導(dǎo)騷擾[2]。如點(diǎn)火系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)及整流器系統(tǒng)的干擾脈沖。在電路設(shè)計(jì)中，對(duì)電源瞬態(tài)傳導(dǎo)的抑制顯得尤為重要。

1 電源瞬態(tài)傳導(dǎo)介紹

為了考核檢驗(yàn)車載電子設(shè)備電源的抗干擾性，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7637-2針對(duì)道路車輛提出了沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)及測(cè)試方法，適用于12 V或24 V的電氣系統(tǒng)車輛。ISO 7637-2對(duì)汽車電子設(shè)備在電源上的抗擾度要求，規(guī)定了5種測(cè)試脈沖。這5種脈沖的物理來源及特性分別如下：

脈沖1：模擬感性負(fù)載由于電源切斷時(shí)所產(chǎn)生的瞬態(tài)傳導(dǎo)現(xiàn)象。例如關(guān)斷雨刮電機(jī)時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)波。

脈沖2a：模擬當(dāng)感性負(fù)載串接待測(cè)裝置時(shí)，電流突然中斷所產(chǎn)生的瞬態(tài)現(xiàn)象。例如在點(diǎn)火開關(guān)切斷后，與點(diǎn)火開關(guān)連接的直流馬達(dá)會(huì)因慣性而繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，就像是一臺(tái)發(fā)電機(jī)。而其電感會(huì)在切斷電源時(shí)產(chǎn)生瞬態(tài)波。

脈沖2b：當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)關(guān)閉瞬間，直流馬達(dá)產(chǎn)生的瞬態(tài)波形。

脈沖3a、3b：模擬因?yàn)榍袚Q過程而產(chǎn)生的瞬態(tài)現(xiàn)象。這些瞬態(tài)現(xiàn)象會(huì)受線束的電感及其分布電容所影響。如在繼電器吸合瞬間會(huì)產(chǎn)生微小的電弧，而該電弧就是產(chǎn)生脈沖3快速脈沖群的原因之一。

脈沖4：模擬在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的供電電壓下降現(xiàn)象。

脈沖5a：模擬拋負(fù)載的瞬態(tài)現(xiàn)象，模擬汽車拋負(fù)載瞬態(tài)現(xiàn)象。即模擬汽車在斷開電池（虧電狀態(tài)）的同時(shí)，交流發(fā)電機(jī)正在產(chǎn)生充電電流，而發(fā)電機(jī)電路上仍有其他負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)[3]。蓄電池突然脫離的原因可能是因線纜腐蝕導(dǎo)致蓄電池的斷接、不良的接觸或故意將蓄電池?cái)嘟印?/p>

脈沖5b：對(duì)脈沖5a進(jìn)行抑制后的波形。

也就是說，車載電子設(shè)備的電源系統(tǒng)，必須能經(jīng)受以上5種脈沖的沖擊，才有可能保證其在實(shí)際工況中，電源電路的可靠持久的工作。

以12 V為例，這5種脈沖的波形如圖1所示[4]。

圖1 電源線瞬態(tài)傳導(dǎo)（12 V系統(tǒng)）Fig.1 Electrical transient conduction along supply lines（12 V system）

應(yīng)該指出，ISO 7637-2所提出的5個(gè)脈沖波形并不能覆蓋車輛中所有類型的瞬變，但實(shí)際上還是綜合了多方面的干擾來考核車載電氣設(shè)備：有高速、低能量的脈沖；低速、高能量的脈沖；兼顧速度和能量?jī)煞矫娴闹械人俣群椭械饶芰棵}沖；以及直流電壓中斷與直流電壓跌落。因此，車載電氣設(shè)備通過了ISO 7637-2的考核，在一般情況下，可以保證今后安裝在12 V和24 V系統(tǒng)的轎車輕型貨車及普通貨車上的設(shè)備具有足夠電磁兼容性。

2 電路硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳統(tǒng)濾波電路

傳統(tǒng)常用的解決方案是使用正向?qū)ǖ恼鞫O管來防止負(fù)壓脈沖，使用瞬態(tài)二極管來吸收正壓脈沖，其電路圖如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)干擾抑制電路Fig.2 Traditional interference suppression circuit

采用正向?qū)ǘO管的缺點(diǎn)就是內(nèi)在的電壓損耗，導(dǎo)致電子模塊的實(shí)際供電電壓降低。在當(dāng)電流值較大時(shí)，整流二極管的損耗和成本會(huì)大幅增加。瞬態(tài)抑制二極管則應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，往往一個(gè)瞬變二極管無法實(shí)現(xiàn)對(duì)所有瞬間能量變化的抑制，需要多個(gè)瞬變二極管并聯(lián)，并且由于結(jié)電容的存在，響應(yīng)速度會(huì)達(dá)不到要求。而且這部分電路同時(shí)帶來的缺點(diǎn)是疊加的。以上電路最根本難以解決的問題是，要求用電電路有較高的耐壓，比正常最高工作電壓高10 V以上，這就需要所設(shè)計(jì)的電路選用耐壓高的芯片或器件，這將大幅提高產(chǎn)品成本。該方案根據(jù)不同的電路需要配置不同的參數(shù)，通用性不強(qiáng)。

2.2 MOSFET開關(guān)電路

為了從根本上杜絕電源瞬態(tài)傳導(dǎo)干擾進(jìn)入到后級(jí)電路，有效的辦法是監(jiān)測(cè)到干擾的峰值電壓超過某一設(shè)定值時(shí)，將其切斷。為此，我們?cè)谥骰芈分写胍粋€(gè)MOSFET，實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制，當(dāng)干擾過大時(shí)，斷掉后級(jí)電路，從而使得后級(jí)電路得到有效的保護(hù)。

監(jiān)控芯片采用LT4356。該器件具有過流保護(hù)和浪涌電流限制，適用于高可用性系統(tǒng)。在電子系統(tǒng)必須處理短時(shí)高壓浪涌的應(yīng)用中 （如汽車應(yīng)用中的負(fù)載突降情況），LT4356為對(duì)保障安全至關(guān)重要的下游組件提供了牢固的前端保護(hù)。其4 V至80 V的寬輸入電壓范圍在冷車發(fā)動(dòng)時(shí)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作，冷車發(fā)動(dòng)時(shí)電池電壓可能低至 4 V。LT4356具有高額定輸入電壓，可以處理100 V和更高的瞬態(tài)電壓，并在不對(duì)自身或負(fù)載造成損壞的前提下提供低至 -60 V的反向輸入保護(hù)。LT4356非常適合汽車電子應(yīng)用以及正的高壓熱插拔分布式電源系統(tǒng)。

它能有效控制抑制高電壓浪涌，可調(diào)輸出箝位電壓，具有防反接功能：LT4356芯片本身支持 -60 V的反向輸入保護(hù)。低待機(jī)電流：由于LT4356在汽車電子中應(yīng)用，在汽車停駛時(shí)，用電瓶供電，這就需要電子系統(tǒng)有很低的待機(jī)功耗，LT4356的待機(jī)電流只有7μA。擁有極快的響應(yīng)時(shí)間：LT4356可以提供小于2μs的響應(yīng)時(shí)間，比傳統(tǒng)的TVS管方案快了近一個(gè)數(shù)量級(jí)。工作溫度可達(dá)125℃，可以滿足汽車電子設(shè)計(jì)的要求[5]。

如圖3所示，在電源主回路中串入一個(gè)N溝道MOSFET，通過過壓保護(hù)和涌流限制芯片LT4356控制N溝道MOSFET的通斷及輸出，實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)通路穩(wěn)壓器。

圖3 基于MOSFET的干擾抑制電路Fig.3 Interference suppression circuit based on the MOSFET

在通常情況下，LT4356驅(qū)動(dòng)MOSFET，使其完全接通，這樣輸入功率直接通到負(fù)載電路，損耗很小。如果輸入電壓上升到高于某個(gè)值，那么LT4356開始將輸出調(diào)節(jié)到一個(gè)安全值。MOSFET作為跟隨器限制峰值饋通，調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間由MOSFET柵極上的補(bǔ)償電容器控制。

LT4356還監(jiān)視VCC和SNS引腳之間的電壓降，以防止遭受過流故障的影響。一個(gè)內(nèi)部放大器用于把電流檢測(cè)電壓限制為50 mV。不管在哪一種故障條件下，定時(shí)器的起動(dòng)均與MOSFET電壓成反比。如果定時(shí)器操作終止，則FLT引腳將被拉至低電平，以發(fā)出“即將斷電”的警告。如果該條件一直持續(xù)，則MOSFET將被關(guān)斷。

同時(shí)，電路隔離低壓電路使其免受損壞。最重要的是，LT4356調(diào)節(jié)輸出時(shí)無需在其下游使用高壓額定值組件。相反，可以使用較低成本的低壓組件，僅需要耐壓達(dá)到18 V即可，過壓保護(hù)和涌流限制芯片可以隔離高壓使其不能到達(dá)這些低壓組件。該電路可以固定元件和參數(shù)，通用性強(qiáng)，一次設(shè)計(jì)可滿足系統(tǒng)中多種用電電路需求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)2.2中所述的MOSFET開關(guān)電路進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合理現(xiàn)場(chǎng)布置[6-7。

以脈沖 1（負(fù)壓， U s=-100 V，t1=2.5 s）和脈沖 5a（正壓，U s=+87 V，Ri=4 Ω，td=100 ms，tr=5 ms）為例，在某控制器上驗(yàn)證電路實(shí)施效果，結(jié)果如下：

當(dāng)抑制電路輸入脈沖1，最低至-85.8 V時(shí)，輸出最低值僅-0.4 V，控制器電路工作正常，如圖4所示。

圖4 ISO 7637-2脈沖1測(cè)試Fig.4 Test of ISO 7637-2 Pulse 1

當(dāng)抑制電路輸入脈沖5a，最高至103.3 V時(shí)，輸出最高值僅17.5 V，控制器電路工作正常，如圖5所示。

圖5 ISO 7637-2脈沖5a測(cè)試Fig.5 Test of ISO 7637-2 Pulse 5a

4 結(jié) 論

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該抑制電路能夠承受ISO 7637-2規(guī)定的測(cè)試脈沖沖擊，有效地抑制了車輛電源瞬態(tài)傳導(dǎo)干擾所產(chǎn)生的輸入電壓正負(fù)脈沖，穩(wěn)定輸出電壓，使電源電路可靠的工作。

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