【導(dǎo)讀】汽車技術(shù)的進(jìn)步極大地增加了典型汽車系統(tǒng)中復(fù)雜電子電路的數(shù)量，用以改善駕駛體驗(yàn)與安全性。新車型不斷為信息娛樂系統(tǒng)提供更高分辨率的顯示屏、增強(qiáng)的用戶界面和更多的連接選項(xiàng)；而先進(jìn)的安全功能則包括了用于避免碰撞的激光雷達(dá)，以及用于駕駛員感知的多攝像頭與傳感器。大多數(shù)這種電子模塊都會(huì)連接到 12V 或 24V 電池系統(tǒng)，這意味著它們會(huì)經(jīng)受嚴(yán)苛或動(dòng)態(tài)瞬態(tài)環(huán)境的影響。如何確保電路在極端環(huán)境下的可靠運(yùn)行，這對(duì)電源設(shè)計(jì)人員提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
圖 1 所示為典型的汽車電子系統(tǒng)。汽車電池系統(tǒng)的典型負(fù)載包括信息娛樂系統(tǒng)、ADAS、數(shù)字駕駛艙、照明系統(tǒng)、電子模塊 (ECU) 和 CAN 總線。
圖 1：典型汽車電子系統(tǒng)
從交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的嚴(yán)重高能瞬變到點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生的低電平噪聲，傳統(tǒng)汽車電源的瞬態(tài)條件多種多樣。本文將介紹一些常見的汽車瞬態(tài)條件，例如電池反向、冷啟動(dòng)、熱啟動(dòng)和負(fù)載突降，并探討這些瞬態(tài)產(chǎn)生的原因以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)所在。
冷啟動(dòng)
在寒冷的天氣條件下，汽車電池和引擎都需要承受極低的溫度。當(dāng)啟動(dòng)器吸收大電流以啟動(dòng)冷引擎時(shí)，電池電壓會(huì)下降，并產(chǎn)生冷啟動(dòng)脈沖。冷啟動(dòng)條件下，電池電壓可能會(huì)在 15ms 到 50ms 的時(shí)間內(nèi)降至 3V 以下（最壞情況）。
之后，電池電壓會(huì)上升至大約 6V，并保持幾秒鐘，然后又在幾毫秒的上升時(shí)間內(nèi)回到標(biāo)稱電壓。在低溫環(huán)境中，典型冷啟動(dòng)條件下的電池電壓曲線如圖2所示。ISO 7637-2標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試脈沖4對(duì)這類啟動(dòng)曲線有詳細(xì)的描述。
圖2: 典型冷啟動(dòng)脈沖
典型條件之下，不同汽車制造商的電池啟動(dòng)曲線都非常相似，但不同OEM的電壓電平和時(shí)序則各不相同。
根據(jù)不同的 OEM 規(guī)格，啟動(dòng)器曲線脈沖中可能還包含低頻正弦波。正弦波（例如 2Hz）代表了啟動(dòng)期間的交流發(fā)電機(jī)噪聲。ISO 16750-2 標(biāo)準(zhǔn)中描述了幾種使用正弦波注入的啟動(dòng)曲線， OEM 規(guī)格中可以引用。這種波形通常被稱為重度冷啟動(dòng)脈沖（見圖 3）。
圖3: 重度冷啟動(dòng)脈沖
冷啟動(dòng)系統(tǒng)挑戰(zhàn)
在冷啟動(dòng)條件下，電源解決方案需要確保在短時(shí)間內(nèi)為低至 2.8V 的輸入提供連續(xù)、穩(wěn)定的輸出調(diào)整率。具有寬VIN 范圍的變換器，例如 MPS的DC/DC 升降壓變換器MPQ8875A-AEC1，就可以解決這種低輸入電壓?jiǎn)栴}。
熱啟動(dòng)
當(dāng)啟動(dòng)器吸收大電流來(lái)啟動(dòng)熱引擎時(shí)，電池電壓也會(huì)下降，并產(chǎn)生熱啟動(dòng)脈沖。盡管熱啟動(dòng)脈沖與冷啟動(dòng)脈沖非常相似，但其壓降和縮短的脈沖持續(xù)時(shí)間通常程度低很多。ISO 16750-2 和 ISO 7637-2標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試脈沖 4 也對(duì)熱啟動(dòng)的啟動(dòng)曲線進(jìn)行了描述。
在熱啟動(dòng)脈沖期間，電池電壓可降至 5V 或 6V，電壓下降時(shí)間通常都比冷啟動(dòng)短。在大約 5ms 的短暫持續(xù)時(shí)間之后，電池電壓會(huì)上升到大約 8V，并在此保持不到一秒鐘，然后再回到標(biāo)稱電壓。圖 4 顯示了熱啟動(dòng)條件下的電池電壓曲線。
圖4: 典型熱啟動(dòng)脈沖
不同汽車制造商的熱啟動(dòng)脈沖電池電壓曲線都很相似，但不同 OEM的電壓電平和時(shí)序也是各不相同。汽車自動(dòng)啟停功能（start-stop）就是熱啟動(dòng)脈沖條件的一個(gè)例子。當(dāng)踩下剎車，車輛完全停止時(shí)，引擎關(guān)閉；而在松開制動(dòng)踏板時(shí)，引擎重新啟動(dòng)。
熱啟動(dòng)系統(tǒng)挑戰(zhàn)
許多車輛都要求，即使在熱啟動(dòng)等條件下，也要保持某些汽車功能的持續(xù)運(yùn)行。例如，汽車收音機(jī)不應(yīng)在熱啟動(dòng)時(shí)突然停止播放音樂，液晶顯示面板也不應(yīng)閃爍或視頻質(zhì)量下降。采用具有寬 VIN 范圍的 DC/DC 升壓或升降壓變換器可以應(yīng)對(duì)這種類型的低輸入電壓條件，例如MPS的MPQ8875A-AEC1。
反向電壓
當(dāng)汽車電池從系統(tǒng)斷開，并意外電池極性反轉(zhuǎn)重連時(shí)，會(huì)出現(xiàn)反向電壓或電池反向的情況。這會(huì)在輸入電源連接器上產(chǎn)生負(fù)電壓，從而損壞電源和其他電路。許多 IC 的額定負(fù)電壓僅為幾百毫伏（例如 -0.3V），而其他組件則可能對(duì)極性非常敏感。反向保護(hù)二極管或 MOSFET 通常被用于保護(hù)電路免受這種情況的影響。
圖 5 顯示了一個(gè)ECU錯(cuò)誤連接到電池的裝置。將最初連接正確的14V 電池?cái)嚅_，重新連接至 ECU時(shí)，將電池極性反轉(zhuǎn)，使 ECU 處于負(fù)14V的電壓之下。ISO 和 OEM 測(cè)試定義了施加負(fù)電壓的持續(xù)時(shí)間可以超過 60 秒。常用的方法是采用保險(xiǎn)絲來(lái)防止過流損壞，具體取決于反向保護(hù)電路。施加反向電壓超過規(guī)定的測(cè)試時(shí)間之后，需要重新施加正確極性的電壓，以確認(rèn)模塊仍能正常工作。
圖5: 電池反向條件
反向電壓系統(tǒng)挑戰(zhàn)
保護(hù)所有 IC 和組件免受負(fù)電壓或反向電壓的影響至關(guān)重要。在這種條件之下，組件會(huì)嚴(yán)重降級(jí)甚至損壞。建議使用二極管和 MOSFET 等器件來(lái)提供相應(yīng)的保護(hù)。
負(fù)載突降
當(dāng)電池?cái)嚅_但交流發(fā)電機(jī)仍連接到其他電子負(fù)載上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電壓浪涌，這就是負(fù)載突降瞬態(tài)（見圖 6）。如果在車輛行駛時(shí)電池意外斷開，就可能會(huì)發(fā)生負(fù)載突降。常見的原因包括電池端子腐蝕、連接不良或電池電纜退化。
圖6: 負(fù)載突降條件
峰值浪涌電壓可能超過100V，并需要400ms的時(shí)間才能衰減下來(lái)。ISO 16750-2 和 ISO 7637-2中的測(cè)試脈沖 5a 和 5b通常被引用以對(duì)特定的負(fù)載突降瞬態(tài)脈沖進(jìn)行描述。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中都描述了兩種類型的負(fù)載突降瞬變。
1. 未抑制：當(dāng)電池?cái)嚅_且交流發(fā)電機(jī)仍為系統(tǒng)供電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高壓負(fù)載突降瞬態(tài)浪涌，從而導(dǎo)致非鉗位波形，如圖 7所示。在這種情況下，交流發(fā)電機(jī)沒有內(nèi)部鉗位或抑制裝置，連接到交流發(fā)電機(jī)的模塊和器件都會(huì)受到這種突發(fā)瞬態(tài)條件的影響。
圖7: 未抑制的負(fù)載突降脈沖
2. 受抑制：當(dāng)負(fù)載突降瞬態(tài)浪涌發(fā)生時(shí)，波形被交流發(fā)電機(jī)整流器中的雪崩二極管抑制，從而產(chǎn)生鉗位波形（見圖 8）。在這種情況下，交流發(fā)電機(jī)中的鉗位保護(hù)會(huì)將大多數(shù) 12V 系統(tǒng)中的瞬態(tài)電壓抑制到較低的程度，通常介于 32V 和 40V 之間。
圖8: 受抑制的負(fù)載突降脈沖
負(fù)載突降系統(tǒng)挑戰(zhàn)
電路必須能夠承受負(fù)載突降而不會(huì)損壞或退化。建議采用 TVS 二極管或其他輸入保護(hù)來(lái)避免受到負(fù)載突降的影響。為了抑制負(fù)載突降，電路所需的鉗位保護(hù)可能只需要額定在 40V 至 45V 之間。此時(shí)，采用寬 VIN 降壓變換器即可滿足系統(tǒng)要求，例如MPS的MPQ4316-AEC1。 對(duì)于不受抑制的負(fù)載突降，鉗位保護(hù)的額定值要高得多，因此也需要更大且成本更高的解決方案。
總結(jié)
表 1 總結(jié)了上文描述的汽車瞬態(tài)和脈沖條件，涵蓋了常見的行業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須考慮的系統(tǒng)挑戰(zhàn)。
表 1：汽車輸入瞬態(tài)、通用標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)挑戰(zhàn)
結(jié)論
所有典型汽車模塊都需要解決文中討論的大部分或所有瞬態(tài)條件。對(duì)這些關(guān)鍵的汽車瞬態(tài)有一個(gè)基本的了解對(duì)于設(shè)計(jì)出穩(wěn)健的解決方案十分必要。
設(shè)計(jì)滿足極端條件的可靠電源電路可能極具挑戰(zhàn)性，但 MPQ4316-AEC1（具有寬 VIN 的降壓變換器）、MPQ8875A-AEC1（具有寬 VIN的升降壓變換器）和 MPQ7200- AEC1（具有寬 VIN 的 LED 驅(qū)動(dòng)器）等性能穩(wěn)健的汽車組件擁有應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境的能力，能夠提供出色的性能和安全性。
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