車載控制器電源保護電路設計

袁志國

(延鋒百利得(上海)汽車安全系統有限公司，上海 201305)

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車載控制器電源保護電路設計

袁志國

(延鋒百利得(上海)汽車安全系統有限公司，上海 201305)

對車載控制器電源保護電路的需求進行了整理；針對需求給出了典型電路設計，并詳細說明了各設計的要點。研究內容是對車載控制器電源保護電路的一個總結。

車載電源電路； 保護電路

0 引言

隨著汽車電子化程度越來越高，汽車上配備的各種控制器也越來越多。控制器的功能各異，但是都需要電源模塊，因此建立電源模塊的開發能力是汽車電子公司的基本要求。車載環境非常復雜，需要面對寬電壓范圍、寬溫度范圍、大電流沖擊、低靜態電流消耗等惡劣情況。

1 電源需求匯總

對于12 V系統來說，電源電壓波動定義見ISO16750-2中Code A/B/C/D等，常見的要求是Code C、9～16 V，控制器在這個電壓范圍內都需要滿足Class A。除此之外，電源設計還必須考慮ISO 7637-2規定的由于負載突變而產生的大的正負脈沖沖擊，ISO 16750-2規定的冷車啟動、拋負載、發電機故障、雙電池泵電、電池反接等諸多工況。

ISO 7637-2中定義了Pulse1、Pulse 2a/2b、Pulse 3a/3b[1]等5種寬度不等的、幅度從-206.5～163.5 V的脈沖波形，測試溫度為23 ℃。

原ISO 7637-2中定義的Pulse4和Pulse 5a/5b脈沖波形改到ISO 16750-2中定義。Pulse4即為冷車啟動，在啟動機拖動過程中，電池電壓可能跌到4.5 V甚至3 V，功能要求Class B或者C。

Pulse 5a/5b拋負載是模擬發電機在對虧電電池充電過程中電池脫落瞬間產生的大電流沖擊。電壓可瞬間達到79～101 V，持續時間40～400 ms，內阻0.5～4 s[2]。其中Pulse 5a是模擬沒有中央拋負載抑制器的原始波形，Pulse 5b是模擬有中央拋負載抑制器抑制后的波形，抑制器將拋負載電壓鉗位到35 V。為了避免每個控制器都需要增加拋負載抑制器，增加整車成本，現在大多數新型發電機內部都配置有拋負載抑制器，因此車身上其他控制器只需要考慮Pulse 5b波形即可。

發電機故障要求控制器能在比控制器最高工作溫度低20 ℃的溫度下18 V工作1 h[2]，至少滿足Class C的要求，常見是滿足Class A。

雙電池泵電是在常溫下測試，ISO 16750-2要求24 V能抗1 min，至少滿足Class D的功能需求，常見要求是Class C。有時候要考慮用柴油機跳線啟動，因此很多OEM將此需求的電壓提高到28 V。

2 電源保護電路設計

在清楚了車載電源的以上常見需求以及客戶的特別需求后，就可以根據產品自身的特點設計最適合的保護電路。常見電路結構見圖1。

圖1中各器件功能說明如下：

C3是ESD保護電容，容值常見介于1～100 nF之間，封裝不宜大于0603；

D2為雙向TVS管，主要用于抗Pulse1/2a/2b/3a/3b；

R1、R2構成分壓電路對電源電壓進行采樣監控，R1、R2的阻值對控制器的靜態電流有影響，其阻值不能選擇太小；

D1的作用是防止電源反接，其電流能力、熱功耗是首要考慮的。其正向導通壓降對系統的最小工作電壓能力有影響；

D3是放在防反二極管后面的單向TVS管，與D2是二選一。D3與D1一起組合抗Pulse1/2a/2b/3a/3b，要求D1的反向擊穿電壓超過200 V，D1抗負脈沖，D3抗正脈沖；選擇D1和D2組合，一般是用于對最低工作電壓要求比較高，D1選用正向壓降比較小、反向擊穿電壓也比較小的肖特基二極管。

C1、C2是組合的高低頻濾波器，對Pulse1/2a/2b/3a/3b有一定抑制作用。

D2/D3的擊穿電壓和擊穿電流計算方法如下：

式中：ε為脈沖的瞬態峰值；r為脈沖的內阻；Icl為瞬態擊穿的鉗位電流；Vcl為瞬態擊穿的鉗位電壓；Vcl0為擊穿電流為1 mA時候的擊穿電壓；RD為擊穿時的電壓/電流曲線斜率。

由于雙電池泵電持續時間是1 min，對于二極管來說算是持續電壓了，因此D2/D3的擊穿電壓Vcl要求高于雙電池泵電電壓，按照以上推導公式計算出的Vcl電壓很可能超過后級電壓調節器的最大允許輸入電壓。因此，抗Pulse1/2a/2b/3a/3b需要TVS管與C1/C2共同作用。TVS管對電壓脈沖的響應時間很快，達到納秒級，比脈沖的上升下降時間tr還快。脈沖到來的時候，TVS管先響應，接著電容的穩壓作用體現出來，保證電壓調節器的輸入電壓在電壓調節器的允許范圍之內。另外，電壓調節器標稱的最大工作電壓是允許持續輸入的最大電壓，其實，電壓調節器還能抗一些寬度較窄的高電壓脈沖，只是并不是每個芯片手冊中都有描述，細節可見電壓調節器的EMC測試報告。

由于功耗和散熱的原因，使用二極管作為防反保護的電路一般只能提供幾百毫安的電流能力。當電路板上還有其他大電流負載(如電機或大的加熱器件)需要供電的時候，就需要采用圖1中的MOS管防反保護電路了。Q1是N-MOS管，電源從MOS管的源極輸入，漏極輸出。柵極電壓必須比源極的電池電壓還高一些才能使N-MOS管導通，常見的是采用電荷泵電路來驅動此N-MOS管。當電池反接的時候，為了使MOS管的柵源兩級有效導通、N-MOS管有效截止，增加了三極管T1和電阻R3。當電池反接的時候，T1處于導通狀態，有效地將N-MOS管截止。三極管的基級和發射極之間的擊穿電壓一般比較低，為了防止電源上的正脈沖將三極管損壞，在基級串聯反向擊穿電壓較高的二極管D4來防止三極管擊穿。也可以用圖2中的Q2、T2、D5、R6組成的防反電路。區別是Q1、T1、D4、R3電路對D4的方向擊穿電壓有一定要求，Q2、T2、D5、R6電路對D5的方向擊穿電壓沒有太大要求，但是D5和R6掛接在UBD上，需要消耗一定的靜態電流，因此R6要選擇大一些，T2的放大倍數也最好大一些。如果電路中沒有恰當的電荷泵電路，也不愿意使用分立的電荷泵電路，可以考慮使用圖3的P-MOS管作為防反保護電路。圖中穩壓管D6起鉗位作用，防止雙電池泵電或拋負載等工況下，高電壓將P-MOS管的柵源級擊穿。

圖2 大電流負載的電源保護電路

圖3 P-MOS防反保護電路

一般情況下，大電流負載的EMC情況比較惡劣，因此MOS管防反還有π形濾波設計，如圖1中的L1、C4、C5、C6、C7、C8。π形濾波的設計和選型跟負載的阻抗、頻帶、紋波電流等有關，在此不展開描述。一般情況會至少有一顆大容值的電解電容(電解電容是單極性的，只能出現在防反電路之后)，容值越大，其靜態電流也越大。如Lelon的一個電解電容漏電流描述如圖4所示。在電池電壓12 V情況下，一個2 200 μF電容在常溫20 ℃下的漏電流就達到0.01×2 200×12=264 μA。這么大的漏電流OEM是很難接受的。因此增加圖2中的Q3和R4，作為一個后級供電的開關使用，在后級工作之前先將Q3打開，待機工況下Q3是關斷的，使漏電流常溫下降低到1 μA左右。另外，在Q3開啟瞬間，UBD會對電解電容進行充電到

12 V左右，充電電流瞬間可能達到100 A，對電源系統是一個不小的沖擊，甚至干擾其他控制器的正常工作。因此，可以考慮增加圖2中的U2和R5電路，在開啟Q3之前先開啟U2通過R5對電解電容進行慢充，減小對電源系統的沖擊，此電路又額外增加0.5 μA的漏電流消耗。

圖4 Lelon電解電容漏電流描述

3 結束語

關于冷車啟動波形，不同客戶、不同產品要求差別很大，電壓低到6、4.5、3 V等都有，各功能模塊在不同電壓下的工作狀態要求需要根據不同的安全策略要求客戶化地詳細定義。這需要對各級電源模塊的壓降、欠壓閾值、復位電路的邏輯設計等進行系統的綜合評估和設計，因產品而異，差別很大。

[1]ISO7637-2-2011 Road Vehicles-electrical Disturbances from Conduction and Coupling:Part 2:Electrical Transient Conduction along Supply Lines Only[S].

[2]ISO 16750-2-2010 Road Vehicles-environmental Conditions and Testing for Electrical and Electronic Equipment:Part 2:Electrical Loads[S].

Vehicle ECU Power Supplier Protection Circuit Design

YUAN Zhiguo

(Yanfeng KSS(Shanghai) Automotive Safety System Co.,Ltd., Shanghai 201305,China)

The requirements for vehicle controller unit power supplier protection circuit were illustrated. Some typical circuits were given as examples to fulfill the requirements, and the design key points were explained. This research is a good summary about power supplier protection circuit.

Vehicle power supplier circuit; Protection circuit

2017-05-05

袁志國(1982—)，男，碩士, 工程師，主要從事電路開發設計工作。E-mail：yuan_sjtu@126.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.07.014

U466

A

1674-1986(2017)07-051-03