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|效率高达99.9%的汽车电子系统供电保护方案


为汽车电子系统供电时 ， 不但需要满足高可靠性要求 ， 还需要应对相对不太稳定的电池电压 ， 具有一定挑战性 。 与车辆电池连接的电子和机械系统具有差异性 ， 可能导致标称12 V电源出现大幅电压偏移 。 事实上 ， 在一定时间段内 ， 12 V电源的变化范围为–14 V至+35 V ， 且可能出现+150 V至–220 V的电压峰值 。 其中有些浪涌和瞬变在日常使用中出现 ， 其他则是因为故障或人为错误导致 。 无论起因为何 ， 它们对汽车电子系统造成的损害难以诊断 ， 修复成本也很高昂 。
通过总结上个世纪的经验 ， 汽车制造商对会干扰运行、造成损坏的电子状况和瞬变进行了分类 。 国际标准化组织(ISO)对这些行业知识进行编译 ， 制定出适用于道路车辆的ISO 16750-2和ISO 7367-2规范 。 汽车电子控制单元(ECU)使用的电源至少应该能够承受这些状况 ， 且不造成损坏 。 至于关键系统 ， 则必须保持其功能性和容差 。 这需要电源能够通过瞬变调节输出电压 ， 以保持ECU运行 。 理想情况下 ， 完整的电源解决方案无需使用保险丝 ， 可以最大限度降低功耗 ， 且采用低静态电流 ， 在不耗尽电池电量的情况下 ， 支持系统始终保持开启 。
ISO 16750-2汽车电子系统面临的状况
ADI公司发布了多份刊物 ， 详细介绍ISO 7367-2和ISO 16750-2规范 ， 以及如何使用LTspice?模拟这些规范 。 1,2,3,4
在最近的迭代中 ， ISO 7367-2电磁兼容规范主要介绍来自相对较高的阻抗源（2 Ω至50 Ω）的大幅度(>100 V)、短时持续（150 ns至2 ms）瞬变 。 这些电压峰值通常可以使用无源组件消除 。 图1显示定义的ISO 7367-2脉冲1 ， 以及增加的330 μF旁路电容 。 电容将尖峰幅度从–150 V降低至–16 V ， 完全在反向电池保护电路支持的范围内 。 ISO 7367-2脉冲2a、3a和3b的能耗远低于脉冲1 ， 所需的抑制电容也更少 。
|效率高达99.9%的汽车电子系统供电保护方案
本文插图

图1.ISO 7367-2：带和不带330 μF旁路电容的脉冲1 。
ISO 16750-2主要介绍来自低阻抗源的长脉冲 。 这些瞬变无法轻松过滤 ， 通常需要使用基于稳压器的主动式解决方案 。 一些更具挑战性的测试包括：负载突降（测试4.6.4）、电池反接（测试4.7）、叠加交变电压测试（测试4.4） ， 以及发动机启动工况（测试4.6.3） 。 图2显示了这些测试脉冲的视图 。 ISO 16750-2中所示条件的差异性 ， 加上ECU对电压和电流的要求 ， 通常需要合并使用这些方案 ， 以满足所有要求 。
负载突降
负载突降（ISO 16750-2：测试4.6.4）属于严重的瞬态过压 ， 模拟电池断开 ， 但交流发电机提供大量电流的情况 。 负载突降期间的峰值电压被分为受抑制电压或未受抑制电压 ， 由3相交流发电机的输出是否使用雪崩二极管来决定 。 受抑制的负载突降脉冲限制在35 V ， 不受抑制的脉冲峰值范围则为79 V至101 V 。 无论是哪种情况 ， 因为交流发电器定子绕组中存储了大量电磁能量 ， 所以可能需要400 ms进行恢复 。 虽然大部分汽车制造商使用雪崩二极管 ， 但随着人们对可靠性的要求不断增高 ， 使得一些制造商要求ECU的峰值负载突降电压必须接近未受抑制情况下的电压 。
解决负载突降问题的解决方案之一就是添加瞬变电压抑制器(TVS)二极管 ， 从局部箝位ECU电源 。 更紧凑、容差更严格的方法则是使用主动浪涌抑制器 ， 例如LTC4364 ， 该抑制器以线性方式控制串接的N通道MOSFET ， 将最大输出电压箝位至用户配置的水平（例如 ， 27 V） 。 浪涌抑制器可以帮助断开输出 ， 支持可配置限流值和欠压锁定 ， 且可使用背靠背NFET提供通常需要的反向电池保护 。
对于线性稳压功率器件 ， 例如浪涌抑制器 ， 存在的隐患在于 ， 在负载突降期间限制输出电压 ， 或者在短路输出期间限制电流时 ， N通道MOSFET可能功耗较大 。 功率MOSFET的安全工作区域(SOA)限制最终会限制浪涌抑制器能够提供的最大电流 。 它还给出了在N通道MOSFET必须关闭 ， 以避免造成损坏之前 ， 必须保持稳压的时长限制（通常使用可配置定时器引脚设置） 。 这些SOA导致的限制随着工作电压升高变得更加严重 ， 增加了浪涌抑制器在24 V和48 V系统中使用的难度 。


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