車輛電源瞬態(tài)傳導干擾抑制電路的設計與驗證

王洪濤，張紅霞，李 威

（東風汽車公司技術(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備廣泛應用于汽車，如車載衛(wèi)星導航系統(tǒng)、車載影音娛樂系統(tǒng)、車身照明系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)、自動空調(diào)系統(tǒng)等。各種各式的車載電子設備穩(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計是車載電子設備可靠工作的保障[1]。

車載電源系統(tǒng)的應用環(huán)境比較復雜，因為汽車內(nèi)的電磁環(huán)境較為惡劣。車輛的電氣設備在運行時會產(chǎn)生大量電磁干擾，這些干擾的頻帶很寬，通過傳導、耦合或者輻射的方式，傳播到電源系統(tǒng)內(nèi)，進而影響到電子設備的正常工作。其中，對車載控制設備影響最大、也是引起電子控制設備失效最主要的原因是沿電源線的瞬變傳導騷擾[2]。如點火系統(tǒng)、發(fā)電機及整流器系統(tǒng)的干擾脈沖。在電路設計中，對電源瞬態(tài)傳導的抑制顯得尤為重要。

1 電源瞬態(tài)傳導介紹

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

脈沖1：模擬感性負載由于電源切斷時所產(chǎn)生的瞬態(tài)傳導現(xiàn)象。例如關(guān)斷雨刮電機時產(chǎn)生的瞬態(tài)波。

脈沖2a：模擬當感性負載串接待測裝置時，電流突然中斷所產(chǎn)生的瞬態(tài)現(xiàn)象。例如在點火開關(guān)切斷后，與點火開關(guān)連接的直流馬達會因慣性而繼續(xù)運轉(zhuǎn)，就像是一臺發(fā)電機。而其電感會在切斷電源時產(chǎn)生瞬態(tài)波。

脈沖2b：當點火開關(guān)關(guān)閉瞬間，直流馬達產(chǎn)生的瞬態(tài)波形。

脈沖3a、3b：模擬因為切換過程而產(chǎn)生的瞬態(tài)現(xiàn)象。這些瞬態(tài)現(xiàn)象會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)動機啟動時所產(chǎn)生的供電電壓下降現(xiàn)象。

脈沖5a：模擬拋負載的瞬態(tài)現(xiàn)象，模擬汽車拋負載瞬態(tài)現(xiàn)象。即模擬汽車在斷開電池（虧電狀態(tài)）的同時，交流發(fā)電機正在產(chǎn)生充電電流，而發(fā)電機電路上仍有其他負載時產(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致蓄電池的斷接、不良的接觸或故意將蓄電池斷接。

脈沖5b：對脈沖5a進行抑制后的波形。

也就是說，車載電子設備的電源系統(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（12 V系統(tǒng)）Fig.1 Electrical transient conduction along supply lines（12 V system）

應該指出，ISO 7637-2所提出的5個脈沖波形并不能覆蓋車輛中所有類型的瞬變，但實際上還是綜合了多方面的干擾來考核車載電氣設備：有高速、低能量的脈沖；低速、高能量的脈沖；兼顧速度和能量兩方面的中等速度和中等能量脈沖；以及直流電壓中斷與直流電壓跌落。因此，車載電氣設備通過了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備具有足夠電磁兼容性。

2 電路硬件設計

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管的缺點就是內(nèi)在的電壓損耗，導致電子模塊的實際供電電壓降低。在當電流值較大時，整流二極管的損耗和成本會大幅增加。瞬態(tài)抑制二極管則應根據(jù)實際需要進行調(diào)整，往往一個瞬變二極管無法實現(xiàn)對所有瞬間能量變化的抑制，需要多個瞬變二極管并聯(lián)，并且由于結(jié)電容的存在，響應速度會達不到要求。而且這部分電路同時帶來的缺點是疊加的。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，這就需要所設計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。

2.2 MOSFET開關(guān)電路

為了從根本上杜絕電源瞬態(tài)傳導干擾進入到后級電路，有效的辦法是監(jiān)測到干擾的峰值電壓超過某一設定值時，將其切斷。為此，我們在主回路中串入一個MOSFET，實現(xiàn)開關(guān)控制，當干擾過大時，斷掉后級電路，從而使得后級電路得到有效的保護。

監(jiān)控芯片采用LT4356。該器件具有過流保護和浪涌電流限制，適用于高可用性系統(tǒng)。在電子系統(tǒng)必須處理短時高壓浪涌的應用中 （如汽車應用中的負載突降情況），LT4356為對保障安全至關(guān)重要的下游組件提供了牢固的前端保護。其4 V至80 V的寬輸入電壓范圍在冷車發(fā)動時可實現(xiàn)連續(xù)工作，冷車發(fā)動時電池電壓可能低至 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，并在不對自身或負載造成損壞的前提下提供低至 -60 V的反向輸入保護。LT4356非常適合汽車電子應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。低待機電流：由于LT4356在汽車電子中應用，在汽車停駛時，用電瓶供電，這就需要電子系統(tǒng)有很低的待機功耗，LT4356的待機電流只有7μA。擁有極快的響應時間：LT4356可以提供小于2μs的響應時間，比傳統(tǒng)的TVS管方案快了近一個數(shù)量級。工作溫度可達125℃，可以滿足汽車電子設計的要求[5]。

如圖3所示，在電源主回路中串入一個N溝道MOSFET，通過過壓保護和涌流限制芯片LT4356控制N溝道MOSFET的通斷及輸出，實現(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MOSFET，使其完全接通，這樣輸入功率直接通到負載電路，損耗很小。如果輸入電壓上升到高于某個值，那么LT4356開始將輸出調(diào)節(jié)到一個安全值。MOSFET作為跟隨器限制峰值饋通，調(diào)節(jié)響應時間由MOSFET柵極上的補償電容器控制。

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。一個內(nèi)部放大器用于把電流檢測電壓限制為50 mV。不管在哪一種故障條件下，定時器的起動均與MOSFET電壓成反比。如果定時器操作終止，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，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，僅需要耐壓達到18 V即可，過壓保護和涌流限制芯片可以隔離高壓使其不能到達這些低壓組件。該電路可以固定元件和參數(shù)，通用性強，一次設計可滿足系統(tǒng)中多種用電電路需求。

3 試驗驗證

對2.2中所述的MOSFET開關(guān)電路進行試驗驗證，嚴格按照標準進行合理現(xiàn)場布置[6-7。

以脈沖 1（負壓， 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，在某控制器上驗證電路實施效果，結(jié)果如下：

當抑制電路輸入脈沖1，最低至-85.8 V時，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測試Fig.4 Test of ISO 7637-2 Pulse 1

當抑制電路輸入脈沖5a，最高至103.3 V時，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測試Fig.5 Test of ISO 7637-2 Pulse 5a

4 結(jié) 論

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

[1]梁華東.基于ISO7637的車載電源系統(tǒng)設計[J].今日電子，2009（5）:80-81.LIANG Hua-dong.Design of power systems in vehicles based on ISO7637[J].Electronics Daily，2009（5）:80-81

[2]蔡登勝，孫金泉.ISO7637道路車輛——傳導與偶合的電氣騷擾標準介紹及對策[J].裝備制造技術(shù)，2007（9）:100-103.CAI Deng-sheng，SUN Jin-quan.ISO7637 road vehicle-introduced standard of the electrical disturbances from conduction and coupling and its countermeasure equipment manufacturing technology[J].Equipment Manufacturing Technology，2007（9）:100-103.

[3]孫成明，孫正，陳賦民，等.汽車拋負載瞬態(tài)傳導抗擾性試驗和分析[J].電子質(zhì)量，2010（10）:70-75.SUN Cheng-ming，SUN Zheng，CHEN Fu-min，et al.Test and analysis of transient conduction immunity for automobile load dump[J].Electronics Quality，2010（10）:70-75.

[4]國際標準ISO 7637-2道路車輛—由傳導和耦合引起的電騷擾 第2部分：沿電源線的電瞬態(tài)傳導[S].2008.

[5]那威.基于LT4356的汽車電子電源前端保護方案[J].ECDN電子元器件資訊，2009（10）:11-12.NA Wei.Protection schemes of Motors electronic power based on LT4356[J].Electronic Component Information，2009（10）:11-12.

[6]黃雪梅，賴志達.解讀ISO 7637及其測試實施方案[J].安全與電磁兼容，2008（6）:46-48.HUANG Xue-mei，LAI Zhi-dai.An Introduction to ISO 7637 and the configuration of test system[J].Safety&EMC，2008（6）:46-48.

[7]梁國開,夏成軍.電力系統(tǒng)機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)數(shù)字混合仿真研究[J].陜西電力，2014（3）：40-44.LIANG Guo-kai，XIA Cheng-jun.Study on power system electromagnetic transients and electromechanical transients hybrid simulation[J].Shaanxi Electric Power，2014（3）：40-44.