車載控制器浪涌抑制技術(shù)研究

張亞聰， 管繼富， 張?zhí)煲唬?宿峰榮

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

車載控制器浪涌抑制技術(shù)研究

張亞聰， 管繼富， 張?zhí)煲唬?宿峰榮

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

車載控制器電源部分的可靠設(shè)計(jì)是保證控制器正常工作的關(guān)鍵；其中，車輛電氣環(huán)境中沿電源線的瞬變傳導(dǎo)騷擾是造成車載控制器失效的一個(gè)重要原因；為了實(shí)現(xiàn)對車載控制器電源部分瞬態(tài)傳導(dǎo)干擾的抑制，同時(shí)通過國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7637-2《道路車輛——由傳導(dǎo)和耦合引起的電騷擾：第2部分沿電源線的電瞬態(tài)干擾》的測試，對車載控制器浪涌抑制及電源保護(hù)的幾類常用設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了研究，比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，再結(jié)合ISO 7637-2的測試經(jīng)驗(yàn)，提出了一種簡單可靠的浪涌抑制電路的綜合性設(shè)計(jì)方案；試驗(yàn)證明該電路設(shè)計(jì)能夠完全通過ISO 7637-2的測試，特別是能夠連續(xù)通過5a測試脈沖，具有良好的浪涌抑制性能及很高的可靠性，與設(shè)計(jì)要求相吻合，可以廣泛地應(yīng)用于車載控制器的電源保護(hù)和浪涌抑制上。

車載控制器； 電源保護(hù)；浪涌抑制； ISO 7637-2

0 引言

隨著車輛電子技術(shù)的發(fā)展，單車車載電子設(shè)備的數(shù)量急劇增加，如車門控制、天窗控制、車載導(dǎo)航及影音系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、駐車加熱器等。這些電子設(shè)備的核心是單片機(jī)系統(tǒng)，其供電電源一般為3.3 V或5 V，需要穩(wěn)定的電源供電電路。盡管選用高性能的電源變換芯片，比如對于24 V的車輛，可以選擇適合車輛電子的線性電源芯片，如TLE4263或TLE4271等，也可選擇開關(guān)電源芯片，比如LMS4832或LMS2576H等。這些芯片具有較寬的電壓輸入范圍，最高可以耐受40 V～60 V輸入電壓，但是實(shí)踐表明如果電源輸入部分的處理不當(dāng)，仍然具有很高的損壞比率。這是因?yàn)檐囕d電源系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜，特別是汽車會出現(xiàn)拋負(fù)載的現(xiàn)象，產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)度與幅值很高的浪涌電壓，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]。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7637-2規(guī)定了車載電子設(shè)備浪涌測試標(biāo)準(zhǔn)，只有嚴(yán)格通過該標(biāo)準(zhǔn)的測試才有可能保證在實(shí)際工況中，電源電路可靠持久地工作[2]。

本文簡要介紹了ISO 7637-2的測試標(biāo)準(zhǔn)，并針對這一標(biāo)準(zhǔn)給出了具體的保護(hù)電路。特別是針對ISO 7637-2最嚴(yán)酷的測試脈沖5a，給出了幾種具體設(shè)計(jì)方案，結(jié)合ISO 7637-2測試經(jīng)驗(yàn)，提出了一種設(shè)計(jì)電路，試驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)電路具有很高的可靠性和推廣應(yīng)用的價(jià)值。

1 標(biāo)準(zhǔn)lS0 7637-2介紹

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7637-2《道路車輛——由傳導(dǎo)和耦合引起的電騷擾：第2部分沿電源線的電瞬態(tài)干擾》針對汽車電子設(shè)備在電源上的抗擾度要求，規(guī)定了5 種測試脈沖。其中，脈沖l用來模擬電感性負(fù)載在與電源斷開連接時(shí)所產(chǎn)生的瞬態(tài)傳導(dǎo)現(xiàn)象，如斷開風(fēng)扇、車窗、雨刷電機(jī)等操作。脈沖2a模擬與被測試設(shè)備并聯(lián)的裝置內(nèi)突然中斷電流時(shí)，在線束電感上引起的瞬態(tài)干擾。脈沖2b模擬點(diǎn)火開關(guān)斷開時(shí)，直流電機(jī)充當(dāng)發(fā)電機(jī)而產(chǎn)生的瞬態(tài)現(xiàn)象。脈沖3a/3b模擬在開關(guān)切換過程中產(chǎn)生的干擾現(xiàn)象，其特性受線束的分布電容和分布電感的影響。脈沖4模擬在內(nèi)燃機(jī)的起動電機(jī)電路通電時(shí)，電源電壓跌落的現(xiàn)象，不包括起動時(shí)的尖峰電壓。脈沖5a/5b則模擬拋負(fù)載的瞬態(tài)現(xiàn)象，即在斷開電池的同時(shí)，交流發(fā)電機(jī)正在給蓄電池充電，而仍有其它負(fù)載接在交流發(fā)電機(jī)的電路上產(chǎn)生的干擾。其產(chǎn)生原因主要是由于電纜的腐蝕導(dǎo)致蓄電池?cái)嚅_連接、接觸不良或者發(fā)動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)故意與蓄電池?cái)嘟覽3]。

按照常規(guī)設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制器通過前4種脈沖測試相對比較容易，設(shè)計(jì)不當(dāng)會使單片機(jī)工作失常，但一般不會造成元器件的損壞。其中測試脈沖2b中間有最長達(dá)1 s的斷電時(shí)間，會造成單片機(jī)系統(tǒng)斷電，可以在電壓轉(zhuǎn)換芯片輸出并聯(lián)較大容量的電容來解決這一問題。但對于比較嚴(yán)酷的測試脈沖5b和5a，如果電路設(shè)計(jì)沒有特殊考慮，極易造成電子元器件的燒毀損壞。因此本文重點(diǎn)對如何通過5b和5a的測試，結(jié)合具體設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了討論。5b和5a的測試脈沖如圖1所示。

圖1 5a、5b測試脈沖

如圖1所示，5a是一個(gè)指數(shù)規(guī)律的圓脈沖，對于24 V系統(tǒng)，其脈沖的峰值電壓為123 V～174 V，脈沖的持續(xù)時(shí)間為100 ms～350 ms。其峰值電壓及持續(xù)時(shí)間與發(fā)電機(jī)拋負(fù)載時(shí)的等效內(nèi)阻成正比。與5a不同的是5b是一個(gè)近似梯形平臺脈沖，平臺峰值電壓由用戶來確定，一般有國家資質(zhì)的試驗(yàn)室將平臺電壓確定為100 V，ISO 7637-2的5b脈沖圖將5a波形也畫在一起，便于比較說明二者的異同?？梢?a脈沖能量要遠(yuǎn)大于5b，是ISO 7637-2中最嚴(yán)酷的測試脈沖。盡管在大多數(shù)新型交流發(fā)電機(jī)的內(nèi)部，拋負(fù)載幅度由于增加限幅二極管而受到抑制，但是由于抑制元件的特性及容量的影響，各個(gè)獨(dú)立安裝的車載電子設(shè)備仍舊要考慮浪涌保護(hù)措施，特別是對于許多破舊車輛、改裝車，這些車輛出現(xiàn)拋負(fù)載的概率非常高，對于沒有通過5a及5b測試的電子設(shè)備，一旦出現(xiàn)拋負(fù)載現(xiàn)象，電源芯片損壞的概率幾乎是百分之百。

2 無源保護(hù)措施

圖2給出了車載控制器電源典型的常規(guī)必要保護(hù)措施。其中D1起到反極性保護(hù)的作用，阻止ISO 7637-2的脈沖1中負(fù)脈沖的進(jìn)入，注意D1一般加在電源轉(zhuǎn)換芯片的前端，負(fù)載大電流不能流過它，否則會有較大功率消耗，需要選擇大功率的二極管。TVS1應(yīng)加在電源進(jìn)線的最前端，它是浪涌抑制的關(guān)鍵部件，起到浪涌削波鉗位的作用。D2和TVS2為次級保護(hù)，D2起到阻止方向電壓的作用，TVS2的要根據(jù)單片機(jī)的供電電壓選擇。D3是過電壓保護(hù)鉗位二極管。電容的作用是濾掉不同頻率的干擾信號，其中C3的選擇要考慮在脈沖3的作用下不能掉電。

圖2 常規(guī)保護(hù)措施

其中，TVS管的特性如圖3所示，TVS管的選擇有二個(gè)重要參數(shù)，一是截止電壓(Stand-off voltage)，小于等于這個(gè)電壓TVS管處于截止?fàn)顟B(tài)。另外一個(gè)是鉗位電壓(Clamping Voltage)，鉗位電壓是指施加規(guī)定波形脈沖峰值電流IPP時(shí)，TVS管兩端測得的峰值電壓。由于實(shí)際工作中脈沖電壓的上升時(shí)間和脈沖峰值是隨機(jī)的，因此TVS管的鉗位電壓不是一個(gè)固定的值，示波器跟蹤的測試試驗(yàn)表明，即使施加相同的脈沖，TVS管鉗位電壓的波形在一個(gè)較大電壓范圍內(nèi)變化。

圖3 TVS特性圖

但是，要通過ISO 7637-2的5a5b脈沖的測試，TVS管的選擇處于一個(gè)矛盾的狀態(tài)。以24伏系統(tǒng)選擇5 KP系列TVS管為例，一般汽車級線性電源芯片電壓輸入范圍最高一般可達(dá)40 V，若按10%的安全余量，拋負(fù)載時(shí)TVS管的鉗位電壓應(yīng)該低于電源芯片的最大耐受電壓，鉗位電壓為35.5伏的5KP24A滿足這一要求，但是由此會帶來兩個(gè)問題：一是沒有充分利用電源變換芯片的最高電壓輸入范圍，二是由于其鉗位電壓較低，該TVS管雪崩擊穿概率會增加。試驗(yàn)測試表明，在施加5b或5a脈沖時(shí)，由于5KP24A的脈沖峰值功率Pm=IPP *VC 較小，出現(xiàn)了損壞擊穿，造成電源線與地線直接短路。因此，一般24伏系統(tǒng)推薦選擇5KP36A，這樣能夠保證在施加5b或5a脈沖時(shí)TVS管本身不會損壞，但其標(biāo)稱鉗位電壓是59伏，已經(jīng)超出了電源芯片承受的電壓高限。由此可見，要想通過ISO 7637-2的5a5b波形測試，選擇鉗位電壓低的TVS管，脈沖峰值功率Pm較小，會造成TVS管自身的短路擊穿而損壞，而選擇鉗位電壓高的TVS管又不能很好的保護(hù)下級的電源芯片。實(shí)際測試表明，單純只加TVS管并不能完全保證電路的安全，一般不能通過ISO 7637-2的5a5b波形的測試試驗(yàn)。

3 有源保護(hù)方案

區(qū)別于上述僅使用TVS管進(jìn)行浪涌保護(hù)，有源保護(hù)電路在主回路中串入晶體管等有源器件， 實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制，當(dāng)干擾過大時(shí)，斷掉后級電路，從而使得后級電路得到有效的保護(hù)[2]。

3.1 電子開關(guān)浪涌抑制

如圖4所示，當(dāng)車載電源電壓處于正常范圍內(nèi)時(shí)，浪涌電壓檢測電路控制電子開關(guān)保持導(dǎo)通，用電設(shè)備正常供電；當(dāng)車載電源出現(xiàn)浪涌，電壓超出正常范圍時(shí)，浪涌電壓檢測電路控制電子開關(guān)立即斷開，防止浪涌電壓對用電設(shè)備造成沖擊，達(dá)到保護(hù)用電設(shè)備的目的。具體的實(shí)現(xiàn)可增加電容對電路加以改進(jìn)，如圖4(b)所示，電源電壓在正常范圍內(nèi)，功率管導(dǎo)通；當(dāng)電源出現(xiàn)浪涌時(shí)，功率管打開時(shí)對電容充電，關(guān)斷時(shí)通過電容的放電維持下級芯片的工作電壓，如此反復(fù)，輸出端電壓不會出現(xiàn)較大的波動[4]。

圖4 電子開關(guān)浪涌抑制方案和電路

該設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是成本很低，無需大功率TVS管。缺點(diǎn)是采用分立元件設(shè)計(jì)，其充電時(shí)間及電阻電容值要經(jīng)過計(jì)算，只能對芯片進(jìn)行浪涌保護(hù)，不能從根本上吸收浪涌能量來保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)，包括功率元件。

3.2 專用汽車過壓保護(hù)芯片

近年來，出現(xiàn)了幾種專用的汽車級有源過電壓保護(hù)芯片，如MAX6495-MAX6499、LT4356HMS。如圖5所示[5]，其原理十分簡單，在器件的輸入和輸出之間增加一個(gè)MOSFET，限幅器控制該場效應(yīng)管的柵極。正常工作狀態(tài)下，打開MOSFET并為負(fù)載供電；如果電壓超過定義的門限值，限壓電路會關(guān)閉外部MOSFET，斷開電源與負(fù)載的連接。

圖5 汽車過壓保護(hù)芯片

該設(shè)計(jì)是一種集成有源過壓保護(hù)電路，可靠性高，但應(yīng)用中仍需配置外圍阻容元件及必要的保護(hù)，另外該類芯片的價(jià)格也較為昂貴。

4 綜合保護(hù)方案

根據(jù)ISO 7637-2試驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，本文提出了一種汽車電源浪涌抑制的綜合保護(hù)電路。其融合了無源保護(hù)及有源保護(hù)各自的特點(diǎn)，具有更加可靠穩(wěn)定的性能，與一般無源保護(hù)相比，只需增加很小的成本。方案原理如圖6所示。

圖6 綜合保護(hù)方案示意圖

其中無源保護(hù)部分的設(shè)計(jì)仍采用圖2所示的常規(guī)保護(hù)元件。針對無源保護(hù)器件TVS的工作特點(diǎn)，在后面串加一個(gè)串聯(lián)穩(wěn)壓電路，其原理圖如圖7所示，穩(wěn)壓管選24伏，當(dāng)輸入電壓小于24伏時(shí)，功率晶體管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，輸入和輸出只差0.3伏，當(dāng)輸入電壓大于24伏時(shí)，晶體管處于放大狀態(tài)，承擔(dān)高于24伏的壓降，將輸出穩(wěn)壓到24伏。在出現(xiàn)浪涌電壓時(shí)，TVS管首先將電壓波形削平到鉗位電壓，比如51KP36A，鉗位電壓為59伏，高于24伏的部分電壓由功率晶體管承擔(dān)，由于浪涌電壓的持續(xù)時(shí)間并不長，所以不會損壞功率晶體管。其中D1的作用是防止負(fù)向電壓使tvs管正向?qū)?，產(chǎn)生負(fù)向電流。

圖7 綜合保護(hù)方案

5 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

針對這一方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合理現(xiàn)場布置。實(shí)際試驗(yàn)測試波形如圖8、圖9所示，當(dāng)在該電路輸入標(biāo)準(zhǔn)ISO7637-2中的測試脈沖5a時(shí)，經(jīng)過無源保護(hù)器件5KP36A的輸出波形如圖8所示，原本173伏的電壓脈沖經(jīng)過5KP36A被嵌位在60V左右。

該電壓可用于驅(qū)動電路的供電，不會對負(fù)載造成影響。但無源保護(hù)電路的輸出仍有一個(gè)60 V的脈沖高度，會對電源轉(zhuǎn)換芯片造成損害。這一輸出必須經(jīng)過串聯(lián)穩(wěn)壓電路的降壓處理，才能為電源芯片供電，最大程度地保護(hù)電源芯片。串聯(lián)穩(wěn)壓電路的輸出波形如圖9所示。由圖可見，輸入脈沖5a經(jīng)過無源保護(hù)器件與串聯(lián)穩(wěn)壓電壓的綜合鉗制，輸出電壓波動很小，不會對電源芯片造成傷害。

圖8 無源保護(hù)電路的輸出波形

圖9 串聯(lián)穩(wěn)壓電路的輸出電壓

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以驗(yàn)證，采用該綜合保護(hù)方案對車載控制器的電源部分進(jìn)行保護(hù)：無源保護(hù)電路的輸出用來給驅(qū)動部分供電，這一輸出再經(jīng)過串聯(lián)穩(wěn)壓電路對電源部分進(jìn)行供電。在輸入5a測試脈沖時(shí)，盡管輸入端的電壓脈沖達(dá)173伏，但由

于該設(shè)計(jì)方案采用無源保護(hù)電路與有源保護(hù)電路進(jìn)行雙重鉗制，輸出電壓仍穩(wěn)定在24伏左右，波動很小，起到了很好的浪涌抑制效果，極大程度地提高了車載控制器電源部分的可靠性和抗干擾能力。

6 結(jié)論

本文研究了車載控制器浪涌抑制及過電壓的無源保護(hù)方案及有源保護(hù)方案，提出了一種綜合保護(hù)方案，給出了具體設(shè)計(jì)電路。該方案具有可靠性高，成本低，簡單實(shí)用的特點(diǎn)，有效解決了浪涌抑制中TVS管的選擇問題。經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證，該抑制電路能夠承受ISO 7637-2規(guī)定的測試脈沖沖擊，既實(shí)現(xiàn)了對大電流功率器件的保護(hù)，又能可靠地保護(hù)電源變換芯片，可以滿足車輛電源保護(hù)和浪涌抑制的要求，具有工程推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1] 梁華東. 基于ISO7637的車載電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 今日電子，2009(5):80-81.

[2] 王洪濤，張紅霞，李 威. 車輛電源瞬態(tài)傳導(dǎo)干擾抑制電路的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J]. 電子設(shè)計(jì)工程，2015，(14):109-111.

[3] 國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7637-2 道路車輛—由傳導(dǎo)和耦合引起的電騷擾第2部分：沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)[S].2008

[4] 萬玉澄，曹 允，賀軼斐，宋德宇.一種直流浪涌抑制電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].光電子技術(shù)，2010，(02):140-143.

[5] 美國Maxim公司.MAX6495-MAX6499 Datasheet[CD/OL].https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX6495-MAX6499.pdf，2015-12-12.

Research on Surge Suppression Technology of Vehicle-mounted Controller

Zhang Yacong，Guan Jifu，Zhang Tianyi，Su Fengrong

(School of Mechanical and Vehicular Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China)

The reliable design of vehicle-mounted controller power supply is the key to guarantee the normal operating of the controller. Among them, Electrical transient conduction along supply lines is an important reason for the failure of the vehicle controller. In order to restrain the Electrical transient conduction of vehicle-controller power supply and pass the international standard ISO 7637-2 “Road vehicles-Electrical disturbances from conduction and coupling-Part 2: Electrical transient conduction along supply lines only”, several kinds of circuit design about vehicle-mounted controller surge suppression and protection are studied. Besides, their advantages and disadvantages are compared. a simple and reliable circuit design is put forward combined with experience in test. Experiments validate the circuit can completely meet requirements of the test and especially can pass through 5a test pulse continuously. With good performance and high reliability of surge suppression, the circuit meets the design requirements, which means it can be widely applied to the power supply protection and surge suppression of vehicle controller.

vehicle-mounted controller; power supply protection; surge suppression; ISO 7637-2

2016-07-28；

2016-09-13。

張亞聰(1991-)，女，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事控制科學(xué)與控制工程方向的研究。

管繼富(1966-)，男，黑龍江綏濱人， 副教授， 碩士生導(dǎo)師，主要從事控制理論與控制工程方向的研究。

1671-4598(2017)01-0141-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.040

TM862

A