車載監控終端電源的浪涌抑制電路設計

洪炳林

摘 要：文章介紹了《ISO7637-2 道路車輛—由傳導和耦合引起的電騷擾 第2部分：沿電源線的電瞬態傳導》。通過分析標準中的脈沖波形，設計一款可通過標準的高可靠低成本電路，該電路與傳統電路相比，具有良好的浪涌抑制性能，并通過試驗來驗證該電路。

關鍵詞：干擾抑制；脈沖；瞬態傳導；車載遠程監控終端

隨著現代汽車的高速發展，大量的電子設備用在汽車上，包括感性負載、容性負載、發電機等設備，這些設備都接在電源上，不定時地突加、突卸，或發生各種故障，都可能產生大量電磁干擾，這些干擾可通過傳導、耦合、輻射的方式干擾電子設備，嚴重情況下會導致設置死機甚至損壞，因為所有設備的電源都并聯在一起，通過電源線帶來的破壞是最嚴重的。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[1-2]。國際標準ISO7637針對道路車輛及其掛車內通過傳導和耦合引起的電干擾，提出了沿電源線的電瞬態傳導及測試方法，適用于12 V或24 V的電氣系統車輛[3]。我們設計的電路必須滿足ISO7637標準才能可靠安全地安裝在汽車上。

1 ISO7637標準介紹

ISO7637規定了5種脈沖波形，歸納了大部分汽車可能發生的情況所帶來的電源沖擊和干擾，我們的車載遠程監控終端只有通過這5種脈沖波形的沖擊，才能保證在實際使用過程中，相對可靠地運行。24 V系統推薦的試驗等級如表1所示。

2 電路設計部分

傳統的設計方案如圖1所示，原理上正高壓是通過瞬態抑制（Transient Voltage Suppressor，TVS）管強制吸收泄放，負壓是采用串聯的二極管來防止負壓沖擊。D40二極管需要足夠的反向耐壓保證在負脈沖﹣600 V處不會被擊穿，此處選擇3 A的肖特基二極管1N5408，反向電壓1 000 V。對于脈沖1、脈沖3a、脈沖4的負壓有很好的抑制阻斷作用。對于脈沖2a、脈沖3b、脈沖5a、脈沖5b的高正向電壓通過D13的TVS吸收。該電路的缺點是，對于脈沖5a，因為電壓最高+174 V，持續時間最大350 ms，瞬間能量很大，需要用很大的TVS管，會大大提高電路成本。同時，在干擾的瞬間D40二極管和D13 TVS管所承受的應力非常大，而且該吸收電路，在吸收嵌位的時候，瞬間電流能達到50 A以上，電源線上的保險絲容易燒斷。TVS后的電源芯片需要選擇高耐壓，比TVS的嵌位電壓更高耐壓的電源芯片，對于24 V的車電系統，根據《GBT 19056—2012 汽車行駛記錄儀（工信部3C）》中的5.3.3要求，對于24 V的系統要求車載遠程監控終端的電源需要在36 V條件下仍然正常工作1 min，所以TVS需要選擇5KP36A，TVS后的電源芯片耐壓至少要60 V以上，保證電源芯片的安全。綜上幾點，電路的成本相對較高，對電路的要求較高。

新的設計方案如圖2所示，原理是：通過金屬氧化物半導體（Metal Oxide Semiconductor，MOS）管的嵌位作用，限制輸出端的電壓。電路介紹如下：N溝道MOS管特性分析：此電路選擇14N30管，RDS（on）= 290 mΩ，在VGS = 10 V時，I D = 7 A。耐壓VDSS=300 V，保證VDSS>脈沖5a的最高電壓（+174 V）。ID>車載遠程監控終端的工作電流0.2 A。管子最大功耗PD=140 W。按MOS管S極輸出為32 V電壓計算，當脈沖5a最高電壓174 V通過時，管子的DS壓降為△U=174-32=142 V。公稱壓力（Nominal Pressure，PN）結的最高結溫為150 ℃，如果設備工作在75 ℃條件下。按熱導為1.12 W/℃計算。功耗P=（150-75）×1.12 = 84 W。最大電流IP=84 W/（174 V-32 V）=0.59 A。如果設備超過該工作電流，MOS管會瞬間過熱溫度超過PN結而損壞，表現為GDS擊穿等現象，應用中需要控制工作電流小于0.59 A。

對高電壓干擾信號不吸收，而是采用高耐壓MOS管來阻擋高壓傳給后級的方法。工作原理如下：當VCC_CAR 的24 V車電進來后，通過R7電阻使D2 的G極電壓達到24 V，VGS（TH）按4 V計算，滿足VGS>VGS（TH），所以D2 MOS管的DS極導通，DS極導通后，后面的DC-DC啟動，脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）來自于DC-DC的PWM腳，與D11和D14構成倍壓電路，使D14負極處的電壓接近48V，該電壓通過R6限流和D10的穩壓，穩定到36 V。因為導通后，只要保持VGS>VGS（TH），即可保證D2可靠導通。所以在24 V供電的情況下，該電路正常導通。

圖2 基于MOS管的干擾抑制電路

以脈沖5a的波形來分析該電路的保護作用。脈沖5a的波形如圖3所示。當輸入電壓升高到40 V以上后，由于D10穩壓管的穩壓嵌位作用，D2 MOS管的G極電壓穩定在36 V。因為MOS管的DS極導通的條件是VGS>VGS（TH），VGS（TH）按規格書在4 V內，所以供電電壓（Volt Current Condenser，VCC）的電壓嵌位到32 V。就算前端電壓升到174V，也可以將VCC的電壓嵌位到32V。如果VCC>32 V，因為MOS管G極的電壓被穩壓在36 V，很快會破壞VGS>VGS（TH）的條件，讓MOS截止，所以VCC不可能高于32 V。該電路的性能取決于MOS管的參數。首先MOS管的耐壓需要大于174 V，而14N30的VDSS電壓可以達到300 V，滿足要求。其次，因為高壓干擾過來的時候，MOS管DS之間的壓差會比較大，瞬間功耗取決于壓差和流過MOS管的電流。因為記錄儀工作電流較小，所以該電路可安全使用。

3 測試驗證

主要通過最高正壓的波形來驗證選擇脈沖5a波形來做實驗（見圖3），實驗環境安裝ISO7637的標準搭建。

脈沖5a（Us=+174 V，Ri=1 Ω，td=350 ms），用示波器捕捉脈沖1和經過MOS管后級S級VCC的波形，可以看出后級VCC最高電壓不超過32 V。實驗完成后，T-BOX設備正常。達到ISO7637中規定的功能等級A級。圖3VCC_CAR_IN為車電輸入的電壓，可以看出有5a波形，VCC為MOS管后端電壓，當5a波形沖擊的時候，可以嵌位到32 V的最高電壓，從而保證后端電路的安全可靠。

利用脈沖5a波形配合負載做MOS管的耐受極限實驗，可以看出與理論計算的IP=0.59 A是比較接近的。

4 結語

通過理論分析和實驗驗證，該電路具有很好的抗電源瞬態傳導的能力，滿足ISO7637的認證要求，很大程度上提高了產品的可靠性。endprint