一種商用車儀表干擾保護電路與設計方法

程春林 周斌 李文 董琦飛

程春林

畢業(yè)于哈爾濱理工大學，現(xiàn)就職于東風電驅動系統(tǒng)有限公司，任技術中心電子商品開發(fā)部主任工程師，主要研究方向為汽車電子電路可靠性分析與設計。已發(fā)表論文2篇。

摘要：本文針對一款商用車彩屏儀表系統(tǒng)電源電路的設計，為提升儀表抗干擾能力，抑制整車拋負載電壓對儀表的沖擊，從電源主芯片、TVS管選型等方面對方案的可行性進行分析，通過IS0 16750-2：2012沿電源線傳導抗干擾Sa波形的實驗對該方案進行了驗證，并給出實驗數(shù)據(jù)。實驗及儀表批量應用三包結果證明，按該方法設計的儀表電源電路指標滿足主機和國標實驗要求，滿足車輛安全行駛的需要且具有良好的電磁兼容性，對進一步實現(xiàn)不同類型汽車儀表拋負載瞬變電壓保護電路的設計、改進和升級具有一定的指導和參考意義。

關鍵詞：儀表;電路設計;拋負載;電磁兼容性

中圖分類號：U463.7 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（ 2021） 06-0099-06 A Commercial Dehicle Instrument Interference Protection Circuit

and Design

CHENG Chun-Iin， ZHOU Bin， LI Wen， DONG Qi-fei （ Dongfeng Electric Drive System Co.， Ltd. Technology Center， Xiangyang 441001， China）

Abstract： Aiming at the design of power supply circuit for a commercial vehicle colorscreen instrument system， in order to improve the anti-interference ability of the instrumentand restrain the impact of vehicle load voltage on the instrument， this paper analyzes thefeasibility of the scheme from the aspects of main power chip and TVs tube selection， andverifies the scheme by conducting anti-interference SA waveform along the power Iine in ISO16750-2：2012， The experimental data are given. The results of experiments and batchapplication of three guarantees show that the instrument power supply circuit designed by thismethod meets the requirements of host and national standard experiments， meets the needs ofvehicle safe driving， and has good electromagnetic compatibility. It has certain guidance andreference significance for further realizing the design， improvement and upgrading of loadthrowing transient voltage protection circuit of different types of automobile instruments.

Key Words： Instrument; Circuit Design; Throwing Load; Electromagnetic Compatibility

1 前言

儀表是汽車的主要顯示界面，其功能是為用戶提供實時的燃油、車速、發(fā)動機轉速、水溫等車輛信息顯示，以及防抱死制動系統(tǒng)（ Anti-IockBrake System，ABS）、電子制動力分配系統(tǒng)（ Electronic Brake Force Distribution， EBD）等報警燈的顯示。當車輛行駛過程中，儀表系統(tǒng)應該正常工作，并具有抵抗各種電磁騷擾的能力[1]。

據(jù)汽車電路保護專家Littelfuse公司的高級工程師戴泰初介紹，在汽車系統(tǒng)中，在各種汽車控制系統(tǒng)（如ABS、Airbag等）與發(fā)電機之間，會有一個蓄電池。正常情況下發(fā)電機給蓄電池充電，但是當線束老化或者解除不良時，就會碰到電池與電路斷開的情況（如圖1紅框內所示），這時候發(fā)電機就會給終端產生一個浪涌電壓，由于這個浪涌電壓的電壓非常高，持續(xù)時間非常長，就會對終端的各個電子控制單元造成很大的損壞，這種情況就稱為拋負載。典型的干擾來自發(fā)電機[2]，突然切斷正在運行的發(fā)電機負載時就會出現(xiàn)浪涌電壓[3]，目前廣泛采用的拋負載瞬變電壓保護措施是用TVS管進行鉗位，使后端電路電壓在TVS擊穿后電壓不再上升，防止端口瞬間的電壓沖擊造成后級電路的損壞，因此其在電路中具有極其重要的地位[4]。但是，針對TVS的選型過程，很多廠家都是直接給推薦電路，直接告訴設計者答案選擇哪個器件，卻很少對選型過程提供理論計算，本文以一種商用車儀表電源電路為研究對象，介紹一種TVS防浪涌保護設計方法與電路，通過文獻[5]提供的實驗方法對該方案進行了驗證，并給出實驗數(shù)據(jù)。通過幾年組合儀表批量裝車的應用證明，按該方法設計的儀表防浪涌電源電路指標滿足主機和國標實驗要求，滿足車輛安全行駛的需要且具有良好的防浪涌性能。

2 TVS工作原理

TVS（ Transient Voltage Suppressors），即瞬態(tài)電壓抑制器，又稱雪崩擊穿二極管。它是采用半導體工藝制成的單個PN結或多個PN結集成的器件。TVS有單向與雙向之分，單向TVS -般應用于直流供電電路，雙向TVS應用于電壓交變的電路。如圖2所示，應用于直流電路時單向TVS反向并聯(lián)于電路中，當電路正常工作時，TVS處于截止狀態(tài)（高阻態(tài)），不影響電路正常工作。當電路出現(xiàn)異常過電壓并達到TVS（雪崩）擊穿電壓時，TVS迅速由高電阻狀態(tài)突變?yōu)榈碗娮锠顟B(tài)，泄放由異常過電壓導致的瞬時過電流到地，同時把異常過電壓鉗制在較低的水平，從而保護后級電路免遭異常過電壓的損壞。當異常過電壓消失后，TVS阻值又恢復為高阻態(tài)。

3 保護電路及設計

電壓及電流的瞬態(tài)干擾是造成車輛電子電路損壞的主要原因，常給人們帶來無法估量的損失。這些干擾通常來自于繼電器起停操作、電壓波動、雷電干擾及靜電放電等。拋負載試驗中產生的瞬變電壓主要產生于交流發(fā)電機，包括①負載突然斷開（負載單拋）②蓄電池突然斷開（蓄電池單拋）③負載、蓄電池同時斷開（雙拋）④調節(jié)器失效。另外還有點火開關斷開、電線互耦等也會產生瞬變電壓。常見典型瞬態(tài)脈沖見表1（汽車EMC之7637-2拋負載脈沖試驗解析作者：雷卯、胡光亮）。

3.1 電源主電路

儀表電源電路是儀表電路安全運行的基礎，電源電路必須滿足整個儀表工作需求，本文采用的儀表電源浪涌保護電路見圖2，5V電源主電路見圖3。

蓄電池電源+經(jīng)過浪涌保護TVS管DL3及濾波電路后進入5V電源主電路輸入腳2腳，為整個儀表提供工作電壓。

電源主芯片采用TPS54360，主要參數(shù)如下：

（1）工作電壓范圍4.5V - 60V，最大輸入電壓65V;

（2）關斷電流luA;

（3） lOOkHz - 2.5MHz工作頻率。

3.2 TVS型號的選取原則

工欲善其事，必先利其器，要用好TVS，必須先了解其關鍵的參數(shù)，見圖5：

3.2.1 rwm截止電壓

TVS的最高工作電壓，可連續(xù)施加而不引起TVS劣化或損壞的最高工作峰值電壓或直流峰值電壓。對于交流電壓，用最高工作電壓有效值表示，在Vnam下，TVS認為是不工作的，即是不導通的。

3.2.2 I漏電流

漏電流，也稱待機電流。在規(guī)定溫度和最高工作電壓條件下，流過TVS的最大電流。TVS的漏電流一般是在截止電壓下測量，對于某一型號TVS，R應在規(guī)定值范圍內。對TVS兩端施加電壓值為Vrwm，從電流表中讀出的電流值即為TVS的漏電流Ir。對于同功率、同電壓的TVS，在Vrwm≤10 V時，雙向TVS漏電流是單向TVS漏電流的2倍。對于一些模擬端口，漏電流會影響AD的采樣值，所以TVS的漏電流越小越好。

3.2.3 VBR擊穿電壓

擊穿電壓，指在V-I特性曲線上，在規(guī)定的脈沖直流電流I或接近發(fā)生雪崩的電流條件下測得TVS兩端的電壓。測試的電流I一般選取lOmA左右，施加的電流的時間不應超過400ms，以免損壞器件，VBRMIN和VBRMAX是TVS擊穿電壓的一個偏差，一般TVS為±5%的偏差。測量時，VBR落在VBRMIN和VBRMAX之間視為合格品。

3.2.4 IPP峰值脈沖電流，Vc鉗位電壓

IPP峰值脈沖電流，給定脈沖電流波形的峰值。TVS一般選用10/lOOOus電流波形。Vc鉗位電壓，施加規(guī)定波形的峰值脈沖電流Ipp時，TVS兩端測得的峰值電壓。IPP及Vc是衡量TVS在電路保護中抵抗浪涌脈沖電流及限制電壓能力的參數(shù)，這兩個參數(shù)是相互聯(lián)系的。對于相同型號TVS，在相同Ipp下的Vc越小，說明TVS的鉗位特性越好。TVS的耐脈沖電流沖擊能力可以參考Ipp，同型號的TVS，Ipp越大，耐脈沖電流沖擊能力越強。

3.2.5結電容Ci，漏電流Ii

結電容是TVS中的寄生電容，在高速10端口保護需要重點關注，過大的結電容可能會影響信號的質量。漏電流主要帶來了功率的損耗，或者是在模擬信號中，會影響AD信號的采樣值。

選擇TVS之前，我們首先要確定目標：

·電壓合適，能保護后級電路;

·引入的TVS的結電容不能影響電路;

·TVS功率余量充足，滿足測試標準，且不能比保險管先損壞。

選型的過程可以按照以下的步驟進行：

·選擇TVS最高工作電壓Vrwm;

·選擇TVS鉗位電壓Vc;

·選擇TVS的功率;

·評估漏電流It的影響;

·評估結電容的影響;

選擇TVS最高工作電壓Vnam;

在電路正常工作情況下，TVS應該是不工作的，即處于截止狀態(tài)，所以TVS的截止電壓應大于被保護電路的最高工作電壓。才能保證TVS管不被頻繁擊穿從而影響其壽命。但是TVS的擊穿電壓高低也決定了TVS鉗位電壓的高低，在截止電壓大于線路正常工作電壓的情況下，TVS工作電壓也不能選取的過高，如果太高，鉗位電壓也會較高，所以在選擇Vrwm時，要綜合考慮被保護電路的工作電壓及后級電路的承受能力。要求Vrwm要大于工作電壓，否則工作電壓大于Vrwm會導致TVS反向漏電流增大，接近導通，或者雪崩擊穿，影響正常電路工作。綜合考慮，Vrwm可以參考以下的公式：

Vrwm=I.I - 1.2×Vcc

（1）

其中Vcc為電路的最高工作電壓。

選擇TVS鉗位電壓Vc;

TVS鉗位電壓應小于后級被保護電路最大可承受的瞬態(tài)安全電壓，Vc與TVS的雪崩擊穿電壓及Ipp成正比。對于同一功率等級的TVS，其擊穿電壓越高V，也越高，所選TVS的最大箝位電壓V，不能大于被防護電路可以承受的最大電壓。否則，當TVS鉗在Vc時會對電路造成損壞。

Vc可以參考以下的公式：

Vc

其中Vmax為電路能承受的最高電壓;

TVS產品的額定瞬態(tài)功率應大于電路中可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率，理論上，TVS的功率越大越好，能夠承受更多的沖擊能量和次數(shù)，但是功率越高，TVS的封裝越大，價錢也越高，所以，TVS的功率滿足要求即可。對于不同功率等級的TVS，相同電壓規(guī)格的TVS其Vc值是一樣的，只是Ipp不同。

Ipp可以通過以下公式算出：

Ipp=Vin÷R.

（2）

Vin——最大輸入電壓;

Ri——線路阻抗;

根據(jù)所選的TVS的結電容和漏電流評估影響，如果TVS用在高速10端口防護、模擬信號采樣、低功耗設備場合，就需要考慮結電容和漏電流的影響，兩者的參數(shù)越小越好。

TVS_極管產品的額定瞬態(tài)功率應大于電路中可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率，具體可以參照如下算法。TVS管的額定功率記為Pppm，則Pppm的功率可以估算為：

Ppp=Vc×Ipp

（3）

對于圖3、圖4電路，假設我們需要通過Us=174V，Ri=2 的實驗要求，測試波形及參數(shù)分別見圖6、表2。

3.3 電路參數(shù)的確定

根據(jù)3.2的選型步驟進行TVS的選型及電路參數(shù)的確定。

Vrwm的確定：

該儀表工作電壓范圍為18V - 32V，根據(jù)

Vrwm=1.1 - 1.2×Vcc

（4）

Vrwm=1.1 - 1.2×32=35.2V - 38.4V

（5）

通過查詢產品手冊，確定Vrwm為36V。

Vc的確定：

根據(jù)3.1中圖3主電源原理圖可知最大工作電壓60V，Vc需要小于60V。通過查詢產品手冊，Vrwm、為36V的TVS管Vc為58.IV，符合使用要求，確定Vc為58.1V。

TVS功率的確定：

估算該電路最大測試電流，可按Ipp=Vin÷Ri進行，試驗電壓27V，即：

IPP=（ 174+27-58.1）÷2=71.45A，

因此，該Tvs的最大電流IPP必須大于71.45A。根據(jù)以上計算得出的數(shù)據(jù)計算，Pppm=Vc×Ipp=58.1×71.45= 4151.2W。據(jù)此，可以初步確定使用5kW以上TVS管。

通過查詢TVS管數(shù)據(jù)使用手冊可以看到，滿足使用要求的有SM5S36A、SM6S36A、SM8S36A，分別見圖7、圖8、圖9。

由于實驗波形與測試波形不一致，需要考慮TVS管功率衰減問題，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊可以看到，在經(jīng)過lOms后，Pppm分別衰減到2800W、3600W、5200W，見圖10、圖11、圖12。

按圖6實驗要求，lOms后實驗波形達到最大值，這時要求功率要大于4000W，通過比較可以看到只有SM8S36A滿足條件。

3.4 實驗驗證

實驗環(huán)境溫度22.6℃下，供電系統(tǒng)為27V，輸入pulse 5a脈沖頻率波形，檢測樣品電源線瞬時干擾抗性的能力。實驗現(xiàn)場如圖13所示，實驗參數(shù)見表3，試驗結果對比見表4。

4 總結

本文通過IS0 16750-2-2012 pulse 5a實驗對商用車儀表抗浪涌性能進行檢測，得出以下結論：

（1）按照此方法選擇的TVS器件可以順利通過IS0 16750-2 pulse Sa的測試，驗證了該方法的正確性、有效性。

（2）按照該方法篩選掉的TVS器件，通過試驗證明確實無法滿足實驗要求，說明該方法可以排除不符合使用要求的TVS。

（3）通過比較測試，證明該方法可較為全面的實現(xiàn)對商用車IS0 16750-2 pulse Sa波形抗浪涌TVS器件的選型，對不同型號、不同種類的汽車儀表選擇TVS抗浪涌都具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]高軍，郭迪軍，李旭.汽車組合儀表的電磁干擾特性分析與優(yōu)化卟汽車工程學報，2014，5（ 03）：220-224.

[2]趙志剛.秦隨江.車用發(fā)電機拋負載的保護設計[J].汽車電器，2013（ 10）：5-6.

[3]陳樂娟，朱杰，錢振宇，汽車電子電器設備的瞬態(tài)傳導騷擾和抗擾度試驗一對IS07637-2- 2004標準的理解[J].低壓電器，2007（ 13）：55-62.

[4]陳樂娟，朱杰，錢振宇，汽車電子電器設備的瞬態(tài)傳導騷擾和抗擾度試驗一對IS07637-2_ 2004標準的理解[J].低壓電器，2007（ 13）：55-62.

[5]IS0 16750-2-2012道路車輛電氣和電子設備的環(huán)境條件和試驗.第2部分：電氣負荷4.6.4.2.2

專家推薦語

黃玉華

東風汽車集團有限公司技術中心

研究員級高級工程師

本文對一款組合儀表電源回路沖擊電壓干擾保護電路的設計思路進行了介紹，總體邏輯比較清晰，所述內容具有一定的實用性，可以為讀者提供一定的參考信息。