24V汽車(chē)電子應(yīng)用拋負(fù)載防護(hù)

楊英振 史家濤 趙光亮 孫博 劉棟

（濰柴動(dòng)力股份有限公司 山東省濰坊市 261061）

隨著自動(dòng)駕駛汽車(chē)、乘客安全和車(chē)對(duì)車(chē)通信方面廣泛的創(chuàng)新，車(chē)輛的電磁環(huán)境日益復(fù)雜，在車(chē)輛運(yùn)行中，經(jīng)常出現(xiàn)因車(chē)輛電氣系統(tǒng)拋負(fù)載導(dǎo)致電源管理系統(tǒng)燒毀進(jìn)而控制器整體損壞。本文主要研究拋負(fù)載脈沖產(chǎn)生的機(jī)理以及如何避免子系統(tǒng)免受24V系統(tǒng)拋負(fù)載沖擊的影響。

1 拋負(fù)載試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求

根據(jù)ISO16750-2《道路車(chē)輛 電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn) 第2部分：電氣負(fù)荷》的相關(guān)要求，車(chē)載電子產(chǎn)品需要通過(guò)拋負(fù)載試驗(yàn)考核。且新標(biāo)準(zhǔn)（ISO16750-2, 2012）中要求每分鐘1個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖間隔為1min，持續(xù)時(shí)間10min。圖1為拋負(fù)載測(cè)試電壓曲線(xiàn)，US為脈沖電壓，UA為供電電壓，td為脈沖電源持續(xù)時(shí)間，tr為脈沖電源上升時(shí)間。表1為ISO16750-2中24V電源拋負(fù)載試驗(yàn)的主要參數(shù)，其中Ri為脈沖電源內(nèi)阻。影響拋負(fù)載電壓大小的因素有多種，其中主要因素是拋負(fù)載時(shí)蓄電池的SOC和拋負(fù)載時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖1：拋負(fù)載測(cè)試電壓曲線(xiàn)

表1：24V系統(tǒng)拋負(fù)載脈沖電氣參數(shù)

2 拋負(fù)載現(xiàn)象分析

在車(chē)輛控制系統(tǒng)中，汽車(chē)電子產(chǎn)品，例如電子控制單元、傳感器、執(zhí)行器和空調(diào)等都連在同一條線(xiàn)上，電源為蓄電池和發(fā)電機(jī)。拋負(fù)載現(xiàn)象是蓄電池處于虧電狀態(tài)，發(fā)電機(jī)正在給蓄電池以較高的電流充電時(shí)，蓄電池電源突然斷開(kāi)，如圖2所示。這一充電過(guò)程中，電子控制單元將承受突然的脈沖電壓，其中脈沖電壓取決于當(dāng)時(shí)蓄電池充電電流、充電電壓、線(xiàn)纜特性和發(fā)電機(jī)內(nèi)限幅二極管。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線(xiàn)圈中的時(shí)間常數(shù)決定了產(chǎn)生脈沖電壓的寬度。如果電子控制單元電源輸入模塊沒(méi)有保護(hù)電路，在發(fā)生拋負(fù)載過(guò)程，電源輸入模塊很有可能被高壓電損壞。

圖2：拋負(fù)載產(chǎn)生的原因

汽車(chē)分為輕型車(chē)輛和重型車(chē)輛兩種，乘用車(chē)等輕型車(chē)輛使用12V電池，而卡車(chē)、起重機(jī)和拖拉機(jī)等重型車(chē)輛使用24V電池。汽車(chē)系統(tǒng)內(nèi)的常見(jiàn)電源架構(gòu)由蓄電池、發(fā)電機(jī)、保護(hù)電路、DCDC轉(zhuǎn)換器以及各類(lèi)型的LDO組成，如圖3所示。

圖3：汽車(chē)電子系統(tǒng)的電源架構(gòu)

3 拋負(fù)載防護(hù)方法

3.1 瞬態(tài)抑制二極管防護(hù)

3.1.1 瞬態(tài)抑制二極管的特點(diǎn)

瞬態(tài)抑制二極管（TVS）響應(yīng)速度快，分立式TVS的結(jié)電容為幾百至幾千皮法，貼片式可低至幾皮法至幾十皮法，響應(yīng)速度可達(dá)皮秒量級(jí)，是所有瞬變電壓抑制元器件中最快的，適用于高頻信號(hào)電路的保護(hù)。通流容量較小，是瞬變電壓抑制器件中相對(duì)最小的，僅適用于PCB級(jí)及器件級(jí)保護(hù)。壽命較長(zhǎng)，能承受多次沖擊而不退化，其主要失效模式是短路，TVS的類(lèi)型如圖4所示。

圖4：TVS管的類(lèi)型和參數(shù)

3.1.2 瞬態(tài)抑制二極管的參數(shù)選擇

TVS管的保護(hù)分為變位電壓、擊穿電壓和箍位電壓。變位電壓VR是TVS的反向電流開(kāi)始上升時(shí)的電壓，測(cè)試電流為IR，通常約為擊穿電壓的85%，此時(shí)TVS并未充分達(dá)到雪崩擊穿；擊穿電壓VBR是在規(guī)定的最大反向漏電流IT下測(cè)得的，相當(dāng)于二極管的雪崩擊穿電壓；箍位電壓VC是在規(guī)定的最大峰值脈沖電流IPP下的電壓，通常為擊穿電壓的1.2～1.4倍左右，是TVS能夠承受的最大電壓。TVS管的I-U的特性如圖5所示。

圖5：TVS管的I-U特性

TVS管參數(shù)的選擇應(yīng)遵循以下規(guī)則：

（1）箍位電壓小于電路的最大允許安全電壓；

（2）變位電壓大于電路的最大工作電壓，但應(yīng)和后者比較接近；

（3）在標(biāo)準(zhǔn)脈沖寬度下測(cè)定的最大允許峰值功率大于電路中可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率；

（4）電容量不應(yīng)影響電路的頻率特性。高頻電路要求TVS電容低，中低頻電路允許電容可較大。如圖6所示。

圖6：TVS在24V系統(tǒng)應(yīng)用示例

3.1.3 瞬態(tài)抑制二極管的參數(shù)計(jì)算

VP為Pulse最高電壓，Ri為蓄電池內(nèi)阻，IPEAK為拋負(fù)載時(shí)的最大峰值電流，VCLAMP為箍位電壓。PPK為T(mén)VS工作時(shí)的功率，td為T(mén)VS工作總時(shí)間，T_CONDUCT為T(mén)VS將浪涌電壓箍位至VCLAMP的時(shí)間，E為T(mén)VS的吸收能量。

3.2 過(guò)壓IC防護(hù)

在該種防護(hù)方法中，使用N溝道的MOSFET作為開(kāi)關(guān)將拋負(fù)載源與下游負(fù)載進(jìn)行隔離，并采用保護(hù)IC來(lái)控制MOSFET。當(dāng)拋負(fù)載現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，保護(hù)IC檢測(cè)到過(guò)壓，斷開(kāi)MOSFET，以達(dá)到保護(hù)后級(jí)電路的目的。如圖7所示。

圖7：保護(hù)IC在24V系統(tǒng)應(yīng)用示例

3.3 有源浪涌抑制器防護(hù)

上節(jié)提到的過(guò)壓IC防護(hù)方法在部分場(chǎng)合無(wú)法應(yīng)用（功能狀態(tài)Class C），如拋負(fù)載發(fā)生時(shí)不希望系統(tǒng)發(fā)生復(fù)位現(xiàn)象。汽車(chē)電子產(chǎn)品的功能狀態(tài)如表2所示。

表2：汽車(chē)電子產(chǎn)品功能狀態(tài)表

DCDC轉(zhuǎn)換器的最高電壓輸入范圍可達(dá)40V，TVS的箍位電壓應(yīng)在40V以下，但由此帶來(lái)問(wèn)題，TVS的箍位電壓低，會(huì)導(dǎo)致TVS的雪崩擊穿概率會(huì)加大，無(wú)法在汽車(chē)電子24V應(yīng)用時(shí)選到合適的TVS管。此時(shí)專(zhuān)用的有源浪涌抑制器就會(huì)派上用場(chǎng)。如圖8所示。

圖8：有源浪涌抑制器保護(hù)在24V系統(tǒng)應(yīng)用示例

4 總結(jié)

本文研究了汽車(chē)電子24V系統(tǒng)發(fā)生拋負(fù)載時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)象分析，且針對(duì)拋負(fù)載現(xiàn)象提出了幾類(lèi)方法，瞬態(tài)抑制二極管防護(hù)，保護(hù)IC防護(hù)和有源浪涌抑制器防護(hù)。這幾類(lèi)方案，均具備可靠性高、簡(jiǎn)單靈活等特點(diǎn)，有效解決24V系統(tǒng)拋負(fù)載發(fā)生時(shí)的保護(hù)問(wèn)題，可以滿(mǎn)足車(chē)輛電子電源保護(hù)和浪涌抑制的要求，具備工程推廣應(yīng)用價(jià)值。