淺談車載監(jiān)控終端電源的浪涌抑制電路設計范文

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《集成電路通訊》2008年第4期

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(tài)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(tǒng)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(tài)傳導；車載遠程監(jiān)控終端

隨著現(xiàn)代汽車的高速發(fā)展，大量的電子設備用在汽車上，包括感性負載、容性負載、發(fā)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(fā)生各種故障，都可能產(chǎn)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(lián)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(nèi)通過傳導和耦合引起的電干擾，提出了沿電源線的電瞬態(tài)傳導及測試方法，適用于12V或24V的電氣系統(tǒng)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。

1ISO7637標準介紹

ISO7637規(guī)定了5種脈沖波形，歸納了大部分汽車可能發(fā)生的情況所帶來的電源沖擊和干擾，我們的車載遠程監(jiān)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。

2電路設計部分傳統(tǒng)的設計方案

如圖1所示，原理上正高壓是通過瞬態(tài)抑制（TransientVoltageSuppressor，TVS）管強制吸收泄放，負壓是采用串聯(lián)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﹣600V處不會被擊穿，此處選擇3A的肖特基二極管1N5408，反向電壓1000V。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+174V，持續(xù)時間最大350ms，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D13TVS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50A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24V的車電系統(tǒng)，根據(jù)《GBT19056—2012汽車行駛記錄儀（工信部3C）》中的5.3.3要求，對于24V的系統(tǒng)要求車載遠程監(jiān)控終端的電源需要在36V條件下仍然正常工作1min，所以TVS需要選擇5KP36A，TVS后的電源芯片耐壓至少要60V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（MetalOxideSemiconductor，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）=290mΩ，在VGS=10V時，ID=7A。耐壓VDSS=300V，保證VDSS>脈沖5a的最高電壓（+174V）。ID>車載遠程監(jiān)控終端的工作電流0.2A。管子最大功耗PD=140W。按MOS管S極輸出為32V電壓計算，當脈沖5a最高電壓174V通過時，管子的DS壓降為△U=174－32=142V。公稱壓力（NominalPressure，PN）結的最高結溫為150℃，如果設備工作在75℃條件下。

按熱導為1.12W/℃計算。功耗P=（150－75）×1.12=84W。最大電流IP=84W/（174V－32V）=0.59A。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(xiàn)為GDS擊穿等現(xiàn)象，應用中需要控制工作電流小于0.59A。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24V車電進來后，通過R7電阻使D2的G極電壓達到24V，VGS（TH）按4V計算，滿足VGS>VGS（TH），所以D2MOS管的DS極導通，DS極導通后，后面的DC-DC啟動，脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation，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(wěn)壓，穩(wěn)定到36V。因為導通后，只要保持VGS>VGS（TH），即可保證D2可靠導通。所以在24V供電的情況下，該電路正常導通。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40V以上后，由于D10穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓嵌位作用，D2MOS管的G極電壓穩(wěn)定在36V。因為MOS管的DS極導通的條件是VGS>VGS（TH），VGS（TH）按規(guī)格書在4V內(nèi)，所以供電電壓（VoltCurrentCondenser，VCC）的電壓嵌位到32V。就算前端電壓升到174V，也可以將VCC的電壓嵌位到32V。如果VCC>32V，因為MOS管G極的電壓被穩(wěn)壓在36V，很快會破壞VGS>VGS（TH）的條件，讓MOS截止，所以VCC不可能高于32V。該電路的性能取決于MOS管的參數(shù)。首先MOS管的耐壓需要大于174V，而14N30的VDSS電壓可以達到300V，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(huán)境安裝ISO7637的標準搭建。脈沖5a（Us=+174V，Ri=1Ω，td=350ms），用示波器捕捉脈沖1和經(jīng)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32V。實驗完成后，T-BOX設備正常。達到ISO7637中規(guī)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32V的最高電壓，從而保證后端電路的安全可靠。

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(tài)傳導的能力，滿足ISO7637的認證要求，很大程度上提高了產(chǎn)品的可靠性。

作者：洪炳林 單位：福建星海通信科技有限公司