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從冷啟動到負(fù)載突降:汽車瞬態(tài)入門

發(fā)布時間:2022-03-05 來源:MPS 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】汽車技術(shù)的進步極大地增加了典型汽車系統(tǒng)中復(fù)雜電子電路的數(shù)量,用以改善駕駛體驗與安全性。新車型不斷為信息娛樂系統(tǒng)提供更高分辨率的顯示屏、增強的用戶界面和更多的連接選項;而先進的安全功能則包括了用于避免碰撞的激光雷達(dá),以及用于駕駛員感知的多攝像頭與傳感器。大多數(shù)這種電子模塊都會連接到 12V 或 24V 電池系統(tǒng),這意味著它們會經(jīng)受嚴(yán)苛或動態(tài)瞬態(tài)環(huán)境的影響。如何確保電路在極端環(huán)境下的可靠運行,這對電源設(shè)計人員提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。


圖 1 所示為典型的汽車電子系統(tǒng)。汽車電池系統(tǒng)的典型負(fù)載包括信息娛樂系統(tǒng)、ADAS、數(shù)字駕駛艙、照明系統(tǒng)、電子模塊 (ECU) 和 CAN 總線。


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圖 1:典型汽車電子系統(tǒng)


從交流發(fā)電機產(chǎn)生的嚴(yán)重高能瞬變到點火系統(tǒng)產(chǎn)生的低電平噪聲,傳統(tǒng)汽車電源的瞬態(tài)條件多種多樣。本文將介紹一些常見的汽車瞬態(tài)條件,例如電池反向、冷啟動、熱啟動和負(fù)載突降,并探討這些瞬態(tài)產(chǎn)生的原因以及系統(tǒng)設(shè)計的挑戰(zhàn)所在。


冷啟動


在寒冷的天氣條件下,汽車電池和引擎都需要承受極低的溫度。當(dāng)啟動器吸收大電流以啟動冷引擎時,電池電壓會下降,并產(chǎn)生冷啟動脈沖。冷啟動條件下,電池電壓可能會在 15ms 到 50ms 的時間內(nèi)降至 3V 以下(最壞情況)。

 

之后,電池電壓會上升至大約 6V,并保持幾秒鐘,然后又在幾毫秒的上升時間內(nèi)回到標(biāo)稱電壓。在低溫環(huán)境中,典型冷啟動條件下的電池電壓曲線如圖2所示。ISO 7637-2標(biāo)準(zhǔn)中的測試脈沖4對這類啟動曲線有詳細(xì)的描述。


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圖2: 典型冷啟動脈沖


典型條件之下,不同汽車制造商的電池啟動曲線都非常相似,但不同OEM的電壓電平和時序則各不相同。


根據(jù)不同的 OEM 規(guī)格,啟動器曲線脈沖中可能還包含低頻正弦波。正弦波(例如 2Hz)代表了啟動期間的交流發(fā)電機噪聲。ISO 16750-2 標(biāo)準(zhǔn)中描述了幾種使用正弦波注入的啟動曲線, OEM 規(guī)格中可以引用。這種波形通常被稱為重度冷啟動脈沖(見圖 3)。


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圖3: 重度冷啟動脈沖


冷啟動系統(tǒng)挑戰(zhàn)


在冷啟動條件下,電源解決方案需要確保在短時間內(nèi)為低至 2.8V 的輸入提供連續(xù)、穩(wěn)定的輸出調(diào)整率。具有寬VIN 范圍的變換器,例如 MPS的DC/DC 升降壓變換器MPQ8875A-AEC1,就可以解決這種低輸入電壓問題。


熱啟動


當(dāng)啟動器吸收大電流來啟動熱引擎時,電池電壓也會下降,并產(chǎn)生熱啟動脈沖。盡管熱啟動脈沖與冷啟動脈沖非常相似,但其壓降和縮短的脈沖持續(xù)時間通常程度低很多。ISO 16750-2 和 ISO 7637-2標(biāo)準(zhǔn)中的測試脈沖 4 也對熱啟動的啟動曲線進行了描述。

 

在熱啟動脈沖期間,電池電壓可降至 5V 或 6V,電壓下降時間通常都比冷啟動短。在大約 5ms 的短暫持續(xù)時間之后,電池電壓會上升到大約 8V,并在此保持不到一秒鐘,然后再回到標(biāo)稱電壓。圖 4 顯示了熱啟動條件下的電池電壓曲線。


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圖4: 典型熱啟動脈沖


不同汽車制造商的熱啟動脈沖電池電壓曲線都很相似,但不同 OEM的電壓電平和時序也是各不相同。汽車自動啟停功能(start-stop)就是熱啟動脈沖條件的一個例子。當(dāng)踩下剎車,車輛完全停止時,引擎關(guān)閉;而在松開制動踏板時,引擎重新啟動。


熱啟動系統(tǒng)挑戰(zhàn)


許多車輛都要求,即使在熱啟動等條件下,也要保持某些汽車功能的持續(xù)運行。例如,汽車收音機不應(yīng)在熱啟動時突然停止播放音樂,液晶顯示面板也不應(yīng)閃爍或視頻質(zhì)量下降。采用具有寬 VIN 范圍的 DC/DC 升壓或升降壓變換器可以應(yīng)對這種類型的低輸入電壓條件,例如MPS的MPQ8875A-AEC1。


反向電壓


當(dāng)汽車電池從系統(tǒng)斷開,并意外電池極性反轉(zhuǎn)重連時,會出現(xiàn)反向電壓或電池反向的情況。這會在輸入電源連接器上產(chǎn)生負(fù)電壓,從而損壞電源和其他電路。許多 IC 的額定負(fù)電壓僅為幾百毫伏(例如 -0.3V),而其他組件則可能對極性非常敏感。反向保護二極管或 MOSFET 通常被用于保護電路免受這種情況的影響。

 

圖 5 顯示了一個ECU錯誤連接到電池的裝置。將最初連接正確的14V 電池斷開,重新連接至 ECU時,將電池極性反轉(zhuǎn),使 ECU 處于負(fù)14V的電壓之下。ISO 和 OEM 測試定義了施加負(fù)電壓的持續(xù)時間可以超過 60 秒。常用的方法是采用保險絲來防止過流損壞,具體取決于反向保護電路。施加反向電壓超過規(guī)定的測試時間之后,需要重新施加正確極性的電壓,以確認(rèn)模塊仍能正常工作。


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圖5: 電池反向條件


反向電壓系統(tǒng)挑戰(zhàn)


保護所有 IC 和組件免受負(fù)電壓或反向電壓的影響至關(guān)重要。在這種條件之下,組件會嚴(yán)重降級甚至損壞。建議使用二極管和 MOSFET 等器件來提供相應(yīng)的保護。


負(fù)載突降


當(dāng)電池斷開但交流發(fā)電機仍連接到其他電子負(fù)載上時,會產(chǎn)生電壓浪涌,這就是負(fù)載突降瞬態(tài)(見圖 6)。如果在車輛行駛時電池意外斷開,就可能會發(fā)生負(fù)載突降。常見的原因包括電池端子腐蝕、連接不良或電池電纜退化。


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圖6: 負(fù)載突降條件


峰值浪涌電壓可能超過100V,并需要400ms的時間才能衰減下來。ISO 16750-2 和 ISO 7637-2中的測試脈沖 5a 和 5b通常被引用以對特定的負(fù)載突降瞬態(tài)脈沖進行描述。這兩個標(biāo)準(zhǔn)中都描述了兩種類型的負(fù)載突降瞬變。

 

1. 未抑制:當(dāng)電池斷開且交流發(fā)電機仍為系統(tǒng)供電時,會產(chǎn)生高壓負(fù)載突降瞬態(tài)浪涌,從而導(dǎo)致非鉗位波形,如圖 7所示。在這種情況下,交流發(fā)電機沒有內(nèi)部鉗位或抑制裝置,連接到交流發(fā)電機的模塊和器件都會受到這種突發(fā)瞬態(tài)條件的影響。


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圖7: 未抑制的負(fù)載突降脈沖


2. 受抑制:當(dāng)負(fù)載突降瞬態(tài)浪涌發(fā)生時,波形被交流發(fā)電機整流器中的雪崩二極管抑制,從而產(chǎn)生鉗位波形(見圖 8)。在這種情況下,交流發(fā)電機中的鉗位保護會將大多數(shù) 12V 系統(tǒng)中的瞬態(tài)電壓抑制到較低的程度,通常介于 32V 和 40V 之間。


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圖8: 受抑制的負(fù)載突降脈沖


負(fù)載突降系統(tǒng)挑戰(zhàn)


電路必須能夠承受負(fù)載突降而不會損壞或退化。建議采用 TVS 二極管或其他輸入保護來避免受到負(fù)載突降的影響。為了抑制負(fù)載突降,電路所需的鉗位保護可能只需要額定在 40V 至 45V 之間。此時,采用寬 VIN 降壓變換器即可滿足系統(tǒng)要求,例如MPS的MPQ4316-AEC1。 對于不受抑制的負(fù)載突降,鉗位保護的額定值要高得多,因此也需要更大且成本更高的解決方案。


總結(jié)


表 1 總結(jié)了上文描述的汽車瞬態(tài)和脈沖條件,涵蓋了常見的行業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn),同時還強調(diào)了系統(tǒng)設(shè)計者必須考慮的系統(tǒng)挑戰(zhàn)。

 

表 1:汽車輸入瞬態(tài)、通用標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)挑戰(zhàn)

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結(jié)論


所有典型汽車模塊都需要解決文中討論的大部分或所有瞬態(tài)條件。對這些關(guān)鍵的汽車瞬態(tài)有一個基本的了解對于設(shè)計出穩(wěn)健的解決方案十分必要。

 

設(shè)計滿足極端條件的可靠電源電路可能極具挑戰(zhàn)性,但 MPQ4316-AEC1(具有寬 VIN 的降壓變換器)、MPQ8875A-AEC1(具有寬 VIN的升降壓變換器)和 MPQ7200- AEC1(具有寬 VIN 的 LED 驅(qū)動器)等性能穩(wěn)健的汽車組件擁有應(yīng)對動態(tài)環(huán)境的能力,能夠提供出色的性能和安全性。



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