電源接口防護(hù)電路設(shè)計(jì)分析

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摘要：汽車電子中的電源接口發(fā)揮車輛的啟動功能，為了提高啟動效率和電子系統(tǒng)的抗干擾性，在電源接口設(shè)計(jì)中要設(shè)置防護(hù)電路。基于對電源接口常見干擾的分析，本文提出了電源結(jié)構(gòu)的防護(hù)電路設(shè)計(jì)方法，在滿足車輛的啟動要求基礎(chǔ)上，防止各類干擾因素對整個(gè)電子系統(tǒng)造成過大影響，提高電子系統(tǒng)的運(yùn)行壽命。

關(guān)鍵詞：汽車電子；電源接口；防護(hù)

電路在汽車電子系統(tǒng)的運(yùn)行中，電源接口將直接決定電子系統(tǒng)是否運(yùn)行，所以電源結(jié)構(gòu)需要具備極高的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。在車輛的運(yùn)行中，結(jié)構(gòu)線路中會出現(xiàn)很多電流干擾，尤其是在車輛的啟動階段，電子線路中會產(chǎn)生涌流，這類電流對系統(tǒng)造成的影響和干擾最大，所以在整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行中，要采取合理方法消除這些干擾對系統(tǒng)造成的影響。

1汽車電子中的電源接口常見干擾類型

電源接口的常見干擾包括電流涌流、電路過壓和電池反向電流等，這些干擾類型對電源接口的影響效果如下：1.1電流涌流。電流涌流通常發(fā)生在車輛的啟動階段，車輛未啟動階段，電子系統(tǒng)不運(yùn)行，在啟動過程中，都可視作各線路中突然產(chǎn)生電流。在這一過程中，電流產(chǎn)生的涌流對電路造成的影響很大，尤其是一些敏感線路，各線路產(chǎn)生的電磁場會在敏感電路中產(chǎn)生電流，降低了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量[1]。另外這類涌流通常伴隨著系統(tǒng)中產(chǎn)生過電壓和過電流，對整個(gè)電子系統(tǒng)造成過大影響，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)舸╇娐废到y(tǒng)中的一些精密電子器件，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無法運(yùn)行。1.2電路過壓。在電源接口的運(yùn)行中，當(dāng)電子系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性不足時(shí)，會產(chǎn)生電路過壓問題，該問題發(fā)生后，容易擊穿電子系統(tǒng)中的電子器件，導(dǎo)致車輛的電子系統(tǒng)無法運(yùn)行。另外在車輛啟動后，發(fā)電機(jī)成為主要供電設(shè)備，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交變電流，容易對電子線路中的其余系統(tǒng)造成影響。由于發(fā)電機(jī)運(yùn)行后產(chǎn)生的電壓高于蓄電池，會產(chǎn)生過電壓問題。車輛運(yùn)行中的供電系統(tǒng)原理圖如圖1。從中可以看出，在發(fā)電機(jī)運(yùn)行后，產(chǎn)生的電流容易對蓄電池和起重機(jī)造成影響，產(chǎn)生的過電壓會降低蓄電池的運(yùn)行壽命。1.3電池反向電流。從上文中可以發(fā)現(xiàn)，在汽車的運(yùn)行中，主要以發(fā)電機(jī)為汽車的電源，當(dāng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓過大時(shí)，會在電路中產(chǎn)生電池反向電流，雖然蓄電池在運(yùn)行中能夠發(fā)揮一定的電容作用，并依托發(fā)電機(jī)充電，但是當(dāng)反向電流過大時(shí)，會導(dǎo)致整個(gè)電路的運(yùn)行效率下降。另外在當(dāng)前的汽車中，起動機(jī)的額定電壓較小，與蓄電池的工作電壓相同，當(dāng)出現(xiàn)電池反向電流現(xiàn)象時(shí)，通常意味著發(fā)電機(jī)的電壓高于蓄電池電壓，容易導(dǎo)致起動機(jī)損壞，導(dǎo)致車輛無法啟動。

2汽車電子中的電源接口防護(hù)電路設(shè)計(jì)方法

2.1無源防護(hù)電路。無源防護(hù)電路的設(shè)計(jì)思想為，建成集合了電容、電感和電阻的電路系統(tǒng)，在該系統(tǒng)的運(yùn)行中，各個(gè)電子器件發(fā)揮應(yīng)有作用。電感器設(shè)置在電路的干路上，這種設(shè)計(jì)方法能夠消除交變電流對電源接口的影響，電容位于電路的中間連接區(qū)域，當(dāng)電路中的電壓過大時(shí)，電容會充能，起到穩(wěn)定電路電壓的作用，另外在零線與火線之間，也設(shè)置了一個(gè)二極管，作用為保持電流的單向輸入和輸出。在電路的火線上設(shè)置保險(xiǎn)絲，當(dāng)電路中的電流過大，會對其余構(gòu)件造成嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)，保險(xiǎn)絲熔斷，防止電子系統(tǒng)遭受到大規(guī)模破壞。這種保護(hù)電路的優(yōu)勢在于，有更低的生產(chǎn)成本，并且維修較為簡單，但是也存在明顯的缺點(diǎn)，表現(xiàn)為，在車輛的長期運(yùn)行后，電容器的運(yùn)行質(zhì)量會下降，無法發(fā)揮應(yīng)有的功能，導(dǎo)致對電子系統(tǒng)內(nèi)的防護(hù)效果下降，另外應(yīng)用保險(xiǎn)絲的方式完成電路保護(hù)工作，保險(xiǎn)絲熔斷時(shí)，車輛無法正常啟動。2.2有源防護(hù)電路。在當(dāng)前的汽車工業(yè)中，已經(jīng)廣泛應(yīng)用有源防護(hù)電路實(shí)現(xiàn)電源接口保護(hù)，這種電路通常應(yīng)用于敏感電路保護(hù)系統(tǒng)。有源在車輛運(yùn)行中，由發(fā)電機(jī)供電，產(chǎn)生的電壓為12V，而蓄電池的電壓為6V，從供電設(shè)備上來看，發(fā)電機(jī)對敏感電路的影響更大，所以需要借助有源防護(hù)電路提高相應(yīng)的保護(hù)功能。本文提出的方法為，使用LT1641提供針對敏感電路的附加保護(hù)，在該設(shè)備的應(yīng)用中，在3種運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)揮作用，首先為發(fā)電機(jī)電能產(chǎn)生量較少的狀態(tài)，這種情況下發(fā)電機(jī)的電壓小于12V，而當(dāng)電壓小于9V時(shí)，車輛上電氣設(shè)備開啟后，容易導(dǎo)致車輛無法正常運(yùn)行，所以LT1641的一個(gè)重要工作內(nèi)容為，分析和記錄發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓，并與控制器中的數(shù)據(jù)比較，確定是否發(fā)出電量不足警示信息，讓駕駛員關(guān)閉電氣設(shè)備[2]。其次為發(fā)揮系統(tǒng)的軟啟動功能，在電氣設(shè)備開啟以及車輛啟動中，為讓整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，LT1641控制相關(guān)設(shè)備的電壓緩慢上升，同時(shí)有該設(shè)備檢測電力系統(tǒng)運(yùn)行中的其余參數(shù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電壓下降明顯時(shí)，通過對電路開關(guān)的控制，讓蓄電池參與電氣設(shè)備的供電過程。最后為保護(hù)主線路保險(xiǎn)絲作用，雖然保險(xiǎn)絲的最重要作用為保障電路的安全運(yùn)行，但是電路運(yùn)行中產(chǎn)生的常見干擾，也容易導(dǎo)致保險(xiǎn)絲熔斷。在發(fā)生電路故障時(shí)，構(gòu)件中的斷路器與一定頻率嘗試重連，當(dāng)多次重連失敗后，意味著電路系統(tǒng)的故障無法自我消除，此時(shí)熔斷保險(xiǎn)絲。而該設(shè)備的運(yùn)行中，需要設(shè)置保險(xiǎn)絲熔斷電壓和電氣設(shè)備隔離電壓，通常情況下，熔斷電壓為24V，電氣設(shè)備的隔離電壓為9V，當(dāng)發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)過壓電流時(shí)，斷路器斷開電路，經(jīng)過1~2s后重連，同時(shí)LT1641中設(shè)置的時(shí)間記錄構(gòu)件運(yùn)行，記錄電路系統(tǒng)的重連時(shí)間，斷了預(yù)期多次重來失敗后，可以確定電子系統(tǒng)中發(fā)生的故障為長期存在的故障，通過電路開關(guān)將電流引入保險(xiǎn)絲上。2.3電池反向保護(hù)。在電池反向保護(hù)中，需要防止電子系統(tǒng)中產(chǎn)生的過大電流對控制器造成影響，對于這一保護(hù)方法，可以應(yīng)用的方法為，在保護(hù)電路中設(shè)置P-N二極管，可以有效防止產(chǎn)生的反向電壓進(jìn)入到其余各類線路中。在電極管的設(shè)置中，要分析控制芯片的電流輸入與輸出方向，通常在電流輸出端設(shè)置二極管即可滿足防護(hù)要求，當(dāng)前的一些車輛中會在輸入和輸出端同時(shí)設(shè)置二極管。另外在一些車輛系統(tǒng)中，對于一些要求二極管運(yùn)行中不產(chǎn)生功耗的器件來說，需要設(shè)置一個(gè)額外電路，實(shí)現(xiàn)無功或有功補(bǔ)償，本文提出的電路設(shè)計(jì)方案如圖2。在電路正常運(yùn)行的情況下，電路中的二極管正向偏置，將電路中產(chǎn)生的功率傳輸?shù)絃T1641中，之后二極管的Q2柵極驅(qū)動，整個(gè)電路完全接通。當(dāng)產(chǎn)生電池反向電壓后，Q3的電平低于地電平，拉低了Q2端的電平，在這種狀態(tài)先，Q2端處于斷開狀態(tài)，將反向的輸入隔離，電子系統(tǒng)中產(chǎn)生的反向輸入不能進(jìn)入到LT1641控制器中。2.4電壓限幅器。在當(dāng)前的汽車中，車輛的運(yùn)行電壓普遍不高于25V，為了能夠保證車輛和所有電氣設(shè)備的正常穩(wěn)定運(yùn)行，需要設(shè)置電壓限幅器，常見的這類構(gòu)件有LT1616，但是從最終的應(yīng)用效果上來看，這種控制器不適合應(yīng)用于汽車中，原因在于這種限幅器運(yùn)行效率較低，故而要設(shè)計(jì)其余類型的控制器[3]。通過對當(dāng)前各類電壓限幅器性能和應(yīng)用原理的了解，本文設(shè)計(jì)了一種基于兩個(gè)電壓限幅器融合的新型限幅器，采用的限幅器為LDO穩(wěn)壓器和LT3012B/LT3013B融合的構(gòu)件，以實(shí)現(xiàn)對電壓的精確控制。在該系統(tǒng)中，LT3013B具備很寬的電壓輸入?yún)^(qū)域，電壓域達(dá)到4~80V，同時(shí)該構(gòu)件中也加入了電池反向保護(hù)系統(tǒng)，在具體的應(yīng)用中，無需設(shè)置額外的電池反向保護(hù)電路。在電路的正常運(yùn)行狀態(tài)下，LDO穩(wěn)壓器的運(yùn)行狀態(tài)等價(jià)于VOUT/VIN,當(dāng)系統(tǒng)電路系統(tǒng)的運(yùn)行電壓較低時(shí)，LDO穩(wěn)壓器的運(yùn)行效率大幅下降，研究結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行電壓從12V降低到3.3V時(shí)，LDO系統(tǒng)的運(yùn)行效率降低到28%。當(dāng)LDO穩(wěn)壓器和LT3013B連接時(shí)，能夠有效規(guī)避這一問題，原因在于，LT3013B在低壓狀態(tài)下有更高的運(yùn)行效率，這種方式能夠補(bǔ)足LDO穩(wěn)壓器中存在的問題。在車輛的電路系統(tǒng)的運(yùn)行中，當(dāng)構(gòu)件的輸入端電壓高于24V時(shí)，在LT3013B的作用下，能夠?qū)⑤敵鲭妷赫{(diào)整為24V。在常見的12V電路系統(tǒng)中，LT3013B的工作效率達(dá)到80%，其中LDO在該電壓先也有很高的運(yùn)行效率，所以可以最終的輸出電壓能夠滿足汽車的正常穩(wěn)定運(yùn)行要求。

3結(jié)論

綜上所述，在汽車電子中的電源接口系統(tǒng)中，常見的干擾類型為電流涌流、電壓的過壓干擾和電池反向干擾，為消除這些干擾因素，保證電子系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行，基礎(chǔ)思路為設(shè)置無源調(diào)節(jié)信號，但是該系統(tǒng)存在重大缺陷，在當(dāng)前的車輛工程中，保護(hù)電路的設(shè)置方法為設(shè)置有源保護(hù)電路、電壓限幅器、電池反向保護(hù)裝置等措施達(dá)成目的，確保電路系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]王祥楚.汽車電子中的電源接口防護(hù)電路設(shè)計(jì)分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2019（01）：84-85.

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[3]張娜.汽車電子控制器開發(fā)裝置主控制器模塊研究[D].重慶交通大學(xué)，2014.

作者:卞俊 單位:同濟(jì)大學(xué)