为汽车电子系统提供供电和保护,无开关噪声,效率高达99.9%

时间:2020-06-22 10:43来源:电子发烧友网作者:电子发烧友网 点击:
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摘要:为汽车电子系统提供供电和保护,无开关噪声,效率高达99.9%-ISO 16750-2主要介绍来自低阻抗源的长脉冲。这些瞬变无法

关键字:肖特基二极管

为汽车电子系统供电时,不但需要满足高可靠性要求,还需要应对相对不太稳定的电池电压,具有一定挑战性。与车辆电池连接的电子和机械系统具有差异性,可能导致标称12 V电源出现大幅电压偏移。事实上,在一定时间段内,12 V电源的变化范围为–14 V至+35 V,且可能出现+150 V至–220 V的电压峰值。其中有些浪涌和瞬变在日常使用中出现,其他则是因为故障或人为错误导致。无论起因为何,它们对汽车电子系统造成的损害难以诊断,修复成本也很高昂。

通过总结上个世纪的经验,汽车制造商对会干扰运行、造成损坏的电子状况和瞬变进行了分类。国际标准化组织(ISO)对这些行业知识进行编译,制定出适用于道路车辆的ISO 16750-2和ISO 7367-2规范。汽车电子控制单元(ECU)使用的电源至少应该能够承受这些状况,且不造成损坏。至于关键系统,则必须保持其功能性和容差。这需要电源能够通过瞬变调节输出电压,以保持ECU运行。理想情况下,完整的电源解决方案无需使用保险丝,可以最大限度降低功耗,且采用低静态电流,在不耗尽电池电量的情况下,支持系统始终保持开启。

ISO 16750-2汽车电子系统面临的状况

ADI公司发布了多份刊物,详细介绍ISO 7367-2和ISO 16750-2规范,以及如何使用LTspice®模拟这些规范。1,2,3,4

在最近的迭代中,ISO 7367-2电磁兼容规范主要介绍来自相对较高的阻抗源(2 Ω至50 Ω)的大幅度(》100 V)、短时持续(150 ns至2 ms)瞬变。这些电压峰值通常可以使用无源组件消除。图1显示定义的ISO 7367-2脉冲1,以及增加的330 μF旁路电容。电容将尖峰幅度从–150 V降低至–16 V,完全在反向电池保护电路支持的范围内。ISO 7367-2脉冲2a、3a和3b的能耗远低于脉冲1,所需的抑制电容也更少。

为汽车电子系统提供供电和保护,无开关噪声,效率高达99.9%

图1.ISO 7367-2:带和不带330 μF旁路电容的脉冲1。

ISO 16750-2主要介绍来自低阻抗源的长脉冲。这些瞬变无法轻松过滤,通常需要使用基于稳压器的主动式解决方案。一些更具挑战性的测试包括:负载突降(测试4.6.4)、电池反接(测试4.7)、叠加交变电压测试(测试4.4),以及发动机启动工况(测试4.6.3)。图2显示了这些测试脉冲的视图。ISO 16750-2中所示条件的差异性,加上ECU对电压和电流的要求,通常需要合并使用这些方案,以满足所有要求。

负载突降

负载突降(ISO 16750-2:测试4.6.4)属于严重的瞬态过压,模拟电池断开,但交流发电机提供大量电流的情况。负载突降期间的峰值电压被分为受抑制电压或未受抑制电压,由3相交流发电机的输出是否使用雪崩二极管来决定。受抑制的负载突降脉冲限制在35 V,不受抑制的脉冲峰值范围则为79 V至101 V。无论是哪种情况,因为交流发电器定子绕组中存储了大量电磁能量,所以可能需要400 ms进行恢复。虽然大部分汽车制造商使用雪崩二极管,但随着人们对可靠性的要求不断增高,使得一些制造商要求ECU的峰值负载突降电压必须接近未受抑制情况下的电压。

解决负载突降问题的解决方案之一就是添加瞬变电压抑制器(TVS)二极管,从局部箝位ECU电源。更紧凑、容差更严格的方法则是使用主动浪涌抑制器,例如LTC4364,该抑制器以线性方式控制串接的N通道MOSFET,将最大输出电压箝位至用户配置的水平(例如,27 V)。浪涌抑制器可以帮助断开输出,支持可配置限流值和欠压锁定,且可使用背靠背NFET提供通常需要的反向电池保护。

对于线性稳压功率器件,例如浪涌抑制器,存在的隐患在于,在负载突降期间限制输出电压,或者在短路输出期间限制电流时,N通道MOSFET可能功耗较大。功率MOSFET的安全工作区域(SOA)限制最终会限制浪涌抑制器能够提供的最大电流。它还给出了在N通道MOSFET必须关闭,以避免造成损坏之前,必须保持稳压的时长限制(通常使用可配置定时器引脚设置)。这些SOA导致的限制随着工作电压升高变得更加严重,增加了浪涌抑制器在24 V和48 V系统中使用的难度。

更具扩展性的方法使用降压稳压器,该稳压器可在42 V输入下运行,例如LT8640S。开关稳压器与线性稳压器不同,并无MOSFET SOA限制,但显然它更加复杂。降压稳压器的效率支持实施大电流操作,其顶部开关则允许输出断开,并支持电流限制。至于降压稳压器静态电流问题,已由最新一代器件解决,这些器件仅消耗几微安电流,在无负载条件下也保持稳压。通过使用Silent Switcher®技术和展频技术,开关噪声问题也得到大幅改善。

【光粒网综合报道】( 责任编辑:weixiang )
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