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浅谈车载监控终端电源的浪涌抑制电路设计范文

时间:2022-10-13 11:54:23

浅谈车载监控终端电源的浪涌抑制电路设计

《集成电路通讯》2008年第4期

摘要:文章介绍了《ISO7637-2道路车辆—由传导和耦合引起的电骚扰第2部分:沿电源线的电瞬态传导》。通过分析标准中的脉冲波形,设计一款可通过标准的高可靠低成本电路,该电路与传统电路相比,具有良好的浪涌抑制性能,并通过试验来验证该电路。

关键词:干扰抑制;脉冲;瞬态传导;车载远程监控终端

随着现代汽车的高速发展,大量的电子设备用在汽车上,包括感性负载、容性负载、发电机等设备,这些设备都接在电源上,不定时地突加、突卸,或发生各种故障,都可能产生大量电磁干扰,这些干扰可通过传导、耦合、辐射的方式干扰电子设备,严重情况下会导致设置死机甚至损坏,因为所有设备的电源都并联在一起,通过电源线带来的破坏是最严重的。因此,高性能的车载电源设计是车载电子设备可靠工作的保障[1-2]。国际标准ISO7637针对道路车辆及其挂车内通过传导和耦合引起的电干扰,提出了沿电源线的电瞬态传导及测试方法,适用于12V或24V的电气系统车辆[3]。我们设计的电路必须满足ISO7637标准才能可靠安全地安装在汽车上。

1ISO7637标准介绍

ISO7637规定了5种脉冲波形,归纳了大部分汽车可能发生的情况所带来的电源冲击和干扰,我们的车载远程监控终端只有通过这5种脉冲波形的冲击,才能保证在实际使用过程中,相对可靠地运行。

2电路设计部分传统的设计方案

如图1所示,原理上正高压是通过瞬态抑制(TransientVoltageSuppressor,TVS)管强制吸收泄放,负压是采用串联的二极管来防止负压冲击。D40二极管需要足够的反向耐压保证在负脉冲﹣600V处不会被击穿,此处选择3A的肖特基二极管1N5408,反向电压1000V。对于脉冲1、脉冲3a、脉冲4的负压有很好的抑制阻断作用。对于脉冲2a、脉冲3b、脉冲5a、脉冲5b的高正向电压通过D13的TVS吸收。该电路的缺点是,对于脉冲5a,因为电压最高+174V,持续时间最大350ms,瞬间能量很大,需要用很大的TVS管,会大大提高电路成本。同时,在干扰的瞬间D40二极管和D13TVS管所承受的应力非常大,而且该吸收电路,在吸收嵌位的时候,瞬间电流能达到50A以上,电源线上的保险丝容易烧断。TVS后的电源芯片需要选择高耐压,比TVS的嵌位电压更高耐压的电源芯片,对于24V的车电系统,根据《GBT19056—2012汽车行驶记录仪(工信部3C)》中的5.3.3要求,对于24V的系统要求车载远程监控终端的电源需要在36V条件下仍然正常工作1min,所以TVS需要选择5KP36A,TVS后的电源芯片耐压至少要60V以上,保证电源芯片的安全。综上几点,电路的成本相对较高,对电路的要求较高。新的设计方案如图2所示,原理是:通过金属氧化物半导体(MetalOxideSemiconductor,MOS)管的嵌位作用,限制输出端的电压。电路介绍如下:N沟道MOS管特性分析:此电路选择14N30管,RDS(on)=290mΩ,在VGS=10V时,ID=7A。耐压VDSS=300V,保证VDSS>脉冲5a的最高电压(+174V)。ID>车载远程监控终端的工作电流0.2A。管子最大功耗PD=140W。按MOS管S极输出为32V电压计算,当脉冲5a最高电压174V通过时,管子的DS压降为△U=174-32=142V。公称压力(NominalPressure,PN)结的最高结温为150℃,如果设备工作在75℃条件下。

按热导为1.12W/℃计算。功耗P=(150-75)×1.12=84W。最大电流IP=84W/(174V-32V)=0.59A。如果设备超过该工作电流,MOS管会瞬间过热温度超过PN结而损坏,表现为GDS击穿等现象,应用中需要控制工作电流小于0.59A。对高电压干扰信号不吸收,而是采用高耐压MOS管来阻挡高压传给后级的方法。工作原理如下:当VCC_CAR的24V车电进来后,通过R7电阻使D2的G极电压达到24V,VGS(TH)按4V计算,满足VGS>VGS(TH),所以D2MOS管的DS极导通,DS极导通后,后面的DC-DC启动,脉冲宽度调制(PulseWidthModulation,PWM)来自于DC-DC的PWM脚,与D11和D14构成倍压电路,使D14负极处的电压接近48V,该电压通过R6限流和D10的稳压,稳定到36V。因为导通后,只要保持VGS>VGS(TH),即可保证D2可靠导通。所以在24V供电的情况下,该电路正常导通。以脉冲5a的波形来分析该电路的保护作用。脉冲5a的波形如图3所示。当输入电压升高到40V以上后,由于D10稳压管的稳压嵌位作用,D2MOS管的G极电压稳定在36V。因为MOS管的DS极导通的条件是VGS>VGS(TH),VGS(TH)按规格书在4V内,所以供电电压(VoltCurrentCondenser,VCC)的电压嵌位到32V。就算前端电压升到174V,也可以将VCC的电压嵌位到32V。如果VCC>32V,因为MOS管G极的电压被稳压在36V,很快会破坏VGS>VGS(TH)的条件,让MOS截止,所以VCC不可能高于32V。该电路的性能取决于MOS管的参数。首先MOS管的耐压需要大于174V,而14N30的VDSS电压可以达到300V,满足要求。其次,因为高压干扰过来的时候,MOS管DS之间的压差会比较大,瞬间功耗取决于压差和流过MOS管的电流。因为记录仪工作电流较小,所以该电路可安全使用。

3测试验证

主要通过最高正压的波形来验证选择脉冲5a波形来做实验(见图3),实验环境安装ISO7637的标准搭建。脉冲5a(Us=+174V,Ri=1Ω,td=350ms),用示波器捕捉脉冲1和经过MOS管后级S级VCC的波形,可以看出后级VCC最高电压不超过32V。实验完成后,T-BOX设备正常。达到ISO7637中规定的功能等级A级。图3VCC_CAR_IN为车电输入的电压,可以看出有5a波形,VCC为MOS管后端电压,当5a波形冲击的时候,可以嵌位到32V的最高电压,从而保证后端电路的安全可靠。

4结语

通过理论分析和实验验证,该电路具有很好的抗电源瞬态传导的能力,满足ISO7637的认证要求,很大程度上提高了产品的可靠性。

作者:洪炳林 单位:福建星海通信科技有限公司

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