基于ISO7637的車載電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展，使得大量的車載電子設(shè)備廣泛應(yīng)用于汽車，如車載衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、車載影音娛樂系統(tǒng)、車身照明系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)、自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)等。各種各式的車載電子設(shè)備穩(wěn)定工作，相互配合，需要有穩(wěn)定的供電系統(tǒng)。因此，高性能的車載電源設(shè)計(jì)是車載電子設(shè)備可靠工作的保障。

ISO7637標(biāo)準(zhǔn)
車載電源系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境比普通電源系統(tǒng)要復(fù)雜，因?yàn)槠噧?nèi)的電磁環(huán)境較為惡劣。汽車的電氣設(shè)備在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量電磁干擾，這些干擾的頻帶很寬，通過傳導(dǎo)、耦合或者輻射的方式，傳播到電源系統(tǒng)內(nèi)，進(jìn)而影響到電子設(shè)備的正常工作。最惡劣的情況往往是由于車輛自身產(chǎn)生的干擾所產(chǎn)生的，如點(diǎn)火系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)及整流器系統(tǒng)的干擾脈沖。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO7637針對(duì)道路車輛及其掛車內(nèi)通過傳導(dǎo)和耦合引起的電干擾，提出了沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)及測試方法，適用于12V或24V的電氣系統(tǒng)車輛。

ISO7637對(duì)汽車電子設(shè)備在電源上的抗擾度要求，規(guī)定了5種測試脈沖。其中，脈沖1用來模擬并聯(lián)的感性負(fù)載在斷電時(shí)所產(chǎn)生的瞬態(tài)干擾，如關(guān)燈或電喇叭等操作。脈沖2a模擬正常工作時(shí)某一并聯(lián)負(fù)載突然斷開產(chǎn)生的瞬變干擾，屬于速度偏快和能量較小的正脈沖干擾。脈沖2b模擬點(diǎn)火被切斷的瞬間，直流電動(dòng)機(jī)變成發(fā)電機(jī)工作，并由此所產(chǎn)生的瞬變現(xiàn)象，屬于低速和高能量的脈沖干擾。脈沖3a/3b模擬各種開關(guān)閉合和打開過程中所產(chǎn)生的干擾，是一系列高速、低能量的小脈沖群。脈沖4模擬車上大電流負(fù)載啟動(dòng)所造成的電壓跌落現(xiàn)象。脈沖5則模擬拋負(fù)載引起的大能量脈沖干擾。

電源電路具體設(shè)計(jì)
對(duì)整機(jī)系統(tǒng)來說，必須有針對(duì)性地對(duì)電源進(jìn)行凈化處理。除了對(duì)干擾源的消除，最重要的是必須提升電源系統(tǒng)的抗干擾能力。常用的提升電源系統(tǒng)的抗干擾能力的方法包括：用吸收法進(jìn)行尖峰濾除，以消除正脈沖干擾，采用的器件可以是熱敏電阻、TVS管等；對(duì)于負(fù)脈沖，可以采用增加電容容量，利用蓄能抵抗干擾。對(duì)于電源跌落干擾，可以增加電源的濾波電容，在滿足成本和性能指標(biāo)要求的同時(shí)，盡量選用寬壓輸入范圍的電源芯片。

圖1 電源系統(tǒng)框圖

針對(duì)ISO7637對(duì)汽車電子設(shè)備在電源上的抗擾度要求，這里給出一個(gè)合理的12V電源系統(tǒng)方案，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

電源系統(tǒng)包括防反接保護(hù)、浪涌保護(hù)、共模扼流、π型濾波和DC/DC處理五個(gè)部分。各部分工作原理如下：防反接保護(hù)使用一個(gè)普通二極管就可以實(shí)現(xiàn)。浪涌保護(hù)包括一個(gè)PPTC和TVS管，可以有效抑制類似于脈沖5的干擾。PPTC是熱敏電阻器，電阻隨溫度升高而增加。TVS是瞬態(tài)電壓抑制二極管，其具體選型原則后面詳細(xì)介紹。當(dāng)有脈沖5干擾進(jìn)入電源線路時(shí)，TVS會(huì)動(dòng)作，對(duì)流向后端電路的瞬間電流進(jìn)行分流，而受保護(hù)的后端電壓被限制在TVS兩端的箝制電壓。PPTC的動(dòng)作速度慢于TVS，在大電流的作用下，PPTC呈高阻，會(huì)斷開后級(jí)電路，可以起到減少TVS瀉流時(shí)間，保護(hù)TVS的功能。共模扼流部分是一個(gè)共模扼流圈，能有效抑制高頻共模噪聲，提高電源電路的抗電磁干擾，同時(shí)抑制電路自身向外發(fā)射干擾。π型濾波電路進(jìn)一步濾除噪聲，凈化進(jìn)入后端電路的電源。DC/DC處理根據(jù)實(shí)際應(yīng)用完成各種類電源轉(zhuǎn)換，例如5V、3.3V、1.8V等。本電源系統(tǒng)選用車載級(jí)的DC/DC芯片A8498。它具有8～50V的寬電壓輸入范圍。輸出可調(diào)，范圍為0.8～24V。輸出驅(qū)動(dòng)能力達(dá)到3A，能滿足各種后端負(fù)載的需求。其輸入管腳邊上配備一大一小兩個(gè)電容，除了濾除噪聲，還具有儲(chǔ)能的作用，其中極性大電容C5使用高品質(zhì)鉭電容。因?yàn)锳8498的最低工作電壓為8V，在遇到脈沖4的干擾時(shí)，電壓跌落會(huì)達(dá)到6V，為保證在跌落的短瞬間A8498仍能提供正常輸出，大電容的容值要足夠大，在輸入電壓跌落時(shí)能提供足夠儲(chǔ)能。方案實(shí)際測試結(jié)果表明電容C5的值至少要為220μF。
電源系統(tǒng)的詳細(xì)電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 電源系統(tǒng)電路圖

類似于脈沖5的浪涌脈沖具有能量大、作用時(shí)間短的特點(diǎn)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)電路造成不可修復(fù)的破壞，因此對(duì)脈沖5的抑制是整個(gè)前端保護(hù)電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。首先要確定整個(gè)被保護(hù)系統(tǒng)的最大輸入電壓，A8498的最大耐壓值為50V，所以在發(fā)生脈沖5的浪涌沖擊時(shí)，TVS管必須能把電壓鉗制在50V以下。TVS管選型有幾個(gè)重要參數(shù)：可承受的反向電壓Vrwm、反向崩潰電壓Vbr、抑制電壓Vc。Vrwm必須大于系統(tǒng)的正常輸入工作電壓，以防止TVS管對(duì)正常輸入電壓進(jìn)行動(dòng)作。Vbr和Vc要小于被保護(hù)電路的最大耐壓值，同時(shí)盡量接近該值。TVS管的額定最大功率必須大于類似脈沖5干擾的最大功率，以防止被擊壞。本設(shè)計(jì)中選用型號(hào)為5KP30A的TVS管，該管的Vrwm值為30V，Vbr在33.3～38.3V之間，Vc為48.4V。在相關(guān)車載電子設(shè)備上，有的汽車廠商還會(huì)要求設(shè)備具有一定的過壓工作時(shí)間，這個(gè)最大過壓值也是TVS選型的一個(gè)參數(shù)，Vbr最好略大于最大過壓值。總之，在選型TVS管時(shí)，要結(jié)合整個(gè)電路的電氣參數(shù)及成本綜合考慮。

方案測試
ISO7637的第二部分對(duì)沿電源線的傳導(dǎo)和耦合引起的電干擾給出了具體的測試方法。對(duì)于測試結(jié)果,通常按以下標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語來對(duì)設(shè)備的抗擾性能力進(jìn)行描述。A級(jí):被測試裝置或系統(tǒng)在施加干擾過程中及干擾撤除后,能執(zhí)行其預(yù)先設(shè)計(jì)的所有功能。B級(jí)：被測試裝置或系統(tǒng)在施加干擾過程中,能執(zhí)行其預(yù)先設(shè)計(jì)的所有功能，然而，可能有一項(xiàng)或多項(xiàng)指標(biāo)超出規(guī)定的偏差。干擾消除后,所有功能自動(dòng)恢復(fù)到正常工作。C級(jí):被測試裝置或系統(tǒng)在施加干擾過程中,不執(zhí)行其預(yù)先設(shè)計(jì)的一項(xiàng)或多項(xiàng)功能,但在停止施加干擾之后能自動(dòng)恢復(fù)到正常操作狀態(tài)。D級(jí):被測試裝置或系統(tǒng)在施加干擾過程中,不執(zhí)行其預(yù)先設(shè)計(jì)的一項(xiàng)或多項(xiàng)功能,干擾消除后,通過外部復(fù)位動(dòng)作, 可恢復(fù)到正常操作狀態(tài)。E級(jí):被測試裝置或系統(tǒng)在施加干擾過程中及干擾消除后, 不能執(zhí)行其預(yù)先設(shè)計(jì)的一項(xiàng)或多項(xiàng)功能,且復(fù)位也不能使被測試裝置或系統(tǒng)恢復(fù)正常操作, 必須進(jìn)行維修(即硬件發(fā)生損壞)。

針對(duì)不同的車載電子設(shè)備，各個(gè)汽車廠商對(duì)測試設(shè)備抗擾性能力等級(jí)要求各不相同。對(duì)車載DVD，收音系統(tǒng)，要求至少為C級(jí)，對(duì)車身控制，報(bào)警設(shè)備等為A級(jí)。一般而言，至少都是C級(jí)或以上。本方案應(yīng)用于我們自行設(shè)計(jì)的車載DVD影音系統(tǒng)，并在上海計(jì)量所進(jìn)行了ISO7637的5類脈沖測試。測試的結(jié)果表明，該方案是可靠的，影音系統(tǒng)的抗擾能力至少達(dá)到B級(jí)。

結(jié)語
提升車載電源的抗干擾能力對(duì)整個(gè)車載電子設(shè)備的穩(wěn)定工作至關(guān)重要，在硬件設(shè)計(jì)上要綜合考慮ISO7637模擬的各種干擾。軟件設(shè)計(jì)上要具有消除干擾所引起的整機(jī)系統(tǒng)記憶丟失的能力。硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)很好的結(jié)合，才能更好地提升整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力。本文給出的基于ISO7637電源設(shè)計(jì)方案，性能高，成本低，可以滿足多種12V車載電子設(shè)備的應(yīng)用需求。該方案目前已在我們?cè)O(shè)計(jì)的車載產(chǎn)品中應(yīng)用。