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不再头痛的汽车电子抛负载保护设计

发布时间:2018-10-10 责任编辑:wenwei

【导读】汽车行业不断引入新的特性,增强在现有的流行互联网元素,如信息娱乐和在线导航的驾驶体验,普及蓝牙和USB连接和给手机充电的功能,高性能的LED照明,以及更多。
 
现在,先进的驾驶辅助系统ADAS,其特点是避碰和停车辅助系统也称为标配。这是除了建立电子系统如音响、液晶显示器、和关键的基本控制和电力系统。因此,保护这些先进的汽车电子系统的电路比以往任何时候都更为重要。
 
此外,许多强制性的安全系统需要先进的电子元件的保证。例如,在欧盟,所有销售的新车必须配备的直接式轮胎压力监测系统(TPMS)。
 
特别的新能源汽车,这个新领域,汽车行业从未如此依赖高性能的汽车电子技术。
 
汽车系统的供电来源于发电机和蓄电池,行走的汽车的供电有很多瞬变状况发生,这些对负载都有会明显的影响,具体类别可以查询下表(表1)。它们可以从许多不同的来源产生,从普通的静电放电到断开电池。
 
不再头痛的汽车电子抛负载保护设计
 
所以汽车电子的信息娱乐、照明、驾驶火车、车身或底盘/安全组的设计工程师需要考虑电路保护来对付这些瞬变。提供适当的电路保护有助于确保安全。也有助于降低制造商的保修和服务相关成本。
 
ISO国际标准化组织很早都有相关的测试标准,这就要求汽车电子系统设计工程师应了解国际标准化组织(ISO)所提出的要求。
 
ISO 16750适用于道路车辆,包括环境条件和电气和电子设备的测试。在2010发行,由技术委员会ISO/TC 22取代ISO 7637抛负载等16750-2(脉冲5A和5B部分)。ISO 16750-2进一步修订发布2012年。
 
不再头痛的汽车电子抛负载保护设计
 
ISO 16750-2标准适用于道路车辆电力电子系统/组件(表2)。它描述了潜在的环境电气压力,并指定了特定的安装位置/在道路车辆上的测试和要求。
 
在4.6款对抛负载保护的需要,“在电源电压的不连续性,”小节4.6.4 load dump中描述。当发电机传送电流的负荷突然断开时发生负载突降(图1)。在汽车电子产品中,这适用于在由发电机充电时故意或故障断开蓄电池。
 
不再头痛的汽车电子抛负载保护设计
 
如果交流发电机在交流发电机电路上剩余的负载产生充电电流,则可能发生这种情况。图2为电压浪涌的模拟由旋转的发电机当电池或其他重要负载突然断开的波形和参数。
 
不再头痛的汽车电子抛负载保护设计
 
在表3中,我们可以看到瞬态电压可以高达202 V,并可能需要多达400MS衰减。
 
考虑到串联电阻可以在1至2Ω,浪涌电流可超过50A持续350毫秒的时间,设计工程师需要特别考虑过压的时间。
 
ISO标准规定10个脉冲间隔一分钟的重复测试,我们需要设计负载保护解决方案来维持当前的电压不断电维持工作。
 
不再头痛的汽车电子抛负载保护设计
 
汽车电子设计者可以用几种方式解决电路保护问题。
 
首先,有一个开关解决方案。在这里,电源可能是设计给我们一个宽输入范围非同步降压控制器,这将提供汽车电源抛负载保护。它通过切断输入电源到控制器或电子子系统,在指定的脉冲持续时间期间,防止负载突降瞬态。然后重新连接,当条件恢复正常时,有固定的延迟。然而,这种解决方案有一定的局限性。输入操作范围是已知的也许高达75 V,在高于这个电压处设计开路,对一些不能重启的设备是不被允许的。其他类似的解决方案也会需要更多的分立元件和PCB布局。
 
另一种解决方案是分流方案。在保护汽车电子子系统的基本方法中,在负载的的输入电源电压并联半导体瞬态抑制器件TVS。TVS的反应速度快,选择适当的电压参数和功率,可以有效的对抗抛负载。
 
不再头痛的汽车电子抛负载保护设计
 
这对于半导体TVS 也是一个难题,常规的TVS器件都在5000W 以下功率,对于汽车抛负载的电性条件需要支持高达60多A的电流持续350-400MS的高电压冲击,而且需要测试10次(间隔1分钟),就需要设计更高功率,更利于散热的汽车用的TVS器件。按照TVS的曲线参数图,在通过电流不断增大的情况下,可以保持比较稳定的电压输出,确保后端电路的电力供应。
 
不再头痛的汽车电子抛负载保护设计
 
汽车电子设计工程师在负载突降保护电路通常使用1500W或的3000WTVS二极管器件。但是,考虑到汽车中日益增多的电子系统,这种负载保护对于当前的使用条件是否足够可靠?
 
至少,汽车设计师需要实现短路保护,符合ISO 16750-2 AEC-Q101标准和整体模块可靠性。
 
对于当前的发电机很多采用了输出电压限幅措施,12V系统主机厂要求汽车实验室对部分产品要求5B的降档测试,也许低功率可以满足一些要求,但对整机的可靠性还是需要斟酌。
 
在今天的电子系统中,设计者可以通过超出这些标准要求获得更好的保证以避免昂贵的保修、修理和其他费用。基本电路保护功能应包括解决方案,提供一个非常低的钳位电压,发热稳定,满足rohs reach要求。
 
不再头痛的汽车电子抛负载保护设计
 
上图中的红圈中数据没有固定,让很多工程师不知道如何选择测试,这里也有基本原则,高电压对应高电阻,低电压对应低电阻,当然目前国内车厂都已经慢慢积累了自己的发动机数据,有自己的指标,上海雷卯电子也积累了很多客户的测试数据,在设计时可以帮助客户前期提供数据,减少很多重复的设计测试工作。
 
众所周知,不断提供电路保护的可靠性,也意味着成本的增加,但是好品牌是靠可靠性,稳定性来赢得客户,在质保期内的0故障也是一种成本的节约。以下列出几种抛负载波形的和对应电压、电阻的图例。
 
不再头痛的汽车电子抛负载保护设计
 
 
不再头痛的汽车电子抛负载保护设计
 
总结
 
汽车电子系统设计工程师应该意识到ISO 16750对道路车辆的重要性。设计者必须确保电路保护符合车载保护标准,并理解它们包括标准化模拟,因为它们是在现实生活中发生的。
 
开关解决方案通过将输入电源断开到控制器或电子子系统,为负载突降瞬态提供保护。这是指定的脉冲持续时间完成,然后重新连接,稳定条件恢复正常时重启。但是,这种解决方案通常需要十几个组件,这增加了总成本和占用宝贵的PCB布局。
 
新的解决方案采用分流能力。在这里,一个单一的组件与半导体瞬态抑制器件的电源电压保护公司分流多余的汽车电子系统。用一个TVS二极管,瞬间箝位电压,电流分流,保护后端DCDC,这种方法简单方便,目前已经大量应用于各大车厂。
 
不再头痛的汽车电子抛负载保护设计
 
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