簡介

汽車技術(shù)的進步極大地增加了典型汽車系統(tǒng)中復(fù)雜電子電路的數(shù)量，用以改善駕駛體驗與安全性。新車型不斷為信息娛樂系統(tǒng)提供更高分辨率的顯示屏、增強的用戶界面和更多的連接選項；而先進的安全功能則包括了用于避免碰撞的激光雷達(dá)，以及用于駕駛員感知的多攝像頭與傳感器。大多數(shù)這種電子模塊都會連接到 12V 或 24V 電池系統(tǒng)，這意味著它們會經(jīng)受嚴(yán)苛或動態(tài)瞬態(tài)環(huán)境的影響。如何確保電路在極端環(huán)境下的可靠運行，這對電源設(shè)計人員提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

圖 1 所示為典型的汽車電子系統(tǒng)。汽車電池系統(tǒng)的典型負(fù)載包括信息娛樂系統(tǒng)、ADAS、數(shù)字駕駛艙、照明系統(tǒng)、電子模塊 (ECU) 和 CAN 總線。

從交流發(fā)電機產(chǎn)生的嚴(yán)重高能瞬變到點火系統(tǒng)產(chǎn)生的低電平噪聲，傳統(tǒng)汽車電源的瞬態(tài)條件多種多樣。本文將介紹一些常見的汽車瞬態(tài)條件，例如電池反向、冷啟動、熱啟動和負(fù)載突降，并探討這些瞬態(tài)產(chǎn)生的原因以及系統(tǒng)設(shè)計的挑戰(zhàn)所在。

冷啟動

在寒冷的天氣條件下，汽車電池和引擎都需要承受極低的溫度。當(dāng)啟動器吸收大電流以啟動冷引擎時，電池電壓會下降，并產(chǎn)生冷啟動脈沖。冷啟動條件下，電池電壓可能會在 15ms 到 50ms 的時間內(nèi)降至 3V 以下（最壞情況）。

之后，電池電壓會上升至大約 6V，并保持幾秒鐘，然后又在幾毫秒的上升時間內(nèi)回到標(biāo)稱電壓。在低溫環(huán)境中，典型冷啟動條件下的電池電壓曲線如圖2所示。ISO 7637-2標(biāo)準(zhǔn)中的測試脈沖4對這類啟動曲線有詳細(xì)的描述。

典型條件之下，不同汽車制造商的電池啟動曲線都非常相似，但不同OEM的電壓電平和時序則各不相同。

根據(jù)不同的 OEM 規(guī)格，啟動器曲線脈沖中可能還包含低頻正弦波。正弦波（例如 2Hz）代表了啟動期間的交流發(fā)電機噪聲。ISO 16750-2 標(biāo)準(zhǔn)中描述了幾種使用正弦波注入的啟動曲線， OEM 規(guī)格中可以引用。這種波形通常被稱為重度冷啟動脈沖（見圖 3）。

冷啟動系統(tǒng)挑戰(zhàn)

在冷啟動條件下，電源解決方案需要確保在短時間內(nèi)為低至 2.8V 的輸入提供連續(xù)、穩(wěn)定的輸出調(diào)整率。具有寬VIN 范圍的變換器，例如 MPS的DC/DC 升降壓變換器MPQ8875A-AEC1，就可以解決這種低輸入電壓問題。

熱啟動

當(dāng)啟動器吸收大電流來啟動熱引擎時，電池電壓也會下降，并產(chǎn)生熱啟動脈沖。盡管熱啟動脈沖與冷啟動脈沖非常相似，但其壓降和縮短的脈沖持續(xù)時間通常程度低很多。ISO 16750-2 和 ISO 7637-2標(biāo)準(zhǔn)中的測試脈沖 4 也對熱啟動的啟動曲線進行了描述。

在熱啟動脈沖期間，電池電壓可降至 5V 或 6V，電壓下降時間通常都比冷啟動短。在大約 5ms 的短暫持續(xù)時間之后，電池電壓會上升到大約 8V，并在此保持不到一秒鐘，然后再回到標(biāo)稱電壓。圖 4 顯示了熱啟動條件下的電池電壓曲線。

不同汽車制造商的熱啟動脈沖電池電壓曲線都很相似，但不同 OEM的電壓電平和時序也是各不相同。汽車自動啟停功能（start-stop）就是熱啟動脈沖條件的一個例子。當(dāng)踩下剎車，車輛完全停止時，引擎關(guān)閉；而在松開制動踏板時，引擎重新啟動。

熱啟動系統(tǒng)挑戰(zhàn)

許多車輛都要求，即使在熱啟動等條件下，也要保持某些汽車功能的持續(xù)運行。例如，汽車收音機不應(yīng)在熱啟動時突然停止播放音樂，液晶顯示面板也不應(yīng)閃爍或視頻質(zhì)量下降。采用具有寬 VIN 范圍的 DC/DC 升壓或升降壓變換器可以應(yīng)對這種類型的低輸入電壓條件，例如MPS的MPQ8875A-AEC1。

反向電壓

當(dāng)汽車電池從系統(tǒng)斷開，并意外電池極性反轉(zhuǎn)重連時，會出現(xiàn)反向電壓或電池反向的情況。這會在輸入電源連接器上產(chǎn)生負(fù)電壓，從而損壞電源和其他電路。許多 IC 的額定負(fù)電壓僅為幾百毫伏（例如 -0.3V），而其他組件則可能對極性非常敏感。反向保護二極管或 MOSFET 通常被用于保護電路免受這種情況的影響。

圖 5 顯示了一個ECU錯誤連接到電池的裝置。將最初連接正確的14V 電池斷開，重新連接至 ECU時，將電池極性反轉(zhuǎn)，使 ECU 處于負(fù)14V的電壓之下。ISO 和 OEM 測試定義了施加負(fù)電壓的持續(xù)時間可以超過 60 秒。常用的方法是采用保險絲來防止過流損壞，具體取決于反向保護電路。施加反向電壓超過規(guī)定的測試時間之后，需要重新施加正確極性的電壓，以確認(rèn)模塊仍能正常工作。

反向電壓系統(tǒng)挑戰(zhàn)

保護所有 IC 和組件免受負(fù)電壓或反向電壓的影響至關(guān)重要。在這種條件之下，組件會嚴(yán)重降級甚至損壞。建議使用二極管和 MOSFET 等器件來提供相應(yīng)的保護。

負(fù)載突降

當(dāng)電池斷開但交流發(fā)電機仍連接到其他電子負(fù)載上時，會產(chǎn)生電壓浪涌，這就是負(fù)載突降瞬態(tài)（見圖 6）。如果在車輛行駛時電池意外斷開，就可能會發(fā)生負(fù)載突降。常見的原因包括電池端子腐蝕、連接不良或電池電纜退化。

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