【導讀】汽車(chē)技術(shù)的進(jìn)步極大地增加了典型汽車(chē)系統中復雜電子電路的數量，用以改善駕駛體驗與安全性。新車(chē)型不斷為信息娛樂(lè )系統提供更高分辨率的顯示屏、增強的用戶(hù)界面和更多的連接選項；而先進(jìn)的安全功能則包括了用于避免碰撞的激光雷達，以及用于駕駛員感知的多攝像頭與傳感器。大多數這種電子模塊都會(huì )連接到 12V 或 24V 電池系統，這意味著(zhù)它們會(huì )經(jīng)受?chē)揽粱騽?dòng)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，這對電源設計人員提出了嚴峻的挑戰。
圖 1 所示為典型的汽車(chē)電子系統。汽車(chē)電池系統的典型負載包括信息娛樂(lè )系統、ADAS、數字駕駛艙、照明系統、電子模塊 (ECU) 和 CAN 總線(xiàn)。
圖 1：典型汽車(chē)電子系統
從交流發(fā)電機產(chǎn)生的嚴重高能瞬變到點(diǎn)火系統產(chǎn)生的低電平噪聲，傳統汽車(chē)電源的瞬態(tài)條件多種多樣。本文將介紹一些常見(jiàn)的汽車(chē)瞬態(tài)條件，例如電池反向、冷啟動(dòng)、熱啟動(dòng)和負載突降，并探討這些瞬態(tài)產(chǎn)生的原因以及系統設計的挑戰所在。
冷啟動(dòng)
在寒冷的天氣條件下，汽車(chē)電池和引擎都需要承受極低的溫度。當啟動(dòng)器吸收大電流以啟動(dòng)冷引擎時(shí)，電池電壓會(huì )下降，并產(chǎn)生冷啟動(dòng)脈沖。冷啟動(dòng)條件下，電池電壓可能會(huì )在 15ms 到 50ms 的時(shí)間內降至 3V 以下（最壞情況）。
之后，電池電壓會(huì )上升至大約 6V，并保持幾秒鐘，然后又在幾毫秒的上升時(shí)間內回到標稱(chēng)電壓。在低溫環(huán)境中，典型冷啟動(dòng)條件下的電池電壓曲線(xiàn)如圖2所示。ISO 7637-2標準中的測試脈沖4對這類(lèi)啟動(dòng)曲線(xiàn)有詳細的描述。
圖2: 典型冷啟動(dòng)脈沖
典型條件之下，不同汽車(chē)制造商的電池啟動(dòng)曲線(xiàn)都非常相似，但不同OEM的電壓電平和時(shí)序則各不相同。
根據不同的 OEM 規格，啟動(dòng)器曲線(xiàn)脈沖中可能還包含低頻正弦波。正弦波（例如 2Hz）代表了啟動(dòng)期間的交流發(fā)電機噪聲。ISO 16750-2 標準中描述了幾種使用正弦波注入的啟動(dòng)曲線(xiàn)， OEM 規格中可以引用。這種波形通常被稱(chēng)為重度冷啟動(dòng)脈沖（見(jiàn)圖 3）。
圖3: 重度冷啟動(dòng)脈沖
冷啟動(dòng)系統挑戰
在冷啟動(dòng)條件下，電源解決方案需要確保在短時(shí)間內為低至 2.8V 的輸入提供連續、穩定的輸出調整率。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?jiǎn)?wèn)題。
熱啟動(dòng)
當啟動(dòng)器吸收大電流來(lái)啟動(dòng)熱引擎時(shí)，電池電壓也會(huì )下降，并產(chǎn)生熱啟動(dòng)脈沖。盡管熱啟動(dòng)脈沖與冷啟動(dòng)脈沖非常相似，但其壓降和縮短的脈沖持續時(shí)間通常程度低很多。ISO 16750-2 和 ISO 7637-2標準中的測試脈沖 4 也對熱啟動(dòng)的啟動(dòng)曲線(xiàn)進(jìn)行了描述。
在熱啟動(dòng)脈沖期間，電池電壓可降至 5V 或 6V，電壓下降時(shí)間通常都比冷啟動(dòng)短。在大約 5ms 的短暫持續時(shí)間之后，電池電壓會(huì )上升到大約 8V，并在此保持不到一秒鐘，然后再回到標稱(chēng)電壓。圖 4 顯示了熱啟動(dòng)條件下的電池電壓曲線(xiàn)。
圖4: 典型熱啟動(dòng)脈沖
不同汽車(chē)制造商的熱啟動(dòng)脈沖電池電壓曲線(xiàn)都很相似，但不同 OEM的電壓電平和時(shí)序也是各不相同。汽車(chē)自動(dòng)啟停功能（start-stop）就是熱啟動(dòng)脈沖條件的一個(gè)例子。當踩下剎車(chē)，車(chē)輛完全停止時(shí)，引擎關(guān)閉；而在松開(kāi)制動(dòng)踏板時(shí)，引擎重新啟動(dòng)。
熱啟動(dòng)系統挑戰
許多車(chē)輛都要求，即使在熱啟動(dòng)等條件下，也要保持某些汽車(chē)功能的持續運行。例如，汽車(chē)收音機不應在熱啟動(dòng)時(shí)突然停止播放音樂(lè )，液晶顯示面板也不應閃爍或視頻質(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對這種類(lèi)型的低輸入電壓條件，例如MPS的MPQ8875A-AEC1。
反向電壓
當汽車(chē)電池從系統斷開(kāi)，并意外電池極性反轉重連時(shí)，會(huì )出現反向電壓或電池反向的情況。這會(huì )在輸入電源連接器上產(chǎn)生負電壓，從而損壞電源和其他電路。許多 IC 的額定負電壓僅為幾百毫伏（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(gè)ECU錯誤連接到電池的裝置。將最初連接正確的14V 電池斷開(kāi)，重新連接至 ECU時(shí)，將電池極性反轉，使 ECU 處于負14V的電壓之下。ISO 和 OEM 測試定義了施加負電壓的持續時(shí)間可以超過(guò) 60 秒。常用的方法是采用保險絲來(lái)防止過(guò)流損壞，具體取決于反向保護電路。施加反向電壓超過(guò)規定的測試時(shí)間之后，需要重新施加正確極性的電壓，以確認模塊仍能正常工作。
圖5: 電池反向條件
反向電壓系統挑戰
保護所有 IC 和組件免受負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(huì )嚴重降級甚至損壞。建議使用二極管和 MOSFET 等器件來(lái)提供相應的保護。
負載突降
當電池斷開(kāi)但交流發(fā)電機仍連接到其他電子負載上時(shí)，會(huì )產(chǎn)生電壓浪涌，這就是負載突降瞬態(tài)（見(jiàn)圖 6）。如果在車(chē)輛行駛時(shí)電池意外斷開(kāi)，就可能會(huì )發(fā)生負載突降。常見(jiàn)的原因包括電池端子腐蝕、連接不良或電池電纜退化。
圖6: 負載突降條件
峰值浪涌電壓可能超過(guò)100V，并需要400ms的時(shí)間才能衰減下來(lái)。ISO 16750-2 和 ISO 7637-2中的測試脈沖 5a 和 5b通常被引用以對特定的負載突降瞬態(tài)脈沖進(jìn)行描述。這兩個(gè)標準中都描述了兩種類(lèi)型的負載突降瞬變。
1. 未抑制：當電池斷開(kāi)且交流發(fā)電機仍為系統供電時(shí)，會(huì )產(chǎn)生高壓負載突降瞬態(tài)浪涌，從而導致非鉗位波形，如圖 7所示。在這種情況下，交流發(fā)電機沒(méi)有內部鉗位或抑制裝置，連接到交流發(fā)電機的模塊和器件都會(huì )受到這種突發(fā)瞬態(tài)條件的影響。
圖7: 未抑制的負載突降脈沖
2. 受抑制：當負載突降瞬態(tài)浪涌發(fā)生時(shí)，波形被交流發(fā)電機整流器中的雪崩二極管抑制，從而產(chǎn)生鉗位波形（見(jiàn)圖 8）。在這種情況下，交流發(fā)電機中的鉗位保護會(huì )將大多數 12V 系統中的瞬態(tài)電壓抑制到較低的程度，通常介于 32V 和 40V 之間。
圖8: 受抑制的負載突降脈沖
負載突降系統挑戰
電路必須能夠承受負載突降而不會(huì )損壞或退化。建議采用 TVS 二極管或其他輸入保護來(lái)避免受到負載突降的影響。為了抑制負載突降，電路所需的鉗位保護可能只需要額定在 40V 至 45V 之間。此時(shí)，采用寬 VIN 降壓變換器即可滿(mǎn)足系統要求，例如MPS的MPQ4316-AEC1。 對于不受抑制的負載突降，鉗位保護的額定值要高得多，因此也需要更大且成本更高的解決方案。
總結
表 1 總結了上文描述的汽車(chē)瞬態(tài)和脈沖條件，涵蓋了常見(jiàn)的行業(yè)測試標準，同時(shí)還強調了系統設計者必須考慮的系統挑戰。
表 1：汽車(chē)輸入瞬態(tài)、通用標準和系統挑戰
結論
所有典型汽車(chē)模塊都需要解決文中討論的大部分或所有瞬態(tài)條件。對這些關(guān)鍵的汽車(chē)瞬態(tài)有一個(gè)基本的了解對于設計出穩健的解決方案十分必要。
設計滿(mǎn)足極端條件的可靠電源電路可能極具挑戰性，但 MPQ4316-AEC1（具有寬 VIN 的降壓變換器）、MPQ8875A-AEC1（具有寬 VIN的升降壓變換器）和 MPQ7200- AEC1（具有寬 VIN 的 LED 驅動(dòng)器）等性能穩健的汽車(chē)組件擁有應對動(dòng)態(tài)環(huán)境的能力，能夠提供出色的性能和安全性。
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