车载控制器浪涌抑制技术研究

张亚聪， 管继富， 张天一， 宿峰荣

(北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081)

车载控制器浪涌抑制技术研究

张亚聪， 管继富， 张天一， 宿峰荣

(北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081)

车载控制器电源部分的可靠设计是保证控制器正常工作的关键；其中，车辆电气环境中沿电源线的瞬变传导骚扰是造成车载控制器失效的一个重要原因；为了实现对车载控制器电源部分瞬态传导干扰的抑制，同时通过国际标准ISO 7637-2《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干扰》的测试，对车载控制器浪涌抑制及电源保护的几类常用设计电路进行了研究，比较了各自的优缺点，再结合ISO 7637-2的测试经验，提出了一种简单可靠的浪涌抑制电路的综合性设计方案；试验证明该电路设计能够完全通过ISO 7637-2的测试，特别是能够连续通过5a测试脉冲，具有良好的浪涌抑制性能及很高的可靠性，与设计要求相吻合，可以广泛地应用于车载控制器的电源保护和浪涌抑制上。

车载控制器； 电源保护；浪涌抑制； ISO 7637-2

0 引言

随着车辆电子技术的发展，单车车载电子设备的数量急剧增加，如车门控制、天窗控制、车载导航及影音系统、防盗系统、空调系统、驻车加热器等。这些电子设备的核心是单片机系统，其供电电源一般为3.3 V或5 V，需要稳定的电源供电电路。尽管选用高性能的电源变换芯片，比如对于24 V的车辆，可以选择适合车辆电子的线性电源芯片，如TLE4263或TLE4271等，也可选择开关电源芯片，比如LMS4832或LMS2576H等。这些芯片具有较宽的电压输入范围，最高可以耐受40 V～60 V输入电压，但是实践表明如果电源输入部分的处理不当，仍然具有很高的损坏比率。这是因为车载电源系统的应用环境比较复杂，特别是汽车会出现抛负载的现象，产生一个强度与幅值很高的浪涌电压，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]。国际标准ISO 7637-2规定了车载电子设备浪涌测试标准，只有严格通过该标准的测试才有可能保证在实际工况中，电源电路可靠持久地工作[2]。

本文简要介绍了ISO 7637-2的测试标准，并针对这一标准给出了具体的保护电路。特别是针对ISO 7637-2最严酷的测试脉冲5a，给出了几种具体设计方案，结合ISO 7637-2测试经验，提出了一种设计电路，试验证明该设计电路具有很高的可靠性和推广应用的价值。

1 标准lS0 7637-2介绍

国际标准ISO 7637-2《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干扰》针对汽车电子设备在电源上的抗扰度要求，规定了5 种测试脉冲。其中，脉冲l用来模拟电感性负载在与电源断开连接时所产生的瞬态传导现象，如断开风扇、车窗、雨刷电机等操作。脉冲2a模拟与被测试设备并联的装置内突然中断电流时，在线束电感上引起的瞬态干扰。脉冲2b模拟点火开关断开时，直流电机充当发电机而产生的瞬态现象。脉冲3a/3b模拟在开关切换过程中产生的干扰现象，其特性受线束的分布电容和分布电感的影响。脉冲4模拟在内燃机的起动电机电路通电时，电源电压跌落的现象，不包括起动时的尖峰电压。脉冲5a/5b则模拟抛负载的瞬态现象，即在断开电池的同时，交流发电机正在给蓄电池充电，而仍有其它负载接在交流发电机的电路上产生的干扰。其产生原因主要是由于电缆的腐蚀导致蓄电池断开连接、接触不良或者发动机在运转时故意与蓄电池断接[3]。

按照常规设计的单片机控制器通过前4种脉冲测试相对比较容易，设计不当会使单片机工作失常，但一般不会造成元器件的损坏。其中测试脉冲2b中间有最长达1 s的断电时间，会造成单片机系统断电，可以在电压转换芯片输出并联较大容量的电容来解决这一问题。但对于比较严酷的测试脉冲5b和5a，如果电路设计没有特殊考虑，极易造成电子元器件的烧毁损坏。因此本文重点对如何通过5b和5a的测试，结合具体设计电路进行了讨论。5b和5a的测试脉冲如图1所示。

图1 5a、5b测试脉冲

如图1所示，5a是一个指数规律的圆脉冲，对于24 V系统，其脉冲的峰值电压为123 V～174 V，脉冲的持续时间为100 ms～350 ms。其峰值电压及持续时间与发电机抛负载时的等效内阻成正比。与5a不同的是5b是一个近似梯形平台脉冲，平台峰值电压由用户来确定，一般有国家资质的试验室将平台电压确定为100 V，ISO 7637-2的5b脉冲图将5a波形也画在一起，便于比较说明二者的异同。可见5a脉冲能量要远大于5b，是ISO 7637-2中最严酷的测试脉冲。尽管在大多数新型交流发电机的内部，抛负载幅度由于增加限幅二极管而受到抑制，但是由于抑制元件的特性及容量的影响，各个独立安装的车载电子设备仍旧要考虑浪涌保护措施，特别是对于许多破旧车辆、改装车，这些车辆出现抛负载的概率非常高，对于没有通过5a及5b测试的电子设备，一旦出现抛负载现象，电源芯片损坏的概率几乎是百分之百。

2 无源保护措施

图2给出了车载控制器电源典型的常规必要保护措施。其中D1起到反极性保护的作用，阻止ISO 7637-2的脉冲1中负脉冲的进入，注意D1一般加在电源转换芯片的前端，负载大电流不能流过它，否则会有较大功率消耗，需要选择大功率的二极管。TVS1应加在电源进线的最前端，它是浪涌抑制的关键部件，起到浪涌削波钳位的作用。D2和TVS2为次级保护，D2起到阻止方向电压的作用，TVS2的要根据单片机的供电电压选择。D3是过电压保护钳位二极管。电容的作用是滤掉不同频率的干扰信号，其中C3的选择要考虑在脉冲3的作用下不能掉电。

图2 常规保护措施

其中，TVS管的特性如图3所示，TVS管的选择有二个重要参数，一是截止电压(Stand-off voltage)，小于等于这个电压TVS管处于截止状态。另外一个是钳位电压(Clamping Voltage)，钳位电压是指施加规定波形脉冲峰值电流IPP时，TVS管两端测得的峰值电压。由于实际工作中脉冲电压的上升时间和脉冲峰值是随机的，因此TVS管的钳位电压不是一个固定的值，示波器跟踪的测试试验表明，即使施加相同的脉冲，TVS管钳位电压的波形在一个较大电压范围内变化。

图3 TVS特性图

但是，要通过ISO 7637-2的5a5b脉冲的测试，TVS管的选择处于一个矛盾的状态。以24伏系统选择5 KP系列TVS管为例，一般汽车级线性电源芯片电压输入范围最高一般可达40 V，若按10%的安全余量，抛负载时TVS管的钳位电压应该低于电源芯片的最大耐受电压，钳位电压为35.5伏的5KP24A满足这一要求，但是由此会带来两个问题：一是没有充分利用电源变换芯片的最高电压输入范围，二是由于其钳位电压较低，该TVS管雪崩击穿概率会增加。试验测试表明，在施加5b或5a脉冲时，由于5KP24A的脉冲峰值功率Pm=IPP *VC 较小，出现了损坏击穿，造成电源线与地线直接短路。因此，一般24伏系统推荐选择5KP36A，这样能够保证在施加5b或5a脉冲时TVS管本身不会损坏，但其标称钳位电压是59伏，已经超出了电源芯片承受的电压高限。由此可见，要想通过ISO 7637-2的5a5b波形测试，选择钳位电压低的TVS管，脉冲峰值功率Pm较小，会造成TVS管自身的短路击穿而损坏，而选择钳位电压高的TVS管又不能很好的保护下级的电源芯片。实际测试表明，单纯只加TVS管并不能完全保证电路的安全，一般不能通过ISO 7637-2的5a5b波形的测试试验。

3 有源保护方案

区别于上述仅使用TVS管进行浪涌保护，有源保护电路在主回路中串入晶体管等有源器件， 实现开关控制，当干扰过大时，断掉后级电路，从而使得后级电路得到有效的保护[2]。

3.1 电子开关浪涌抑制

如图4所示，当车载电源电压处于正常范围内时，浪涌电压检测电路控制电子开关保持导通，用电设备正常供电；当车载电源出现浪涌，电压超出正常范围时，浪涌电压检测电路控制电子开关立即断开，防止浪涌电压对用电设备造成冲击，达到保护用电设备的目的。具体的实现可增加电容对电路加以改进，如图4(b)所示，电源电压在正常范围内，功率管导通；当电源出现浪涌时，功率管打开时对电容充电，关断时通过电容的放电维持下级芯片的工作电压，如此反复，输出端电压不会出现较大的波动[4]。

图4 电子开关浪涌抑制方案和电路

该设计方案的优点是成本很低，无需大功率TVS管。缺点是采用分立元件设计，其充电时间及电阻电容值要经过计算，只能对芯片进行浪涌保护，不能从根本上吸收浪涌能量来保护整个系统，包括功率元件。

3.2 专用汽车过压保护芯片

近年来，出现了几种专用的汽车级有源过电压保护芯片，如MAX6495-MAX6499、LT4356HMS。如图5所示[5]，其原理十分简单，在器件的输入和输出之间增加一个MOSFET，限幅器控制该场效应管的栅极。正常工作状态下，打开MOSFET并为负载供电；如果电压超过定义的门限值，限压电路会关闭外部MOSFET，断开电源与负载的连接。

图5 汽车过压保护芯片

该设计是一种集成有源过压保护电路，可靠性高，但应用中仍需配置外围阻容元件及必要的保护，另外该类芯片的价格也较为昂贵。

4 综合保护方案

根据ISO 7637-2试验及实际应用经验，本文提出了一种汽车电源浪涌抑制的综合保护电路。其融合了无源保护及有源保护各自的特点，具有更加可靠稳定的性能，与一般无源保护相比，只需增加很小的成本。方案原理如图6所示。

图6 综合保护方案示意图

其中无源保护部分的设计仍采用图2所示的常规保护元件。针对无源保护器件TVS的工作特点，在后面串加一个串联稳压电路，其原理图如图7所示，稳压管选24伏，当输入电压小于24伏时，功率晶体管处于饱和导通状态，输入和输出只差0.3伏，当输入电压大于24伏时，晶体管处于放大状态，承担高于24伏的压降，将输出稳压到24伏。在出现浪涌电压时，TVS管首先将电压波形削平到钳位电压，比如51KP36A，钳位电压为59伏，高于24伏的部分电压由功率晶体管承担，由于浪涌电压的持续时间并不长，所以不会损坏功率晶体管。其中D1的作用是防止负向电压使tvs管正向导通，产生负向电流。

图7 综合保护方案

5 试验验证与分析

针对这一方案进行试验验证，严格按照标准进行合理现场布置。实际试验测试波形如图8、图9所示，当在该电路输入标准ISO7637-2中的测试脉冲5a时，经过无源保护器件5KP36A的输出波形如图8所示，原本173伏的电压脉冲经过5KP36A被嵌位在60V左右。

该电压可用于驱动电路的供电，不会对负载造成影响。但无源保护电路的输出仍有一个60 V的脉冲高度，会对电源转换芯片造成损害。这一输出必须经过串联稳压电路的降压处理，才能为电源芯片供电，最大程度地保护电源芯片。串联稳压电路的输出波形如图9所示。由图可见，输入脉冲5a经过无源保护器件与串联稳压电压的综合钳制，输出电压波动很小，不会对电源芯片造成伤害。

图8 无源保护电路的输出波形

图9 串联稳压电路的输出电压

通过实验结果可以验证，采用该综合保护方案对车载控制器的电源部分进行保护：无源保护电路的输出用来给驱动部分供电，这一输出再经过串联稳压电路对电源部分进行供电。在输入5a测试脉冲时，尽管输入端的电压脉冲达173伏，但由

于该设计方案采用无源保护电路与有源保护电路进行双重钳制，输出电压仍稳定在24伏左右，波动很小，起到了很好的浪涌抑制效果，极大程度地提高了车载控制器电源部分的可靠性和抗干扰能力。

6 结论

本文研究了车载控制器浪涌抑制及过电压的无源保护方案及有源保护方案，提出了一种综合保护方案，给出了具体设计电路。该方案具有可靠性高，成本低，简单实用的特点，有效解决了浪涌抑制中TVS管的选择问题。经过反复验证，该抑制电路能够承受ISO 7637-2规定的测试脉冲冲击，既实现了对大电流功率器件的保护，又能可靠地保护电源变换芯片，可以满足车辆电源保护和浪涌抑制的要求，具有工程推广应用价值。

[1] 梁华东. 基于ISO7637的车载电源系统设计[J]. 今日电子，2009(5):80-81.

[2] 王洪涛，张红霞，李 威. 车辆电源瞬态传导干扰抑制电路的设计与验证[J]. 电子设计工程，2015，(14):109-111.

[3] 国际标准ISO 7637-2 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[S].2008

[4] 万玉澄，曹 允，贺轶斐，宋德宇.一种直流浪涌抑制电路的设计和实现[J].光电子技术，2010，(02):140-143.

[5] 美国Maxim公司.MAX6495-MAX6499 Datasheet[CD/OL].https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX6495-MAX6499.pdf，2015-12-12.

Research on Surge Suppression Technology of Vehicle-mounted Controller

Zhang Yacong，Guan Jifu，Zhang Tianyi，Su Fengrong

(School of Mechanical and Vehicular Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China)

The reliable design of vehicle-mounted controller power supply is the key to guarantee the normal operating of the controller. Among them, Electrical transient conduction along supply lines is an important reason for the failure of the vehicle controller. In order to restrain the Electrical transient conduction of vehicle-controller power supply and pass the international standard ISO 7637-2 “Road vehicles-Electrical disturbances from conduction and coupling-Part 2: Electrical transient conduction along supply lines only”, several kinds of circuit design about vehicle-mounted controller surge suppression and protection are studied. Besides, their advantages and disadvantages are compared. a simple and reliable circuit design is put forward combined with experience in test. Experiments validate the circuit can completely meet requirements of the test and especially can pass through 5a test pulse continuously. With good performance and high reliability of surge suppression, the circuit meets the design requirements, which means it can be widely applied to the power supply protection and surge suppression of vehicle controller.

vehicle-mounted controller; power supply protection; surge suppression; ISO 7637-2

2016-07-28；

2016-09-13。

张亚聪(1991-)，女，河北石家庄人，硕士研究生，主要从事控制科学与控制工程方向的研究。

管继富(1966-)，男，黑龙江绥滨人， 副教授， 硕士生导师，主要从事控制理论与控制工程方向的研究。

1671-4598(2017)01-0141-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.040

TM862

A