车载控制器电源保护电路设计

袁志国

(延锋百利得(上海)汽车安全系统有限公司，上海 201305)



车载控制器电源保护电路设计

袁志国

(延锋百利得(上海)汽车安全系统有限公司，上海 201305)

对车载控制器电源保护电路的需求进行了整理；针对需求给出了典型电路设计，并详细说明了各设计的要点。研究内容是对车载控制器电源保护电路的一个总结。

车载电源电路； 保护电路

0 引言

随着汽车电子化程度越来越高，汽车上配备的各种控制器也越来越多。控制器的功能各异，但是都需要电源模块，因此建立电源模块的开发能力是汽车电子公司的基本要求。车载环境非常复杂，需要面对宽电压范围、宽温度范围、大电流冲击、低静态电流消耗等恶劣情况。

1 电源需求汇总

对于12 V系统来说，电源电压波动定义见ISO16750-2中Code A/B/C/D等，常见的要求是Code C、9～16 V，控制器在这个电压范围内都需要满足Class A。除此之外，电源设计还必须考虑ISO 7637-2规定的由于负载突变而产生的大的正负脉冲冲击，ISO 16750-2规定的冷车启动、抛负载、发电机故障、双电池泵电、电池反接等诸多工况。

ISO 7637-2中定义了Pulse1、Pulse 2a/2b、Pulse 3a/3b[1]等5种宽度不等的、幅度从-206.5～163.5 V的脉冲波形，测试温度为23 ℃。

原ISO 7637-2中定义的Pulse4和Pulse 5a/5b脉冲波形改到ISO 16750-2中定义。Pulse4即为冷车启动，在启动机拖动过程中，电池电压可能跌到4.5 V甚至3 V，功能要求Class B或者C。

Pulse 5a/5b抛负载是模拟发电机在对亏电电池充电过程中电池脱落瞬间产生的大电流冲击。电压可瞬间达到79～101 V，持续时间40～400 ms，内阻0.5～4 s[2]。其中Pulse 5a是模拟没有中央抛负载抑制器的原始波形，Pulse 5b是模拟有中央抛负载抑制器抑制后的波形，抑制器将抛负载电压钳位到35 V。为了避免每个控制器都需要增加抛负载抑制器，增加整车成本，现在大多数新型发电机内部都配置有抛负载抑制器，因此车身上其他控制器只需要考虑Pulse 5b波形即可。

发电机故障要求控制器能在比控制器最高工作温度低20 ℃的温度下18 V工作1 h[2]，至少满足Class C的要求，常见是满足Class A。

双电池泵电是在常温下测试，ISO 16750-2要求24 V能抗1 min，至少满足Class D的功能需求，常见要求是Class C。有时候要考虑用柴油机跳线启动，因此很多OEM将此需求的电压提高到28 V。

2 电源保护电路设计

在清楚了车载电源的以上常见需求以及客户的特别需求后，就可以根据产品自身的特点设计最适合的保护电路。常见电路结构见图1。

图1中各器件功能说明如下：

C3是ESD保护电容，容值常见介于1～100 nF之间，封装不宜大于0603；

D2为双向TVS管，主要用于抗Pulse1/2a/2b/3a/3b；

R1、R2构成分压电路对电源电压进行采样监控，R1、R2的阻值对控制器的静态电流有影响，其阻值不能选择太小；

D1的作用是防止电源反接，其电流能力、热功耗是首要考虑的。其正向导通压降对系统的最小工作电压能力有影响；

D3是放在防反二极管后面的单向TVS管，与D2是二选一。D3与D1一起组合抗Pulse1/2a/2b/3a/3b，要求D1的反向击穿电压超过200 V，D1抗负脉冲，D3抗正脉冲；选择D1和D2组合，一般是用于对最低工作电压要求比较高，D1选用正向压降比较小、反向击穿电压也比较小的肖特基二极管。

C1、C2是组合的高低频滤波器，对Pulse1/2a/2b/3a/3b有一定抑制作用。

D2/D3的击穿电压和击穿电流计算方法如下：

式中：ε为脉冲的瞬态峰值；r为脉冲的内阻；Icl为瞬态击穿的钳位电流；Vcl为瞬态击穿的钳位电压；Vcl0为击穿电流为1 mA时候的击穿电压；RD为击穿时的电压/电流曲线斜率。

由于双电池泵电持续时间是1 min，对于二极管来说算是持续电压了，因此D2/D3的击穿电压Vcl要求高于双电池泵电电压，按照以上推导公式计算出的Vcl电压很可能超过后级电压调节器的最大允许输入电压。因此，抗Pulse1/2a/2b/3a/3b需要TVS管与C1/C2共同作用。TVS管对电压脉冲的响应时间很快，达到纳秒级，比脉冲的上升下降时间tr还快。脉冲到来的时候，TVS管先响应，接着电容的稳压作用体现出来，保证电压调节器的输入电压在电压调节器的允许范围之内。另外，电压调节器标称的最大工作电压是允许持续输入的最大电压，其实，电压调节器还能抗一些宽度较窄的高电压脉冲，只是并不是每个芯片手册中都有描述，细节可见电压调节器的EMC测试报告。

由于功耗和散热的原因，使用二极管作为防反保护的电路一般只能提供几百毫安的电流能力。当电路板上还有其他大电流负载(如电机或大的加热器件)需要供电的时候，就需要采用图1中的MOS管防反保护电路了。Q1是N-MOS管，电源从MOS管的源极输入，漏极输出。栅极电压必须比源极的电池电压还高一些才能使N-MOS管导通，常见的是采用电荷泵电路来驱动此N-MOS管。当电池反接的时候，为了使MOS管的栅源两级有效导通、N-MOS管有效截止，增加了三极管T1和电阻R3。当电池反接的时候，T1处于导通状态，有效地将N-MOS管截止。三极管的基级和发射极之间的击穿电压一般比较低，为了防止电源上的正脉冲将三极管损坏，在基级串联反向击穿电压较高的二极管D4来防止三极管击穿。也可以用图2中的Q2、T2、D5、R6组成的防反电路。区别是Q1、T1、D4、R3电路对D4的方向击穿电压有一定要求，Q2、T2、D5、R6电路对D5的方向击穿电压没有太大要求，但是D5和R6挂接在UBD上，需要消耗一定的静态电流，因此R6要选择大一些，T2的放大倍数也最好大一些。如果电路中没有恰当的电荷泵电路，也不愿意使用分立的电荷泵电路，可以考虑使用图3的P-MOS管作为防反保护电路。图中稳压管D6起钳位作用，防止双电池泵电或抛负载等工况下，高电压将P-MOS管的栅源级击穿。

图2 大电流负载的电源保护电路

图3 P-MOS防反保护电路

一般情况下，大电流负载的EMC情况比较恶劣，因此MOS管防反还有π形滤波设计，如图1中的L1、C4、C5、C6、C7、C8。π形滤波的设计和选型跟负载的阻抗、频带、纹波电流等有关，在此不展开描述。一般情况会至少有一颗大容值的电解电容(电解电容是单极性的，只能出现在防反电路之后)，容值越大，其静态电流也越大。如Lelon的一个电解电容漏电流描述如图4所示。在电池电压12 V情况下，一个2 200 μF电容在常温20 ℃下的漏电流就达到0.01×2 200×12=264 μA。这么大的漏电流OEM是很难接受的。因此增加图2中的Q3和R4，作为一个后级供电的开关使用，在后级工作之前先将Q3打开，待机工况下Q3是关断的，使漏电流常温下降低到1 μA左右。另外，在Q3开启瞬间，UBD会对电解电容进行充电到

12 V左右，充电电流瞬间可能达到100 A，对电源系统是一个不小的冲击，甚至干扰其他控制器的正常工作。因此，可以考虑增加图2中的U2和R5电路，在开启Q3之前先开启U2通过R5对电解电容进行慢充，减小对电源系统的冲击，此电路又额外增加0.5 μA的漏电流消耗。

图4 Lelon电解电容漏电流描述

3 结束语

关于冷车启动波形，不同客户、不同产品要求差别很大，电压低到6、4.5、3 V等都有，各功能模块在不同电压下的工作状态要求需要根据不同的安全策略要求客户化地详细定义。这需要对各级电源模块的压降、欠压阈值、复位电路的逻辑设计等进行系统的综合评估和设计，因产品而异，差别很大。

[1]ISO7637-2-2011 Road Vehicles-electrical Disturbances from Conduction and Coupling:Part 2:Electrical Transient Conduction along Supply Lines Only[S].

[2]ISO 16750-2-2010 Road Vehicles-environmental Conditions and Testing for Electrical and Electronic Equipment:Part 2:Electrical Loads[S].

Vehicle ECU Power Supplier Protection Circuit Design

YUAN Zhiguo

(Yanfeng KSS(Shanghai) Automotive Safety System Co.,Ltd., Shanghai 201305,China)

The requirements for vehicle controller unit power supplier protection circuit were illustrated. Some typical circuits were given as examples to fulfill the requirements, and the design key points were explained. This research is a good summary about power supplier protection circuit.

Vehicle power supplier circuit; Protection circuit

2017-05-05

袁志国(1982—)，男，硕士, 工程师，主要从事电路开发设计工作。E-mail：yuan_sjtu@126.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.07.014

U466

A

1674-1986(2017)07-051-03