一种商用车仪表干扰保护电路与设计方法

程春林 周斌 李文 董琦飞

程春林

毕业于哈尔滨理工大学，现就职于东风电驱动系统有限公司，任技术中心电子商品开发部主任工程师，主要研究方向为汽车电子电路可靠性分析与设计。已发表论文2篇。

摘要：本文针对一款商用车彩屏仪表系统电源电路的设计，为提升仪表抗干扰能力，抑制整车抛负载电压对仪表的冲击，从电源主芯片、TVS管选型等方面对方案的可行性进行分析，通过IS0 16750-2：2012沿电源线传导抗干扰Sa波形的实验对该方案进行了验证，并给出实验数据。实验及仪表批量应用三包结果证明，按该方法设计的仪表电源电路指标满足主机和国标实验要求，满足车辆安全行驶的需要且具有良好的电磁兼容性，对进一步实现不同类型汽车仪表抛负载瞬变电压保护电路的设计、改进和升级具有一定的指导和参考意义。

关键词：仪表;电路设计;抛负载;电磁兼容性

中图分类号：U463.7 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（ 2021） 06-0099-06 A Commercial Dehicle Instrument Interference Protection Circuit

and Design

CHENG Chun-Iin， ZHOU Bin， LI Wen， DONG Qi-fei （ Dongfeng Electric Drive System Co.， Ltd. Technology Center， Xiangyang 441001， China）

Abstract： Aiming at the design of power supply circuit for a commercial vehicle colorscreen instrument system， in order to improve the anti-interference ability of the instrumentand restrain the impact of vehicle load voltage on the instrument， this paper analyzes thefeasibility of the scheme from the aspects of main power chip and TVs tube selection， andverifies the scheme by conducting anti-interference SA waveform along the power Iine in ISO16750-2：2012， The experimental data are given. The results of experiments and batchapplication of three guarantees show that the instrument power supply circuit designed by thismethod meets the requirements of host and national standard experiments， meets the needs ofvehicle safe driving， and has good electromagnetic compatibility. It has certain guidance andreference significance for further realizing the design， improvement and upgrading of loadthrowing transient voltage protection circuit of different types of automobile instruments.

Key Words： Instrument; Circuit Design; Throwing Load; Electromagnetic Compatibility

1 前言

儀表是汽车的主要显示界面，其功能是为用户提供实时的燃油、车速、发动机转速、水温等车辆信息显示，以及防抱死制动系统（ Anti-IockBrake System，ABS）、电子制动力分配系统（ Electronic Brake Force Distribution， EBD）等报警灯的显示。当车辆行驶过程中，仪表系统应该正常工作，并具有抵抗各种电磁骚扰的能力[1]。

据汽车电路保护专家Littelfuse公司的高级工程师戴泰初介绍，在汽车系统中，在各种汽车控制系统（如ABS、Airbag等）与发电机之间，会有一个蓄电池。正常情况下发电机给蓄电池充电，但是当线束老化或者解除不良时，就会碰到电池与电路断开的情况（如图1红框内所示），这时候发电机就会给终端产生一个浪涌电压，由于这个浪涌电压的电压非常高，持续时间非常长，就会对终端的各个电子控制单元造成很大的损坏，这种情况就称为抛负载。典型的干扰来自发电机[2]，突然切断正在运行的发电机负载时就会出现浪涌电压[3]，目前广泛采用的抛负载瞬变电压保护措施是用TVS管进行钳位，使后端电路电压在TVS击穿后电压不再上升，防止端口瞬间的电压冲击造成后级电路的损坏，因此其在电路中具有极其重要的地位[4]。但是，针对TVS的选型过程，很多厂家都是直接给推荐电路，直接告诉设计者答案选择哪个器件，却很少对选型过程提供理论计算，本文以一种商用车仪表电源电路为研究对象，介绍一种TVS防浪涌保护设计方法与电路，通过文献[5]提供的实验方法对该方案进行了验证，并给出实验数据。通过几年组合仪表批量装车的应用证明，按该方法设计的仪表防浪涌电源电路指标满足主机和国标实验要求，满足车辆安全行驶的需要且具有良好的防浪涌性能。

2 TVS工作原理

TVS（ Transient Voltage Suppressors），即瞬态电压抑制器，又称雪崩击穿二极管。它是采用半导体工艺制成的单个PN结或多个PN结集成的器件。TVS有单向与双向之分，单向TVS -般应用于直流供电电路，双向TVS应用于电压交变的电路。如图2所示，应用于直流电路时单向TVS反向并联于电路中，当电路正常工作时，TVS处于截止状态（高阻态），不影响电路正常工作。当电路出现异常过电压并达到TVS（雪崩）击穿电压时，TVS迅速由高电阻状态突变为低电阻状态，泄放由异常过电压导致的瞬时过电流到地，同时把异常过电压钳制在较低的水平，从而保护后级电路免遭异常过电压的损坏。当异常过电压消失后，TVS阻值又恢复为高阻态。

3 保护电路及设计

电压及电流的瞬态干扰是造成车辆电子电路损坏的主要原因，常给人们带来无法估量的损失。这些干扰通常来自于继电器起停操作、电压波动、雷电干扰及静电放电等。抛负载试验中产生的瞬变电压主要产生于交流发电机，包括①负载突然断开（负载单抛）②蓄电池突然断开（蓄电池单抛）③负载、蓄电池同时断开（双抛）④调节器失效。另外还有点火开关断开、电线互耦等也会产生瞬变电压。常见典型瞬态脉冲见表1（汽车EMC之7637-2抛负载脉冲试验解析作者：雷卯、胡光亮）。

3.1 电源主电路

仪表电源电路是仪表电路安全运行的基础，电源电路必须满足整个仪表工作需求，本文采用的仪表电源浪涌保护电路见图2，5V电源主电路见图3。

蓄电池电源+经过浪涌保护TVS管DL3及滤波电路后进入5V电源主电路输入脚2脚，为整个仪表提供工作电压。

电源主芯片采用TPS54360，主要参数如下：

（1）工作电压范围4.5V - 60V，最大输入电压65V;

（2）关断电流luA;

（3） lOOkHz - 2.5MHz工作频率。

3.2 TVS型号的选取原则

工欲善其事，必先利其器，要用好TVS，必须先了解其关键的参数，见图5：

3.2.1 rwm截止电压

TVS的最高工作电压，可连续施加而不引起TVS劣化或损坏的最高工作峰值电压或直流峰值电压。对于交流电压，用最高工作电压有效值表示，在Vnam下，TVS认为是不工作的，即是不导通的。

3.2.2 I漏电流

漏电流，也称待机电流。在规定温度和最高工作电压条件下，流过TVS的最大电流。TVS的漏电流一般是在截止电压下测量，对于某一型号TVS，R应在规定值范围内。对TVS两端施加电压值为Vrwm，从电流表中读出的电流值即为TVS的漏电流Ir。对于同功率、同电压的TVS，在Vrwm≤10 V时，双向TVS漏电流是单向TVS漏电流的2倍。对于一些模拟端口，漏电流会影响AD的采样值，所以TVS的漏电流越小越好。

3.2.3 VBR击穿电压

击穿电压，指在V-I特性曲线上，在规定的脉冲直流电流I或接近发生雪崩的电流条件下测得TVS两端的电压。测试的电流I一般选取lOmA左右，施加的电流的时间不应超过400ms，以免損坏器件，VBRMIN和VBRMAX是TVS击穿电压的一个偏差，一般TVS为±5%的偏差。测量时，VBR落在VBRMIN和VBRMAX之间视为合格品。

3.2.4 IPP峰值脉冲电流，Vc钳位电压

IPP峰值脉冲电流，给定脉冲电流波形的峰值。TVS一般选用10/lOOOus电流波形。Vc钳位电压，施加规定波形的峰值脉冲电流Ipp时，TVS两端测得的峰值电压。IPP及Vc是衡量TVS在电路保护中抵抗浪涌脉冲电流及限制电压能力的参数，这两个参数是相互联系的。对于相同型号TVS，在相同Ipp下的Vc越小，说明TVS的钳位特性越好。TVS的耐脉冲电流冲击能力可以参考Ipp，同型号的TVS，Ipp越大，耐脉冲电流冲击能力越强。

3.2.5结电容Ci，漏电流Ii

结电容是TVS中的寄生电容，在高速10端口保护需要重点关注，过大的结电容可能会影响信号的质量。漏电流主要带来了功率的损耗，或者是在模拟信号中，会影响AD信号的采样值。

选择TVS之前，我们首先要确定目标：

·电压合适，能保护后级电路;

·引入的TVS的结电容不能影响电路;

·TVS功率余量充足，满足测试标准，且不能比保险管先损坏。

选型的过程可以按照以下的步骤进行：

·选择TVS最高工作电压Vrwm;

·选择TVS钳位电压Vc;

·选择TVS的功率;

·评估漏电流It的影响;

·评估结电容的影响;

选择TVS最高工作电压Vnam;

在电路正常工作情况下，TVS应该是不工作的，即处于截止状态，所以TVS的截止电压应大于被保护电路的最高工作电压。才能保证TVS管不被频繁击穿从而影响其寿命。但是TVS的击穿电压高低也决定了TVS钳位电压的高低，在截止电压大于线路正常工作电压的情况下，TVS工作电压也不能选取的过高，如果太高，钳位电压也会较高，所以在选择Vrwm时，要综合考虑被保护电路的工作电压及后级电路的承受能力。要求Vrwm要大于工作电压，否则工作电压大于Vrwm会导致TVS反向漏电流增大，接近导通，或者雪崩击穿，影响正常电路工作。综合考虑，Vrwm可以参考以下的公式：

Vrwm=I.I - 1.2×Vcc

（1）

其中Vcc为电路的最高工作电压。

选择TVS钳位电压Vc;

TVS钳位电压应小于后级被保护电路最大可承受的瞬态安全电压，Vc与TVS的雪崩击穿电压及Ipp成正比。对于同一功率等级的TVS，其击穿电压越高V，也越高，所选TVS的最大箝位电压V，不能大于被防护电路可以承受的最大电压。否则，当TVS钳在Vc时会对电路造成损坏。

Vc可以参考以下的公式：

Vc

其中Vmax为电路能承受的最高电压;

TVS产品的额定瞬态功率应大于电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率，理论上，TVS的功率越大越好，能够承受更多的冲击能量和次数，但是功率越高，TVS的封装越大，价钱也越高，所以，TVS的功率满足要求即可。对于不同功率等级的TVS，相同电压规格的TVS其Vc值是一样的，只是Ipp不同。

Ipp可以通过以下公式算出：

Ipp=Vin÷R.

（2）

Vin——最大输入电压;

Ri——线路阻抗;

根据所选的TVS的结电容和漏电流评估影响，如果TVS用在高速10端口防护、模拟信号采样、低功耗设备场合，就需要考虑结电容和漏电流的影响，两者的参数越小越好。

TVS_极管产品的额定瞬态功率应大于电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率，具体可以参照如下算法。TVS管的额定功率记为Pppm，则Pppm的功率可以估算为：

Ppp=Vc×Ipp

（3）

对于图3、图4电路，假设我们需要通过Us=174V，Ri=2 的实验要求，测试波形及参数分别见图6、表2。

3.3 电路参数的确定

根据3.2的选型步骤进行TVS的选型及电路参数的确定。

Vrwm的确定：

该仪表工作电压范围为18V - 32V，根据

Vrwm=1.1 - 1.2×Vcc

（4）

Vrwm=1.1 - 1.2×32=35.2V - 38.4V

（5）

通过查询产品手册，确定Vrwm为36V。

Vc的确定：

根据3.1中图3主电源原理图可知最大工作电压60V，Vc需要小于60V。通过查询产品手册，Vrwm、为36V的TVS管Vc为58.IV，符合使用要求，确定Vc为58.1V。

TVS功率的确定：

估算该电路最大测试电流，可按Ipp=Vin÷Ri进行，试验电压27V，即：

IPP=（ 174+27-58.1）÷2=71.45A，

因此，该Tvs的最大电流IPP必须大于71.45A。根据以上计算得出的数据计算，Pppm=Vc×Ipp=58.1×71.45= 4151.2W。据此，可以初步确定使用5kW以上TVS管。

通过查询TVS管数据使用手册可以看到，满足使用要求的有SM5S36A、SM6S36A、SM8S36A，分别见图7、图8、图9。

由于实验波形与测试波形不一致，需要考虑TVS管功率衰减问题，根据数据手册可以看到，在经过lOms后，Pppm分别衰减到2800W、3600W、5200W，见图10、图11、图12。

按图6实验要求，lOms后实验波形达到最大值，这时要求功率要大于4000W，通过比较可以看到只有SM8S36A满足条件。

3.4 实验验证

实验环境温度22.6℃下，供电系统为27V，输入pulse 5a脉冲频率波形，检测样品电源线瞬时干扰抗性的能力。实验现场如图13所示，实验参数见表3，试验结果对比见表4。

4 总结

本文通过IS0 16750-2-2012 pulse 5a实验对商用车仪表抗浪涌性能进行检测，得出以下结论：

（1）按照此方法选择的TVS器件可以顺利通过IS0 16750-2 pulse Sa的测试，验证了该方法的正确性、有效性。

（2）按照該方法筛选掉的TVS器件，通过试验证明确实无法满足实验要求，说明该方法可以排除不符合使用要求的TVS。

（3）通过比较测试，证明该方法可较为全面的实现对商用车IS0 16750-2 pulse Sa波形抗浪涌TVS器件的选型，对不同型号、不同种类的汽车仪表选择TVS抗浪涌都具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]高军，郭迪军，李旭.汽车组合仪表的电磁干扰特性分析与优化卟汽车工程学报，2014，5（ 03）：220-224.

[2]赵志刚.秦随江.车用发电机抛负载的保护设计[J].汽车电器，2013（ 10）：5-6.

[3]陈乐娟，朱杰，钱振宇，汽车电子电器设备的瞬态传导骚扰和抗扰度试验一对IS07637-2- 2004标准的理解[J].低压电器，2007（ 13）：55-62.

[4]陈乐娟，朱杰，钱振宇，汽车电子电器设备的瞬态传导骚扰和抗扰度试验一对IS07637-2_ 2004标准的理解[J].低压电器，2007（ 13）：55-62.

[5]IS0 16750-2-2012道路车辆电气和电子设备的环境条件和试验.第2部分：电气负荷4.6.4.2.2

专家推荐语

黄玉华

东风汽车集团有限公司技术中心

研究员级高级工程师

本文对一款组合仪表电源回路冲击电压干扰保护电路的设计思路进行了介绍，总体逻辑比较清晰，所述内容具有一定的实用性，可以为读者提供一定的参考信息。