车载监控终端电源的浪涌抑制电路设计

    洪炳林

    

    

    

    摘 要：文章介绍了《ISO7637-2 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》。通过分析标准中的脉冲波形，设计一款可通过标准的高可靠低成本电路，该电路与传统电路相比，具有良好的浪涌抑制性能，并通过试验来验证该电路。

    关键词：干扰抑制；脉冲；瞬态传导；车载远程监控终端

    随着现代汽车的高速发展，大量的电子设备用在汽车上，包括感性负载、容性负载、发电机等设备，这些设备都接在电源上，不定时地突加、突卸，或发生各种故障，都可能产生大量电磁干扰，这些干扰可通过传导、耦合、辐射的方式干扰电子设备，严重情况下会导致设置死机甚至损坏，因为所有设备的电源都并联在一起，通过电源线带来的破坏是最严重的。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[1-2]。国际标准ISO7637针对道路车辆及其挂车内通过传导和耦合引起的电干扰，提出了沿电源线的电瞬态传导及测试方法，适用于12 V或24 V的电气系统车辆[3]。我们设计的电路必须满足ISO7637标准才能可靠安全地安装在汽车上。

    1 ISO7637标准介绍

    ISO7637规定了5种脉冲波形，归纳了大部分汽车可能发生的情况所带来的电源冲击和干扰，我们的车载远程监控终端只有通过这5种脉冲波形的冲击，才能保证在实际使用过程中，相对可靠地运行。24 V系统推荐的试验等级如表1所示。

    2 电路设计部分

    传统的设计方案如图1所示，原理上正高压是通过瞬态抑制（Transient Voltage Suppressor，TVS）管强制吸收泄放，负压是采用串联的二极管来防止负压冲击。D40二极管需要足够的反向耐压保证在负脉冲﹣600 V处不会被击穿，此处选择3 A的肖特基二极管1N5408，反向电压1 000 V。对于脉冲1、脉冲3a、脉冲4的负压有很好的抑制阻断作用。对于脉冲2a、脉冲3b、脉冲5a、脉冲5b的高正向电压通过D13的TVS吸收。该电路的缺点是，对于脉冲5a，因为电压最高+174 V，持續时间最大350 ms，瞬间能量很大，需要用很大的TVS管，会大大提高电路成本。同时，在干扰的瞬间D40二极管和D13 TVS管所承受的应力非常大，而且该吸收电路，在吸收嵌位的时候，瞬间电流能达到50 A以上，电源线上的保险丝容易烧断。TVS后的电源芯片需要选择高耐压，比TVS的嵌位电压更高耐压的电源芯片，对于24 V的车电系统，根据《GBT 19056—2012 汽车行驶记录仪（工信部3C）》中的5.3.3要求，对于24 V的系统要求车载远程监控终端的电源需要在36 V条件下仍然正常工作1 min，所以TVS需要选择5KP36A，TVS后的电源芯片耐压至少要60 V以上，保证电源芯片的安全。综上几点，电路的成本相对较高，对电路的要求较高。

    新的设计方案如图2所示，原理是：通过金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor，MOS）管的嵌位作用，限制输出端的电压。电路介绍如下：N沟道MOS管特性分析：此电路选择14N30管，RDS（on）= 290 mΩ，在VGS = 10 V时，I D = 7 A。耐压VDSS=300 V，保证VDSS>脉冲5a的最高电压（+174 V）。ID>车载远程监控终端的工作电流0.2 A。管子最大功耗PD=140 W。按MOS管S极输出为32 V电压计算，当脉冲5a最高电压174 V通过时，管子的DS压降为△U=174-32=142 V。公称压力（Nominal Pressure，PN）结的最高结温为150 ℃，如果设备工作在75 ℃条件下。按热导为1.12 W/℃计算。功耗P=（150-75）×1.12 = 84 W。最大电流IP=84 W/（174 V-32 V）=0.59 A。如果设备超过该工作电流，MOS管会瞬间过热温度超过PN结而损坏，表现为GDS击穿等现象，应用中需要控制工作电流小于0.59 A。

    对高电压干扰信号不吸收，而是采用高耐压MOS管来阻挡高压传给后级的方法。工作原理如下：当VCC_CAR 的24 V车电进来后，通过R7电阻使D2 的G极电压达到24 V，VGS（TH）按4 V计算，满足VGS>VGS（TH），所以D2 MOS管的DS极导通，DS极导通后，后面的DC-DC启动，脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）来自于DC-DC的PWM脚，与D11和D14构成倍压电路，使D14负极处的电压接近48V，该电压通过R6限流和D10的稳压，稳定到36 V。因为导通后，只要保持VGS>VGS（TH），即可保证D2可靠导通。所以在24 V供电的情况下，该电路正常导通。

    图2 基于MOS管的干扰抑制电路

    以脉冲5a的波形来分析该电路的保护作用。脉冲5a的波形如图3所示。当输入电压升高到40 V以上后，由于D10稳压管的稳压嵌位作用，D2 MOS管的G极电压稳定在36 V。因为MOS管的DS极导通的条件是VGS>VGS（TH），VGS（TH）按规格书在4 V内，所以供电电压（Volt Current Condenser，VCC）的电压嵌位到32 V。就算前端电压升到174V，也可以将VCC的电压嵌位到32V。如果VCC>32 V，因为MOS管G极的电压被稳压在36 V，很快会破坏VGS>VGS（TH）的条件，让MOS截止，所以VCC不可能高于32 V。该电路的性能取决于MOS管的参数。首先MOS管的耐压需要大于174 V，而14N30的VDSS电压可以达到300 V，满足要求。其次，因为高压干扰过来的时候，MOS管DS之间的压差会比较大，瞬间功耗取决于压差和流过MOS管的电流。因为记录仪工作电流较小，所以该电路可安全使用。

    3 测试验证

    主要通过最高正压的波形来验证选择脉冲5a波形来做实验（见图3），实验环境安装ISO7637的标准搭建。

    脉冲5a（Us=+174 V，Ri=1 Ω，td=350 ms），用示波器捕捉脉冲1和经过MOS管后级S级VCC的波形，可以看出后级VCC最高电压不超过32 V。实验完成后，T-BOX设备正常。达到ISO7637中规定的功能等级A级。图3VCC_CAR_IN为车电输入的电压，可以看出有5a波形，VCC为MOS管后端电压，当5a波形冲击的时候，可以嵌位到32 V的最高电压，从而保证后端电路的安全可靠。

    利用脉冲5a波形配合负载做MOS管的耐受极限实验，可以看出与理论计算的IP=0.59 A是比较接近的。

    4 结语

    通过理论分析和实验验证，该电路具有很好的抗电源瞬态传导的能力，满足ISO7637的认证要求，很大程度上提高了产品的可靠性。