从冷曲柄到负载转储:汽车瞬态的底漆

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简介

汽车技术的进步大大增加了复杂电子电路的数量，以改善典型汽车系统的驾驶体验和安全性。新型汽车提供高分辨率显示屏、增强的用户界面和众多连接选项的信息娱乐系统。改进的安全功能包括用于避免碰撞的激光雷达，以及用于驾驶员感知的多个摄像头和传感器。这些电子模块中的许多都连接到12V或24V电池系统，这意味着它们受到恶劣和动态瞬态环境的影响。这些条件对电源设计人员提出了挑战，以确保在极端环境下可靠的电路运行。

图1显示了一辆汽车的典型汽车电气系统。汽车电池系统的典型负载包括信息娱乐系统、ADAS、数字座舱、照明、电子模块(ecu)和CAN总线。

图1:典型的汽车电气系统

传统汽车电源的瞬态范围从交流发电机产生的严重高能瞬态到点火系统产生的低噪声。本文介绍了常见的汽车瞬态条件(例如，反向电池、冷曲柄、热曲柄和负载转储)，并讨论了这些瞬态的原因以及系统设计挑战。

冷曲柄

在寒冷的天气条件下，汽车电池和发动机都可能受到极低的温度。冷曲柄脉冲发生时，电池电压下降后，启动器吸取大电流打开冷发动机。在冷曲柄条件下，电池电压可降至3V以下(最坏情况)15ms至50ms。

在这段时间之后，电池电压上升到约6V，在此保持几秒钟，然后在几毫秒的上升时间内恢复到标称电压。图2显示了低温下典型冷曲柄条件下的电池电压分布图。ISO 7637-2，测试脉冲4提供了这种类型的启动配置文件的详细信息。

图2:典型的冷曲柄脉冲

在典型情况下，不同汽车制造商的电池启动剖面非常相似。关于电压水平和时间，不同的原始设备制造商(oem)之间存在差异。

根据OEM规范，低频正弦信号也可能包含在启动器轮廓脉冲中。正弦波(如2Hz)表示在曲柄期间的交流发电机噪声。ISO 16750-2标准描述了几种使用注入正弦波的启动配置文件，并可能被OEM规范引用。这种波形通常被称为严重的冷曲柄脉冲(见图3)。

图3:严重冷曲柄脉冲

冷曲柄系统的挑战

在冷曲柄启动条件下，电源解决方案应确保在短时间内对低至2.8V的输入有连续、稳定的输出调节。转换器(例如DC/DC降压/升压转换器，例如MPQ8875A-AEC1)，用宽V_在范围可用于解决低输入电压。

温暖的曲柄

热曲柄脉冲发生时，电池电压下降，作为启动器吸引一个大电流，以打开一个温暖的发动机。虽然暖曲柄脉冲与冷曲柄脉冲非常相似，但电压下降和缩短的脉冲持续时间通常不那么严重。ISO 16750-2和ISO 7637-2，测试脉冲4也描述了热曲柄的启动轮廓。

在热曲柄脉冲期间，电池电压可以下降到5V或6V，电压下降时间往往比冷曲柄短。在大约5ms的短暂持续时间后，电池电压上升到大约8V，在恢复到标称电压之前，电池电压保持不到一秒。图4显示了暖曲柄条件下的电池电压分布图。

图4:典型的暖曲柄脉冲

对于不同的汽车制造商，该脉冲的电池电压分布非常相似，但不同的原始设备制造商之间的电压水平和时间有所不同。暖曲柄脉冲状态的一个例子是汽车启停，当刹车被压下时，发动机完全停止，然后在释放刹车踏板时重新启动。

暖曲柄系统的挑战

许多车辆要求某些功能继续运行，即使在暖曲柄等条件下。例如，当温暖的引擎重新启动时，汽车收音机不应该突然停止播放音乐，LCD显示面板不应该闪烁或视频退化。建议使用宽V的DC/DC升压或buck-boost变换器_在范围来解决这些类型的低输入电压条件，如MPQ8875A-AEC1．

反向电压

当汽车电池与系统断开连接，并意外地重新连接，电池极性反转时，就会发生反向电压或反向电池状态。这会在输入电源连接器上产生负电压，这可能会损坏电源和其他电路。许多集成电路的额定负电压只有几百毫伏(例如-0.3V)，而其他组件可能对极性敏感。反向保护二极管或MOSFET通常用于保护电路免受这种情况的影响。

图5显示了ECU不正确地连接到电池的设置。最初，14V电池是正确连接的，然后断开。当电池重新连接到ECU时，电池极性反转，使ECU处于-14V。ISO和OEM测试定义了施加负电压的持续时间，可能长于60秒。保险丝通常用于防止过电流损坏，这取决于反向保护电路。在指定的测试时间内施加反向电压后，有必要重新施加正确的极性电压，以确认模块仍然正常工作。

图5:电池反向状态

反向电压系统的挑战

保护所有ic和组件免受负电压或反向电压的影响是至关重要的。暴露在这些条件下可能导致组件严重退化或损坏。建议使用二极管和mosfet等器件来提供这些保护。智能二极管控制器等MPQ5850-AEC1，还提供优秀的反向输入保护，同时显著降低与典型二极管和MOSFET保护电路相关的功率损耗。

负载转储

负载转储瞬态是电池断开时产生的电压浪涌，而交流发电机仍连接到其他电子负载(见图6)。负载转储可能发生在车辆运行时电池意外断开时。常见的情况包括电池端子被腐蚀，连接不良，或电池电缆退化。

图6:负载转储条件

浪涌峰值电压可超过100V，浪涌衰减时间长达400ms。ISO 16750-2和ISO 7637-2，测试脉冲5a和5b，通常是特定负载转储瞬态脉冲的参考。每个标准都描述了两种类型的负载转储暂态。

1.未压制的:当电池断开时，交流发电机仍向系统供电时，高压负载转储瞬态浪涌发生，导致波形未夹紧(见图7)。在这种情况下，交流发电机内部没有夹紧或抑制手段，因此连接到交流发电机的模块和设备都要承受这种大的瞬态。

图7:未抑制负载转储脉冲

2.抑制:当负载转储瞬态浪涌发生时，波形被交流发电机整流器中的雪崩二极管抑制。这将导致箝位波形(见图8)。在这种情况下，在大多数12V系统中，交流发电机中的箝位保护将瞬态电压抑制到较低的电压(通常在32V和40V之间)。

图8:抑制负载转储脉冲

负载转储系统面临的挑战

电路必须能承受负载转储而不损坏或退化。建议使用TVS二极管或其他输入保护来防止负载转储情况。对于抑制负载转储，电路所需的夹紧保护可能只需要额定在40V到45V之间。在这种情况下，宽V_在Buck转换器等MPQ4316-AEC1-可用于满足系统要求。对于未抑制的负载转储，夹紧保护的额定值必须高得多，这可能需要更大和更昂贵的解决方案。

总结

表1概述了本文中描述的汽车瞬态和脉冲条件，包括常见的行业测试标准。它还强调了系统设计者必须考虑的系统挑战。

表1:汽车输入瞬态、通用标准和系统挑战

测试	来源/发生	参考标准	系统的挑战
反极性	当电池端子断开时，汽车电池连接可能会误转。	ISO 16750-2:2010(E)章节4.7反向电压	需要额外的保护(例如二极管和mosfet)来保护ic和无源组件。
冷曲柄	内燃机起动电机电路通电引起的电池电压降低。当起动器在寒冷条件下产生大电流以启动发动机时发生。	ISO 16750-2:2010(E) 4.6.3启动概要ISO 7637 -2 5.6.4测试脉冲	确保V_出连续且稳定，而V_在为短持续时间的低值。宽V的DC/DC变换器_在建议选择“Range”。
温暖的曲柄	内燃机起动电机电路通电引起的电池电压降低。类似于冷曲柄，虽然电压下降和持续时间不是极端由于温暖的发动机。	ISO 16750-2:2010(E) 4.6.3启动概要ISO 7637 -2 5.6.4测试脉冲	确保V_出连续且稳定，而V_在为短持续时间的低值。宽V的DC/DC变换器_在建议选择“Range”。
负载转储	如果放电的电池断开，而交流发电机产生充电电流，其他负载可能留在交流发电机电路上。	ISO 7637 -2 -第5.6.5节测试脉冲5a和5b	连接到电池的电路必须经受住瞬变而不损坏或退化。一般由TVS二极管、夹紧电路或宽V DC/DC变换器组成_在范围是必需的。

结论

一个典型的汽车模块必须解决本文中讨论的大部分或所有瞬态条件。要让汽车系统工程师设计出可靠的解决方案，就必须对这些关键的汽车瞬态有基本的了解。

虽然为极端条件设计可靠的电源电路可能具有挑战性，但坚固的汽车部件，如MPQ4316-AEC1(带宽V的降压变换器_在)，MPQ8875A-AEC1(宽V的降压-升压变换器_在)，MPQ5850-AEC1(42V智能二极管控制器)，以及MPQ7200-AEC1(宽V的LED驱动器_在)具有处理动态环境的能力，提供优异的性能和安全性。

有关本文所涵盖内容的更多详细信息，请观看免费网络研讨会“从冷曲柄到负载转储-汽车瞬态的底漆在公安部网站上。