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电源接口防护电路设计分析

摘要:汽车电子中的电源接口发挥车辆的启动功能,为了提高启动效率和电子系统的抗干扰性,在电源接口设计中要设置防护电路。基于对电源接口常见干扰的分析,本文提出了电源结构的防护电路设计方法,在满足车辆的启动要求基础上,防止各类干扰因素对整个电子系统造成过大影响,提高电子系统的运行寿命。

关键词:汽车电子;电源接口;防护

电路在汽车电子系统的运行中,电源接口将直接决定电子系统是否运行,所以电源结构需要具备极高的运行稳定性和安全性。在车辆的运行中,结构线路中会出现很多电流干扰,尤其是在车辆的启动阶段,电子线路中会产生涌流,这类电流对系统造成的影响和干扰最大,所以在整个系统的运行中,要采取合理方法消除这些干扰对系统造成的影响。

1汽车电子中的电源接口常见干扰类型

电源接口的常见干扰包括电流涌流、电路过压和电池反向电流等,这些干扰类型对电源接口的影响效果如下:1.1电流涌流。电流涌流通常发生在车辆的启动阶段,车辆未启动阶段,电子系统不运行,在启动过程中,都可视作各线路中突然产生电流。在这一过程中,电流产生的涌流对电路造成的影响很大,尤其是一些敏感线路,各线路产生的电磁场会在敏感电路中产生电流,降低了整个系统的运行质量[1]。另外这类涌流通常伴随着系统中产生过电压和过电流,对整个电子系统造成过大影响,严重时甚至会击穿电路系统中的一些精密电子器件,导致整个系统无法运行。1.2电路过压。在电源接口的运行中,当电子系统运行稳定性不足时,会产生电路过压问题,该问题发生后,容易击穿电子系统中的电子器件,导致车辆的电子系统无法运行。另外在车辆启动后,发电机成为主要供电设备,发电机产生交变电流,容易对电子线路中的其余系统造成影响。由于发电机运行后产生的电压高于蓄电池,会产生过电压问题。车辆运行中的供电系统原理图如图1。从中可以看出,在发电机运行后,产生的电流容易对蓄电池和起重机造成影响,产生的过电压会降低蓄电池的运行寿命。1.3电池反向电流。从上文中可以发现,在汽车的运行中,主要以发电机为汽车的电源,当发电机产生的电压过大时,会在电路中产生电池反向电流,虽然蓄电池在运行中能够发挥一定的电容作用,并依托发电机充电,但是当反向电流过大时,会导致整个电路的运行效率下降。另外在当前的汽车中,起动机的额定电压较小,与蓄电池的工作电压相同,当出现电池反向电流现象时,通常意味着发电机的电压高于蓄电池电压,容易导致起动机损坏,导致车辆无法启动。

2汽车电子中的电源接口防护电路设计方法

2.1无源防护电路。无源防护电路的设计思想为,建成集合了电容、电感和电阻的电路系统,在该系统的运行中,各个电子器件发挥应有作用。电感器设置在电路的干路上,这种设计方法能够消除交变电流对电源接口的影响,电容位于电路的中间连接区域,当电路中的电压过大时,电容会充能,起到稳定电路电压的作用,另外在零线与火线之间,也设置了一个二极管,作用为保持电流的单向输入和输出。在电路的火线上设置保险丝,当电路中的电流过大,会对其余构件造成严重损坏时,保险丝熔断,防止电子系统遭受到大规模破坏。这种保护电路的优势在于,有更低的生产成本,并且维修较为简单,但是也存在明显的缺点,表现为,在车辆的长期运行后,电容器的运行质量会下降,无法发挥应有的功能,导致对电子系统内的防护效果下降,另外应用保险丝的方式完成电路保护工作,保险丝熔断时,车辆无法正常启动。2.2有源防护电路。在当前的汽车工业中,已经广泛应用有源防护电路实现电源接口保护,这种电路通常应用于敏感电路保护系统。有源在车辆运行中,由发电机供电,产生的电压为12V,而蓄电池的电压为6V,从供电设备上来看,发电机对敏感电路的影响更大,所以需要借助有源防护电路提高相应的保护功能。本文提出的方法为,使用LT1641提供针对敏感电路的附加保护,在该设备的应用中,在3种运行状态下发挥作用,首先为发电机电能产生量较少的状态,这种情况下发电机的电压小于12V,而当电压小于9V时,车辆上电气设备开启后,容易导致车辆无法正常运行,所以LT1641的一个重要工作内容为,分析和记录发电机产生的电压,并与控制器中的数据比较,确定是否发出电量不足警示信息,让驾驶员关闭电气设备[2]。其次为发挥系统的软启动功能,在电气设备开启以及车辆启动中,为让整个系统正常运行,LT1641控制相关设备的电压缓慢上升,同时有该设备检测电力系统运行中的其余参数,当发现电压下降明显时,通过对电路开关的控制,让蓄电池参与电气设备的供电过程。最后为保护主线路保险丝作用,虽然保险丝的最重要作用为保障电路的安全运行,但是电路运行中产生的常见干扰,也容易导致保险丝熔断。在发生电路故障时,构件中的断路器与一定频率尝试重连,当多次重连失败后,意味着电路系统的故障无法自我消除,此时熔断保险丝。而该设备的运行中,需要设置保险丝熔断电压和电气设备隔离电压,通常情况下,熔断电压为24V,电气设备的隔离电压为9V,当发现瞬态过压电流时,断路器断开电路,经过1~2s后重连,同时LT1641中设置的时间记录构件运行,记录电路系统的重连时间,断了预期多次重来失败后,可以确定电子系统中发生的故障为长期存在的故障,通过电路开关将电流引入保险丝上。2.3电池反向保护。在电池反向保护中,需要防止电子系统中产生的过大电流对控制器造成影响,对于这一保护方法,可以应用的方法为,在保护电路中设置P-N二极管,可以有效防止产生的反向电压进入到其余各类线路中。在电极管的设置中,要分析控制芯片的电流输入与输出方向,通常在电流输出端设置二极管即可满足防护要求,当前的一些车辆中会在输入和输出端同时设置二极管。另外在一些车辆系统中,对于一些要求二极管运行中不产生功耗的器件来说,需要设置一个额外电路,实现无功或有功补偿,本文提出的电路设计方案如图2。在电路正常运行的情况下,电路中的二极管正向偏置,将电路中产生的功率传输到LT1641中,之后二极管的Q2栅极驱动,整个电路完全接通。当产生电池反向电压后,Q3的电平低于地电平,拉低了Q2端的电平,在这种状态先,Q2端处于断开状态,将反向的输入隔离,电子系统中产生的反向输入不能进入到LT1641控制器中。2.4电压限幅器。在当前的汽车中,车辆的运行电压普遍不高于25V,为了能够保证车辆和所有电气设备的正常稳定运行,需要设置电压限幅器,常见的这类构件有LT1616,但是从最终的应用效果上来看,这种控制器不适合应用于汽车中,原因在于这种限幅器运行效率较低,故而要设计其余类型的控制器[3]。通过对当前各类电压限幅器性能和应用原理的了解,本文设计了一种基于两个电压限幅器融合的新型限幅器,采用的限幅器为LDO稳压器和LT3012B/LT3013B融合的构件,以实现对电压的精确控制。在该系统中,LT3013B具备很宽的电压输入区域,电压域达到4~80V,同时该构件中也加入了电池反向保护系统,在具体的应用中,无需设置额外的电池反向保护电路。在电路的正常运行状态下,LDO稳压器的运行状态等价于VOUT/VIN,当系统电路系统的运行电压较低时,LDO稳压器的运行效率大幅下降,研究结果表明,当系统的运行电压从12V降低到3.3V时,LDO系统的运行效率降低到28%。当LDO稳压器和LT3013B连接时,能够有效规避这一问题,原因在于,LT3013B在低压状态下有更高的运行效率,这种方式能够补足LDO稳压器中存在的问题。在车辆的电路系统的运行中,当构件的输入端电压高于24V时,在LT3013B的作用下,能够将输出电压调整为24V。在常见的12V电路系统中,LT3013B的工作效率达到80%,其中LDO在该电压先也有很高的运行效率,所以可以最终的输出电压能够满足汽车的正常稳定运行要求。

3结论

综上所述,在汽车电子中的电源接口系统中,常见的干扰类型为电流涌流、电压的过压干扰和电池反向干扰,为消除这些干扰因素,保证电子系统正常稳定运行,基础思路为设置无源调节信号,但是该系统存在重大缺陷,在当前的车辆工程中,保护电路的设置方法为设置有源保护电路、电压限幅器、电池反向保护装置等措施达成目的,确保电路系统的正常稳定运行。

参考文献:

[1]王祥楚.汽车电子中的电源接口防护电路设计分析[J].中国新技术新产品,2019(01):84-85.

[2]石绍辉.基于CAN总线的汽车远程启动及辅助系统的研制[D].重庆大学,2017.

[3]张娜.汽车电子控制器开发装置主控制器模块研究[D].重庆交通大学,2014.

作者:卞俊 单位:同济大学

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