電源接口防護電路設計分析

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摘要：汽車電子中的電源接口發揮車輛的啟動功能，為了提高啟動效率和電子系統的抗干擾性，在電源接口設計中要設置防護電路。基于對電源接口常見干擾的分析，本文提出了電源結構的防護電路設計方法，在滿足車輛的啟動要求基礎上，防止各類干擾因素對整個電子系統造成過大影響，提高電子系統的運行壽命。

關鍵詞：汽車電子；電源接口；防護

電路在汽車電子系統的運行中，電源接口將直接決定電子系統是否運行，所以電源結構需要具備極高的運行穩定性和安全性。在車輛的運行中，結構線路中會出現很多電流干擾，尤其是在車輛的啟動階段，電子線路中會產生涌流，這類電流對系統造成的影響和干擾最大，所以在整個系統的運行中，要采取合理方法消除這些干擾對系統造成的影響。

1汽車電子中的電源接口常見干擾類型

電源接口的常見干擾包括電流涌流、電路過壓和電池反向電流等，這些干擾類型對電源接口的影響效果如下：1.1電流涌流。電流涌流通常發生在車輛的啟動階段，車輛未啟動階段，電子系統不運行，在啟動過程中，都可視作各線路中突然產生電流。在這一過程中，電流產生的涌流對電路造成的影響很大，尤其是一些敏感線路，各線路產生的電磁場會在敏感電路中產生電流，降低了整個系統的運行質量[1]。另外這類涌流通常伴隨著系統中產生過電壓和過電流，對整個電子系統造成過大影響，嚴重時甚至會擊穿電路系統中的一些精密電子器件，導致整個系統無法運行。1.2電路過壓。在電源接口的運行中，當電子系統運行穩定性不足時，會產生電路過壓問題，該問題發生后，容易擊穿電子系統中的電子器件，導致車輛的電子系統無法運行。另外在車輛啟動后，發電機成為主要供電設備，發電機產生交變電流，容易對電子線路中的其余系統造成影響。由于發電機運行后產生的電壓高于蓄電池，會產生過電壓問題。車輛運行中的供電系統原理圖如圖1。從中可以看出，在發電機運行后，產生的電流容易對蓄電池和起重機造成影響，產生的過電壓會降低蓄電池的運行壽命。1.3電池反向電流。從上文中可以發現，在汽車的運行中，主要以發電機為汽車的電源，當發電機產生的電壓過大時，會在電路中產生電池反向電流，雖然蓄電池在運行中能夠發揮一定的電容作用，并依托發電機充電，但是當反向電流過大時，會導致整個電路的運行效率下降。另外在當前的汽車中，起動機的額定電壓較小，與蓄電池的工作電壓相同，當出現電池反向電流現象時，通常意味著發電機的電壓高于蓄電池電壓，容易導致起動機損壞，導致車輛無法啟動。

2汽車電子中的電源接口防護電路設計方法

2.1無源防護電路。無源防護電路的設計思想為，建成集合了電容、電感和電阻的電路系統，在該系統的運行中，各個電子器件發揮應有作用。電感器設置在電路的干路上，這種設計方法能夠消除交變電流對電源接口的影響，電容位于電路的中間連接區域，當電路中的電壓過大時，電容會充能，起到穩定電路電壓的作用，另外在零線與火線之間，也設置了一個二極管，作用為保持電流的單向輸入和輸出。在電路的火線上設置保險絲，當電路中的電流過大，會對其余構件造成嚴重損壞時，保險絲熔斷，防止電子系統遭受到大規模破壞。這種保護電路的優勢在于，有更低的生產成本，并且維修較為簡單，但是也存在明顯的缺點，表現為，在車輛的長期運行后，電容器的運行質量會下降，無法發揮應有的功能，導致對電子系統內的防護效果下降，另外應用保險絲的方式完成電路保護工作，保險絲熔斷時，車輛無法正常啟動。2.2有源防護電路。在當前的汽車工業中，已經廣泛應用有源防護電路實現電源接口保護，這種電路通常應用于敏感電路保護系統。有源在車輛運行中，由發電機供電，產生的電壓為12V，而蓄電池的電壓為6V，從供電設備上來看，發電機對敏感電路的影響更大，所以需要借助有源防護電路提高相應的保護功能。本文提出的方法為，使用LT1641提供針對敏感電路的附加保護，在該設備的應用中，在3種運行狀態下發揮作用，首先為發電機電能產生量較少的狀態，這種情況下發電機的電壓小于12V，而當電壓小于9V時，車輛上電氣設備開啟后，容易導致車輛無法正常運行，所以LT1641的一個重要工作內容為，分析和記錄發電機產生的電壓，并與控制器中的數據比較，確定是否發出電量不足警示信息，讓駕駛員關閉電氣設備[2]。其次為發揮系統的軟啟動功能，在電氣設備開啟以及車輛啟動中，為讓整個系統正常運行，LT1641控制相關設備的電壓緩慢上升，同時有該設備檢測電力系統運行中的其余參數，當發現電壓下降明顯時，通過對電路開關的控制，讓蓄電池參與電氣設備的供電過程。最后為保護主線路保險絲作用，雖然保險絲的最重要作用為保障電路的安全運行，但是電路運行中產生的常見干擾，也容易導致保險絲熔斷。在發生電路故障時，構件中的斷路器與一定頻率嘗試重連，當多次重連失敗后，意味著電路系統的故障無法自我消除，此時熔斷保險絲。而該設備的運行中，需要設置保險絲熔斷電壓和電氣設備隔離電壓，通常情況下，熔斷電壓為24V，電氣設備的隔離電壓為9V，當發現瞬態過壓電流時，斷路器斷開電路，經過1~2s后重連，同時LT1641中設置的時間記錄構件運行，記錄電路系統的重連時間，斷了預期多次重來失敗后，可以確定電子系統中發生的故障為長期存在的故障，通過電路開關將電流引入保險絲上。2.3電池反向保護。在電池反向保護中，需要防止電子系統中產生的過大電流對控制器造成影響，對于這一保護方法，可以應用的方法為，在保護電路中設置P-N二極管，可以有效防止產生的反向電壓進入到其余各類線路中。在電極管的設置中，要分析控制芯片的電流輸入與輸出方向，通常在電流輸出端設置二極管即可滿足防護要求，當前的一些車輛中會在輸入和輸出端同時設置二極管。另外在一些車輛系統中，對于一些要求二極管運行中不產生功耗的器件來說，需要設置一個額外電路，實現無功或有功補償，本文提出的電路設計方案如圖2。在電路正常運行的情況下，電路中的二極管正向偏置，將電路中產生的功率傳輸到LT1641中，之后二極管的Q2柵極驅動，整個電路完全接通。當產生電池反向電壓后，Q3的電平低于地電平，拉低了Q2端的電平，在這種狀態先，Q2端處于斷開狀態，將反向的輸入隔離，電子系統中產生的反向輸入不能進入到LT1641控制器中。2.4電壓限幅器。在當前的汽車中，車輛的運行電壓普遍不高于25V，為了能夠保證車輛和所有電氣設備的正常穩定運行，需要設置電壓限幅器，常見的這類構件有LT1616，但是從最終的應用效果上來看，這種控制器不適合應用于汽車中，原因在于這種限幅器運行效率較低，故而要設計其余類型的控制器[3]。通過對當前各類電壓限幅器性能和應用原理的了解，本文設計了一種基于兩個電壓限幅器融合的新型限幅器，采用的限幅器為LDO穩壓器和LT3012B/LT3013B融合的構件，以實現對電壓的精確控制。在該系統中，LT3013B具備很寬的電壓輸入區域，電壓域達到4~80V，同時該構件中也加入了電池反向保護系統，在具體的應用中，無需設置額外的電池反向保護電路。在電路的正常運行狀態下，LDO穩壓器的運行狀態等價于VOUT/VIN,當系統電路系統的運行電壓較低時，LDO穩壓器的運行效率大幅下降，研究結果表明，當系統的運行電壓從12V降低到3.3V時，LDO系統的運行效率降低到28%。當LDO穩壓器和LT3013B連接時，能夠有效規避這一問題，原因在于，LT3013B在低壓狀態下有更高的運行效率，這種方式能夠補足LDO穩壓器中存在的問題。在車輛的電路系統的運行中，當構件的輸入端電壓高于24V時，在LT3013B的作用下，能夠將輸出電壓調整為24V。在常見的12V電路系統中，LT3013B的工作效率達到80%，其中LDO在該電壓先也有很高的運行效率，所以可以最終的輸出電壓能夠滿足汽車的正常穩定運行要求。

3結論

綜上所述，在汽車電子中的電源接口系統中，常見的干擾類型為電流涌流、電壓的過壓干擾和電池反向干擾，為消除這些干擾因素，保證電子系統正常穩定運行，基礎思路為設置無源調節信號，但是該系統存在重大缺陷，在當前的車輛工程中，保護電路的設置方法為設置有源保護電路、電壓限幅器、電池反向保護裝置等措施達成目的，確保電路系統的正常穩定運行。

參考文獻：

[1]王祥楚.汽車電子中的電源接口防護電路設計分析[J].中國新技術新產品，2019（01）：84-85.

[2]石紹輝.基于CAN總線的汽車遠程啟動及輔助系統的研制[D].重慶大學，2017.

[3]張娜.汽車電子控制器開發裝置主控制器模塊研究[D].重慶交通大學，2014.

作者:卞俊 單位:同濟大學