一種商用車(chē)儀表干擾保護(hù)電路與設(shè)計(jì)方法

程春林 周斌 李文 董琦飛

程春林

畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)，現(xiàn)就職于東風(fēng)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有限公司，任技術(shù)中心電子商品開(kāi)發(fā)部主任工程師，主要研究方向?yàn)槠?chē)電子電路可靠性分析與設(shè)計(jì)。已發(fā)表論文2篇。

摘要：本文針對(duì)一款商用車(chē)彩屏儀表系統(tǒng)電源電路的設(shè)計(jì)，為提升儀表抗干擾能力，抑制整車(chē)拋負(fù)載電壓對(duì)儀表的沖擊，從電源主芯片、TVS管選型等方面對(duì)方案的可行性進(jìn)行分析，通過(guò)IS0 16750-2：2012沿電源線傳導(dǎo)抗干擾Sa波形的實(shí)驗(yàn)對(duì)該方案進(jìn)行了驗(yàn)證，并給出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)及儀表批量應(yīng)用三包結(jié)果證明，按該方法設(shè)計(jì)的儀表電源電路指標(biāo)滿足主機(jī)和國(guó)標(biāo)實(shí)驗(yàn)要求，滿足車(chē)輛安全行駛的需要且具有良好的電磁兼容性，對(duì)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型汽車(chē)儀表拋負(fù)載瞬變電壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)、改進(jìn)和升級(jí)具有一定的指導(dǎo)和參考意義。

關(guān)鍵詞：儀表;電路設(shè)計(jì);拋負(fù)載;電磁兼容性

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

儀表是汽車(chē)的主要顯示界面，其功能是為用戶(hù)提供實(shí)時(shí)的燃油、車(chē)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫等車(chē)輛信息顯示，以及防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ Anti-IockBrake System，ABS）、電子制動(dòng)力分配系統(tǒng)（ Electronic Brake Force Distribution， EBD）等報(bào)警燈的顯示。當(dāng)車(chē)輛行駛過(guò)程中，儀表系統(tǒng)應(yīng)該正常工作，并具有抵抗各種電磁騷擾的能力[1]。

據(jù)汽車(chē)電路保護(hù)專(zhuān)家Littelfuse公司的高級(jí)工程師戴泰初介紹，在汽車(chē)系統(tǒng)中，在各種汽車(chē)控制系統(tǒng)（如ABS、Airbag等）與發(fā)電機(jī)之間，會(huì)有一個(gè)蓄電池。正常情況下發(fā)電機(jī)給蓄電池充電，但是當(dāng)線束老化或者解除不良時(shí)，就會(huì)碰到電池與電路斷開(kāi)的情況（如圖1紅框內(nèi)所示），這時(shí)候發(fā)電機(jī)就會(huì)給終端產(chǎn)生一個(gè)浪涌電壓，由于這個(gè)浪涌電壓的電壓非常高，持續(xù)時(shí)間非常長(zhǎng)，就會(huì)對(duì)終端的各個(gè)電子控制單元造成很大的損壞，這種情況就稱(chēng)為拋負(fù)載。典型的干擾來(lái)自發(fā)電機(jī)[2]，突然切斷正在運(yùn)行的發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)就會(huì)出現(xiàn)浪涌電壓[3]，目前廣泛采用的拋負(fù)載瞬變電壓保護(hù)措施是用TVS管進(jìn)行鉗位，使后端電路電壓在TVS擊穿后電壓不再上升，防止端口瞬間的電壓沖擊造成后級(jí)電路的損壞，因此其在電路中具有極其重要的地位[4]。但是，針對(duì)TVS的選型過(guò)程，很多廠家都是直接給推薦電路，直接告訴設(shè)計(jì)者答案選擇哪個(gè)器件，卻很少對(duì)選型過(guò)程提供理論計(jì)算，本文以一種商用車(chē)儀表電源電路為研究對(duì)象，介紹一種TVS防浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)方法與電路，通過(guò)文獻(xiàn)[5]提供的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)該方案進(jìn)行了驗(yàn)證，并給出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)幾年組合儀表批量裝車(chē)的應(yīng)用證明，按該方法設(shè)計(jì)的儀表防浪涌電源電路指標(biāo)滿足主機(jī)和國(guó)標(biāo)實(shí)驗(yàn)要求，滿足車(chē)輛安全行駛的需要且具有良好的防浪涌性能。

2 TVS工作原理

TVS（ Transient Voltage Suppressors），即瞬態(tài)電壓抑制器，又稱(chēng)雪崩擊穿二極管。它是采用半導(dǎo)體工藝制成的單個(gè)PN結(jié)或多個(gè)PN結(jié)集成的器件。TVS有單向與雙向之分，單向TVS -般應(yīng)用于直流供電電路，雙向TVS應(yīng)用于電壓交變的電路。如圖2所示，應(yīng)用于直流電路時(shí)單向TVS反向并聯(lián)于電路中，當(dāng)電路正常工作時(shí)，TVS處于截止?fàn)顟B(tài)（高阻態(tài)），不影響電路正常工作。當(dāng)電路出現(xiàn)異常過(guò)電壓并達(dá)到TVS（雪崩）擊穿電壓時(shí)，TVS迅速由高電阻狀態(tài)突變?yōu)榈碗娮锠顟B(tài)，泄放由異常過(guò)電壓導(dǎo)致的瞬時(shí)過(guò)電流到地，同時(shí)把異常過(guò)電壓鉗制在較低的水平，從而保護(hù)后級(jí)電路免遭異常過(guò)電壓的損壞。當(dāng)異常過(guò)電壓消失后，TVS阻值又恢復(fù)為高阻態(tài)。

3 保護(hù)電路及設(shè)計(jì)

電壓及電流的瞬態(tài)干擾是造成車(chē)輛電子電路損壞的主要原因，常給人們帶來(lái)無(wú)法估量的損失。這些干擾通常來(lái)自于繼電器起停操作、電壓波動(dòng)、雷電干擾及靜電放電等。拋負(fù)載試驗(yàn)中產(chǎn)生的瞬變電壓主要產(chǎn)生于交流發(fā)電機(jī)，包括①負(fù)載突然斷開(kāi)（負(fù)載單拋）②蓄電池突然斷開(kāi)（蓄電池單拋）③負(fù)載、蓄電池同時(shí)斷開(kāi)（雙拋）④調(diào)節(jié)器失效。另外還有點(diǎn)火開(kāi)關(guān)斷開(kāi)、電線互耦等也會(huì)產(chǎn)生瞬變電壓。常見(jiàn)典型瞬態(tài)脈沖見(jiàn)表1（汽車(chē)EMC之7637-2拋負(fù)載脈沖試驗(yàn)解析作者：雷卯、胡光亮）。

3.1 電源主電路

儀表電源電路是儀表電路安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，電源電路必須滿足整個(gè)儀表工作需求，本文采用的儀表電源浪涌保護(hù)電路見(jiàn)圖2，5V電源主電路見(jiàn)圖3。

蓄電池電源+經(jīng)過(guò)浪涌保護(hù)TVS管DL3及濾波電路后進(jìn)入5V電源主電路輸入腳2腳，為整個(gè)儀表提供工作電壓。

電源主芯片采用TPS54360，主要參數(shù)如下：

（1）工作電壓范圍4.5V - 60V，最大輸入電壓65V;

（2）關(guān)斷電流luA;

（3） lOOkHz - 2.5MHz工作頻率。

3.2 TVS型號(hào)的選取原則

工欲善其事，必先利其器，要用好TVS，必須先了解其關(guān)鍵的參數(shù)，見(jiàn)圖5：

3.2.1 rwm截止電壓

TVS的最高工作電壓，可連續(xù)施加而不引起TVS劣化或損壞的最高工作峰值電壓或直流峰值電壓。對(duì)于交流電壓，用最高工作電壓有效值表示，在Vnam下，TVS認(rèn)為是不工作的，即是不導(dǎo)通的。

3.2.2 I漏電流

漏電流，也稱(chēng)待機(jī)電流。在規(guī)定溫度和最高工作電壓條件下，流過(guò)TVS的最大電流。TVS的漏電流一般是在截止電壓下測(cè)量，對(duì)于某一型號(hào)TVS，R應(yīng)在規(guī)定值范圍內(nèi)。對(duì)TVS兩端施加電壓值為Vrwm，從電流表中讀出的電流值即為T(mén)VS的漏電流Ir。對(duì)于同功率、同電壓的TVS，在Vrwm≤10 V時(shí)，雙向TVS漏電流是單向TVS漏電流的2倍。對(duì)于一些模擬端口，漏電流會(huì)影響AD的采樣值，所以TVS的漏電流越小越好。

3.2.3 VBR擊穿電壓

擊穿電壓，指在V-I特性曲線上，在規(guī)定的脈沖直流電流I或接近發(fā)生雪崩的電流條件下測(cè)得TVS兩端的電壓。測(cè)試的電流I一般選取lOmA左右，施加的電流的時(shí)間不應(yīng)超過(guò)400ms，以免損壞器件，VBRMIN和VBRMAX是TVS擊穿電壓的一個(gè)偏差，一般TVS為±5%的偏差。測(cè)量時(shí)，VBR落在VBRMIN和VBRMAX之間視為合格品。

3.2.4 IPP峰值脈沖電流，Vc鉗位電壓

IPP峰值脈沖電流，給定脈沖電流波形的峰值。TVS一般選用10/lOOOus電流波形。Vc鉗位電壓，施加規(guī)定波形的峰值脈沖電流Ipp時(shí)，TVS兩端測(cè)得的峰值電壓。IPP及Vc是衡量TVS在電路保護(hù)中抵抗浪涌脈沖電流及限制電壓能力的參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)是相互聯(lián)系的。對(duì)于相同型號(hào)TVS，在相同Ipp下的Vc越小，說(shuō)明TVS的鉗位特性越好。TVS的耐脈沖電流沖擊能力可以參考Ipp，同型號(hào)的TVS，Ipp越大，耐脈沖電流沖擊能力越強(qiáng)。

3.2.5結(jié)電容Ci，漏電流Ii

結(jié)電容是TVS中的寄生電容，在高速10端口保護(hù)需要重點(diǎn)關(guān)注，過(guò)大的結(jié)電容可能會(huì)影響信號(hào)的質(zhì)量。漏電流主要帶來(lái)了功率的損耗，或者是在模擬信號(hào)中，會(huì)影響AD信號(hào)的采樣值。

選擇TVS之前，我們首先要確定目標(biāo)：

·電壓合適，能保護(hù)后級(jí)電路;

·引入的TVS的結(jié)電容不能影響電路;

·TVS功率余量充足，滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，且不能比保險(xiǎn)管先損壞。

選型的過(guò)程可以按照以下的步驟進(jìn)行：

·選擇TVS最高工作電壓Vrwm;

·選擇TVS鉗位電壓Vc;

·選擇TVS的功率;

·評(píng)估漏電流It的影響;

·評(píng)估結(jié)電容的影響;

選擇TVS最高工作電壓Vnam;

在電路正常工作情況下，TVS應(yīng)該是不工作的，即處于截止?fàn)顟B(tài)，所以TVS的截止電壓應(yīng)大于被保護(hù)電路的最高工作電壓。才能保證TVS管不被頻繁擊穿從而影響其壽命。但是TVS的擊穿電壓高低也決定了TVS鉗位電壓的高低，在截止電壓大于線路正常工作電壓的情況下，TVS工作電壓也不能選取的過(guò)高，如果太高，鉗位電壓也會(huì)較高，所以在選擇Vrwm時(shí)，要綜合考慮被保護(hù)電路的工作電壓及后級(jí)電路的承受能力。要求Vrwm要大于工作電壓，否則工作電壓大于Vrwm會(huì)導(dǎo)致TVS反向漏電流增大，接近導(dǎo)通，或者雪崩擊穿，影響正常電路工作。綜合考慮，Vrwm可以參考以下的公式：

Vrwm=I.I - 1.2×Vcc

（1）

其中Vcc為電路的最高工作電壓。

選擇TVS鉗位電壓Vc;

TVS鉗位電壓應(yīng)小于后級(jí)被保護(hù)電路最大可承受的瞬態(tài)安全電壓，Vc與TVS的雪崩擊穿電壓及Ipp成正比。對(duì)于同一功率等級(jí)的TVS，其擊穿電壓越高V，也越高，所選TVS的最大箝位電壓V，不能大于被防護(hù)電路可以承受的最大電壓。否則，當(dāng)TVS鉗在Vc時(shí)會(huì)對(duì)電路造成損壞。

Vc可以參考以下的公式：

Vc

其中Vmax為電路能承受的最高電壓;

TVS產(chǎn)品的額定瞬態(tài)功率應(yīng)大于電路中可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率，理論上，TVS的功率越大越好，能夠承受更多的沖擊能量和次數(shù)，但是功率越高，TVS的封裝越大，價(jià)錢(qián)也越高，所以，TVS的功率滿足要求即可。對(duì)于不同功率等級(jí)的TVS，相同電壓規(guī)格的TVS其Vc值是一樣的，只是Ipp不同。

Ipp可以通過(guò)以下公式算出：

Ipp=Vin÷R.

（2）

Vin——最大輸入電壓;

Ri——線路阻抗;

根據(jù)所選的TVS的結(jié)電容和漏電流評(píng)估影響，如果TVS用在高速10端口防護(hù)、模擬信號(hào)采樣、低功耗設(shè)備場(chǎng)合，就需要考慮結(jié)電容和漏電流的影響，兩者的參數(shù)越小越好。

TVS_極管產(chǎn)品的額定瞬態(tài)功率應(yīng)大于電路中可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率，具體可以參照如下算法。TVS管的額定功率記為Pppm，則Pppm的功率可以估算為：

Ppp=Vc×Ipp

（3）

對(duì)于圖3、圖4電路，假設(shè)我們需要通過(guò)Us=174V，Ri=2 的實(shí)驗(yàn)要求，測(cè)試波形及參數(shù)分別見(jiàn)圖6、表2。

3.3 電路參數(shù)的確定

根據(jù)3.2的選型步驟進(jìn)行TVS的選型及電路參數(shù)的確定。

Vrwm的確定：

該儀表工作電壓范圍為18V - 32V，根據(jù)

Vrwm=1.1 - 1.2×Vcc

（4）

Vrwm=1.1 - 1.2×32=35.2V - 38.4V

（5）

通過(guò)查詢(xún)產(chǎn)品手冊(cè)，確定Vrwm為36V。

Vc的確定：

根據(jù)3.1中圖3主電源原理圖可知最大工作電壓60V，Vc需要小于60V。通過(guò)查詢(xún)產(chǎn)品手冊(cè)，Vrwm、為36V的TVS管Vc為58.IV，符合使用要求，確定Vc為58.1V。

TVS功率的確定：

估算該電路最大測(cè)試電流，可按Ipp=Vin÷Ri進(jìn)行，試驗(yàn)電壓27V，即：

IPP=（ 174+27-58.1）÷2=71.45A，

因此，該Tvs的最大電流IPP必須大于71.45A。根據(jù)以上計(jì)算得出的數(shù)據(jù)計(jì)算，Pppm=Vc×Ipp=58.1×71.45= 4151.2W。據(jù)此，可以初步確定使用5kW以上TVS管。

通過(guò)查詢(xún)TVS管數(shù)據(jù)使用手冊(cè)可以看到，滿足使用要求的有SM5S36A、SM6S36A、SM8S36A，分別見(jiàn)圖7、圖8、圖9。

由于實(shí)驗(yàn)波形與測(cè)試波形不一致，需要考慮TVS管功率衰減問(wèn)題，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)可以看到，在經(jīng)過(guò)lOms后，Pppm分別衰減到2800W、3600W、5200W，見(jiàn)圖10、圖11、圖12。

按圖6實(shí)驗(yàn)要求，lOms后實(shí)驗(yàn)波形達(dá)到最大值，這時(shí)要求功率要大于4000W，通過(guò)比較可以看到只有SM8S36A滿足條件。

3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度22.6℃下，供電系統(tǒng)為27V，輸入pulse 5a脈沖頻率波形，檢測(cè)樣品電源線瞬時(shí)干擾抗性的能力。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖13所示，實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4。

4 總結(jié)

本文通過(guò)IS0 16750-2-2012 pulse 5a實(shí)驗(yàn)對(duì)商用車(chē)儀表抗浪涌性能進(jìn)行檢測(cè)，得出以下結(jié)論：

（1）按照此方法選擇的TVS器件可以順利通過(guò)IS0 16750-2 pulse Sa的測(cè)試，驗(yàn)證了該方法的正確性、有效性。

（2）按照該方法篩選掉的TVS器件，通過(guò)試驗(yàn)證明確實(shí)無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)要求，說(shuō)明該方法可以排除不符合使用要求的TVS。

（3）通過(guò)比較測(cè)試，證明該方法可較為全面的實(shí)現(xiàn)對(duì)商用車(chē)IS0 16750-2 pulse Sa波形抗浪涌TVS器件的選型，對(duì)不同型號(hào)、不同種類(lèi)的汽車(chē)儀表選擇TVS抗浪涌都具有一定的指導(dǎo)意義。

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[2]趙志剛.秦隨江.車(chē)用發(fā)電機(jī)拋負(fù)載的保護(hù)設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)電器，2013（ 10）：5-6.

[3]陳樂(lè)娟，朱杰，錢(qián)振宇，汽車(chē)電子電器設(shè)備的瞬態(tài)傳導(dǎo)騷擾和抗擾度試驗(yàn)一對(duì)IS07637-2- 2004標(biāo)準(zhǔn)的理解[J].低壓電器，2007（ 13）：55-62.

[4]陳樂(lè)娟，朱杰，錢(qián)振宇，汽車(chē)電子電器設(shè)備的瞬態(tài)傳導(dǎo)騷擾和抗擾度試驗(yàn)一對(duì)IS07637-2_ 2004標(biāo)準(zhǔn)的理解[J].低壓電器，2007（ 13）：55-62.

[5]IS0 16750-2-2012道路車(chē)輛電氣和電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn).第2部分：電氣負(fù)荷4.6.4.2.2

專(zhuān)家推薦語(yǔ)

黃玉華

東風(fēng)汽車(chē)集團(tuán)有限公司技術(shù)中心

研究員級(jí)高級(jí)工程師

本文對(duì)一款組合儀表電源回路沖擊電壓干擾保護(hù)電路的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了介紹，總體邏輯比較清晰，所述內(nèi)容具有一定的實(shí)用性，可以為讀者提供一定的參考信息。