ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＷＯＲＬＤ・探素与观察 一种汽车ＥＣＵ电源系统保护的设计 广州中海达卫星导航技术股份有限公司研发部 陈伟宾显文李青睿 【摘要】本电源保护电路用于车栽电子设备，特别是汽车的电子控制单元（ＥＣＵ）。有效的抵御车载设备上出现的电压跌落、抛负 载浪涌、输入电源反接、过压、过流、噪声干扰等恶劣情况。实际测试表明，该电路通过保护后级的电路和设备，提高了ＥＣＵｇ统 的可靠性。该技术属于汽车电子领域，特别是车载电子设备电源保护技术。 【关键词】ＥＣＵ；电源保护；欠压保护；过流保护 汽车电子设计中主要挑战是保护汽车电子设备免受破坏性的 浪涌、电压瞬变、ＥＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏ．Ｓｔａｔｉｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）及电源线噪声的损 害。汽车上通常有两个供电电源，一是蓄电池，电压一般为１２Ｖ 或２４Ｖ，二是发电机。由于汽车上的供电设备多，用电负载复 杂，使得汽车电源非常不稳定。在抛负载的情况下，汽车电源会 出现高达１００Ｖ的高压脉冲。对车载电子设备形成非常大的危害。 目前现有的保护电路中有以下缺点： （１）反接保护采用一个 肖特基二极管实现存在功耗大的问题。（２）过流保护电路采用可 恢复保险丝来实现，导致电路动作缓慢。 （３）过压保护电路采用 分立元件组成的电路实现，具有精度低，电路复杂等缺点。 本电路针对汽车复杂的电源状况进行保护。能够抵御电 源中出现的高浪涌电压冲击，防止由于人为失误造成的反接损 坏，滤除从电 源上引入／输出的ＥＭＣ噪声干扰，对蓄电池进 行欠压保护，并为后级电路进行精确的过压和过流保护， 防止由于后级电路出现故障时将故障范围扩大避免电路起火引 起事故。 １方案设计 本电源保护电路可分为初级和次级。初级电路有抛负载保 护电路、防反接保护电路、ＥＭＣ滤波电路。次级电路有电压纹 波滤波电路，欠压、过压、过流保护电路。其框图如图１所示。 —— ｌ抛负载Ｕ防硬接Ｕ ＥＭＣ Ｌ一 去后级ｒ 电路； ・・—＿一 图１保护电路原理框图 电源输入首先经过抛负载保护电路，将电源的瞬时高压吸 收。接着经过防反接电路，防止反接时电流流过后面的电路。 然后进入ＥＭＣ滤波电路，将电路的高频噪声滤除。接下来进入 到次级保护，首先是大容量电压滤波电路，目的是防止电源电 压瞬间跌落，起到稳定输入电压的作用。接着进入到由集成电 路和分立元件组成的欠压、过压、过流保护电路，这个保护电 路具有保护蓄电池过放电同时保护后面电路过流过压损坏。最 后再经过电压纹波滤波电路输出到后级的电路，后级的电路将 得到一个干净的、稳定的、没有浪涌和电压瞬变的电源。 ・８６・ 电子穗｝再 ２硬件电路设计 详细的电路图如图２所示。 … …＿＿ｒ—麦赫 ～ 一 赫 一 本ｍ ￡ Ｄ１ Ｆ１ ｎ ｌ ’ 睾Ｒ １、７ ｉ。ＮＤ ７ 电驻 欠琏啦ｃ压Ｈ生漉保护 电蕊 滤波 一 ． 一ｎ ‘ 滤波 —１ ａＩ ｍ 群； ｝＿ｌ 羊 （：ｌ ｛。 ．图２保护电路整体原理图 ２．１抛负载保护电路 在发电机向汽车提供电源的时候，如果蓄电池因为某种原 因（如振动）突然断开，会产生非常严重的浪涌电流和高压脉 冲，这种情况被称为“抛负载”。 抛负载保护由Ｆ１、Ｄ１、Ｄ２组成。Ｄｌ正极与Ｄ２正极背靠背 连接，正常情况下Ｄ１处于反向偏置，Ｄ２处于正向偏置。Ｆ１是可 恢复保险器，它是一种正温度系数热敏电阻。当有电流流过时 会产生热量，当它的温度上升到一定程度时其电阻迅速增加从 而限制电流增长，使通过它的电流保持在一定范围内，当电流 减小时它的温度下降，电阻又恢复到正常状态。可恢复保险器 起到限制电流作用而又不需要维护或更换。 Ｄｌ是瞬态电压抑制二极管，简称ＴＶＳ（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｕｐｐｅｒｅｓｓｏｒ）。当它两端的电压大于其击穿电压时迅速导通，将 其两端的电压箝位在一定范围内。它可以在短时间内通过非常 大的电流，瞬时功率达到几千瓦。图２采用汽车电子抛负载保护 专用ＴＶＳ，它能够符合国际标准ＩＳＯ７６３７．２的测试条件。可以有 效的吸收抛负载时出现的瞬间高压脉冲。 当电源输入端出现大于Ｄ１击穿电压的高压时，Ｄ１迅速导通 将其两端的电压限制在箝位电压内。由于Ｄ２处于正向偏置，这 时将会有非常大的电流流ｊｊ １、Ｄ１、Ｄ２。Ｆ１温度骤增使其处于 高阻保护状态，使流过Ｆｌ上的电流减小。从而进一步的保护了 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＷＯＲＬＤ・攘察与鼋ｌ｝寡 Ｄ１、Ｄ２，避免Ｄ１、Ｄ２因为长时间流过较大的电流而损坏。瞬 间高压脉冲和浪涌电流主要被Ｆｌ和Ｄ１吸收，以热量的形式散发 Ｉｌｉｍ＝ （Ａ） （２） 掉。Ｄ２的作用是防止电源输入反接时有较大电流流过Ｄ１和Ｆｌ。 当电源输入反接时，Ｄ２处于反偏置状态，因此电流不能流过 Ｄ２。Ｄ２可以采用肖特基二极管，它的最大反向耐压必须大于电 路的最大瞬间电压，而且它的最大峰值电流也必须大于等于Ｄ１ Ｒ４采用高精度电阻，如１％或更高精度。由于单个电阻的功率 有限，根据最大电流大小，Ｒ４可以用Ｎ个相同的电阻并联使用， 以提高最大通流能力。过压保护电路的保护电压要大于抛负载保 护电压的保护电压，而且要小于后级电路的最大输入极限电压。 Ｒ５、Ｒ６是过压采样电阻，输出电压由Ｒ５和Ｒ６分压后输入 ￣０ＩＣ１的１脚。当ＩＣ１的１脚电压达到１．２５Ｖ时ＩＣＩ将Ｑ２关闭。过压 保护阀值Ｖｌｉｍ由下式确定： 的最大反向峰值电流。Ｄ２也可以选择与Ｄｌ一样。只是成本更 高。抛负载保护电路的保护电压要大于后级电路正常最大工作 电压，但要小于过压保护电路的保护电压。 ２．２反接保护电路 反接保护由Ｑ１、Ｄ３、Ｒ１组成。Ｑ１是Ｐ沟道增强型大功率 ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）管，它的作用是导通和关闭电 流。Ｄ３是齐纳二极管，又称稳压二极管，它的作用是限ｆ￣ｔＪＱ１的 栅极（Ｇ）和源极（Ｓ）之间的电压Ｖｇｓ，防３Ｊ￣Ｖｇｓ过大使Ｑ１击 Ｖｌｌｍ乩２５ｘ（１＋ （、，） （３） Ｒ５和Ｒ６选用高精度的电阻器，如１％或更高精度。 Ｃ５是定时电容，当出现过压或者过流情况时，ＩＣ１的１Ｏ脚 输出一个电流对Ｃ５进行充电，并且ＩＣ１会根据过压或者过流的 大小程度调节充电电流的大小。当过压越高或者过流越大充电 电流就越大。其目的是当出现严重过压或者过流时更快速把Ｑ２ 关闭。当Ｃ５上的电压达到１．３５Ｖ时ＩＣ１将Ｑ２关闭，达到过压和过 流保护的目的。Ｃ５的目的是消除一些误动作，只有当过压或者 过流情况持续一定时间后才开始动作保护。 第二级电压滤波电路包括Ｃ５、Ｃ６。Ｃ５采用大容量并且串 联等效电阻ＥＳＲ和串联等效电感ＥＳＬ更小的电容。例如但不限 于大容量陶瓷电容，其串联等效电感ＥｓＬ低且浪涌电流大，能 够快速的响应后级电路快速的大电流需求。Ｃ６为小容量陶瓷电 容，它的响应速度Ｌ￣，ｃ６更快，所以它能够响应速度更快的电流 需求。Ｃ５、Ｃ６的目的都是为平滑输出电压减小电压纹波，为后 级电路提供一个较宽带宽的低阻抗电源回路。 本电路从实际工程应用点出发，经过成品测试达到了以下效 穿。因此Ｄ３的稳压值必须小于０１的最大栅源极电压Ｖｇｓｓ。ＲＩ 是Ｄ３的限流电阻同时也是Ｑ１的栅极偏置电阻。电源输入极性正 常情况下，Ｑ１栅源极电压．Ｖｚｄ３主Ｖｇｓ＜Ｖｔｈ（Ｖｚｄ３为Ｄ３反向击 穿电压，Ｖｔｈ是Ｑ１的栅极开启电压为负值），Ｑ１导通使电流流过 Ｑ１漏极（Ｄ）和源极（Ｓ）到后面的电路。当电源输入反接时 Ｖｇｓ＝Ｖｆｄ３（Ｖｆｄ３为Ｄ３正向导通电压）且Ｖｇｓ Ｖｔｈ，此时ＱＩ截 止，电流不能通过Ｏ１漏极（Ｄ）和源极（Ｓ），后面的电路无法 得电从而受到保护。Ｏｌ应该选择导通电阻尽量小的器件。该反 接保护电路具有通流能力大、导通电阻小、功耗低等优点。 ２．３ ＥＭＣ滤波电路 ＥＭＣ滤波电路包括ＣＩ、Ｃ２、Ｌ１。Ｃ１、Ｃ２是高频小容量电 容，Ｌ１是共模电感，也叫共模扼流圈，用于电源线或者信号线 中过滤共模电磁干扰信号。Ｃ１、Ｃ２主要是针对电源中的高频差 模干扰信号。Ｃ１、Ｃ２、Ｌ１组成的滤波电路将电源进来的高频共 模、差模干扰信号滤除，同时也防止设备自身产生的干扰信号 通过电源线出去。让干扰信号既不能进来也不能出去。 第一级电压滤波电路包括Ｃ３、Ｃ４。Ｃ３采用大容量电容，例 如但不限于铝电解电容，Ｃ４为小容量高频电容。Ｃ３主要作用是 果： （１）符合国际ＩＳＯ．７６３７．２Ｎ试标准的抛负载保护，使设备能 通过国际认证测试。（２）反接保护电路防止输入电源反接造成设 备损坏，提高可靠性。 （３）非常精准的过压保护防止后级电路被 过高的输入电压损坏。 （４）非常精准的过流保护防止后级电路出 现短路故障时故障进一步扩大并引起火灾事故。（５）具有欠压保 护，防止蓄电池过度放电使蓄电池的寿命得到保护。（６）具有共 模滤波和差模滤波，对线路的ＥＭＣ干扰噪声进行滤除，为设备提 供更干净的电源。（７）两级电压滤波电路为后级电路提供更稳定 储能滤波、平滑输入电压减小电压跌落。汽车电源电压非常不 稳定，当有大功率负载启动时电压波动较大，特别是汽车启动 时蓄电池电压会有很大跌落。Ｃ３的作用就是稳定输入电压，减 小输入电压的波动。Ｃ４的作用是滤掉电源上的高频噪声。它针 对的是比ＥＭｃ滤波电路滤除的频率更低的高频噪声。 ２．４欠压、过压、过流保护电路 的电压，提高设备的适应能力和可靠性。 参考文献 ［１］Ｃａｔｓｏｕｌｉｓ，Ｊ．Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｈａｒｄｗａｒｅ［Ｍ】．ｓｅｃｏｎｄ ｅｄｉｔｉｏｎ．０’ＫｅｉＵｙ ＭｅｄｉａＩｎｃ，２００５． ，欠压、过压、过流保护电路包括ＩＣ１、Ｏ２、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、 Ｒ５、Ｒ６、Ｃ５。其中，ＩＣ１是专用的欠压、过压、过流保护集成 电路芯片。Ｑ２是电源调整管，它是Ｎ沟道增强型ＭＯＳ管。Ｏ２受 ＩＣ１控制导通与关闭。Ｑ２的数量不限于１个，根据后级电路的电 流大小要求可以使用Ｎ个同样的ＭＯＳ管并联使用。Ｑ２采用导通 电阻（Ｒｄｓｏｎ）尽量小的器件，能够降低调整管的功耗。 Ｒ２、Ｒ３是欠压采样电阻，输入电压由Ｒ２、Ｒ３分压后输入 ￣ｔＪＩＣ１的６脚。欠压阀值ｖ１由Ｒ２和Ｒ３确定： ［２］麻有良＿汽车电器与电子控制系统【Ｍ】．机械工业出版社（第 ３版），２０１４． 、ｎ＝０．６ｘ（１＋渤０，３ （１） ［３］黄学军，孙成明，陈赋民等．ＴＰＭＳｉ￣车抛负载瞬态传导抗扰 －性试验和分析［Ｄ】．苏州：苏州泰思特电子科技有限公司，２０１０． ［４】邓海英，李翔晟．汽车发电机抛负载电压的分析与估算［Ｄ】． 长沙：中南林学院工业学院，２００５． 【５］成本权，蔡海翔．ＨＸＤ１Ｃ型机车蓄电池防反接充电的设计 改进【Ｄ］．株洲：南率株洲电力机车有限公司，２０１１． 『６］ＩＳＯ ７６３７－２适用于公里车辆——通过传导和耦合进行电 气干扰『ｓ１． 当输入电压低于欠压阀值Ｖｌ时，ＩＣ１将Ｑ２关闭，起到保护 蓄电池过放电的作用。Ｒ２和Ｒ３选用高精度的电阻器，如１％或 更高精度。 Ｒ４是过流采样电阻，当Ｒ４两端电压达到５０ｍｖ时ＩＣ１将Ｏ２ 关闭。过流保护阀值Ｉｌｉｍ由下式确定： 作者简介： 陈伟（１９８４～），男，中级工程师，主要研究方向：嵌入 式系统硬件电路设计、嵌入式系统解决方案设计等。 电子ｔ蟹，Ｉ ・８７・