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汽车电源

汽车电源设计原则

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大多数汽车电源架构需要遵循六项基本原则:
  1)输入电压范围VIN:12V电池电压的瞬间波动范围决定了电源转换IC的输入电压范围。ISO7637-1行业标准定义了汽车电池的电压波动范围。

   2)静态工作电流(IQ)及关断电流(ISD):随着汽车中电子控制单元(ECU)数量的快速增长,从汽车电池消耗的总电流也不断增长。即使当发动机工作并且电池电量耗尽时,有些ECU单元仍然保持工作。为了保证静态工作电流IQ在可控范围内,大多数OEM厂商开始对每个ECU的IQ加以限制。例如欧盟提出的要求是:100μA/ECU。
  3)散热考虑:散热需要根据DC-DC转换器的最低效率进行设计。
  精心设计的开关电源转换器的效率通常高于线性稳压器,较高的转换效率可以省去电源设计中的大尺寸散热片和大的封装外形。多数廉价的小尺寸裸焊盘封装即可在85℃时耗散2W功率,在125℃时耗散1W功率。20W以上的大功率设计对于热管理要求比较严格,需要采用同步整流架构。高效率的外部MOSFET控制器有助于改善电源的散热能力。
   4)成本控制:OEM厂商需要折中考虑模块成本、开发/认证成本、产品上市时间以及规格指标。在成本允许的前提下保证最优设计,电源部分的材料清单在成本上可能占据非常重要的地位。
  模块成本与PCB类型、散热片、器件布局及其设计因素有关。例如,用FR-4 4层板代替CM-3单层板对于PCB的散热会产生很大差异。
  5)位置/布局:在电源设计中PCB和元件布局会限制电源的整体性能。
  结构设计、电路板布局、噪声灵敏度、多层板的互连问题以及其它布板限制都会制约高芯片集成电源的设计。而利用负载点电源产生所有必要的电源也会导致高成本,将众多元件集于单一芯片并不理想。电源设计人员需要根据具体的项目需求平衡整体的系统性能、机械限制和成本。
  6)电磁辐射:一个工作电路所产生的电磁干扰可能导致另一个电路无法正常运行。例如,无线电频道的干扰可能导致安全气囊的误动作,为了避免这些负面影响,OEM厂商针对ECU单元制定了最大电磁辐射限制。
  

 

汽车电源方案分析

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这里列出了四种常用的电源架构,总结了最近三年汽车领域的典型设计架构。当然,用户可以通过不同方式实现具体的设计要求,多数方案可归纳为这四种结构中的一种。
  方案 1
  该架构为优化DC-DC转换器的效率、布局、PCB散热及噪声指标提供了一种灵活设计。方案1的主要优势是:
  增加核设计的灵活性。即使不是最低成本/最高效率的解决方案,增加一个独立的转换器有助于重复利用原有设计。
  有助于合理利用开关电源和线性稳压器。例如,相对于直接从汽车电池降压到1.8V,从3.3V电压产生1.8V300mA的电源效率更高、成本也更低。
  分散PCB的热量,这为选择转换器的位置及散热提供了灵活性。
  允许使用高性能、高性价比的低电压模拟IC,与高压IC相比,这种方案提供了更宽的选择范围。
  方案1的缺点是:较大的电路板面积、成本相对较高、对于有多路电源需求的设计来说过于复杂。
  方案 2
  该方案是高集成度与设计灵活性的折衷,与方案1相比,在成本、外形尺寸和复杂度方面具有一定的优势。特别适合2路降压输出并需要独立控制的方案。例如,要求3.3V电源不间断供电,而在需要时可以关闭5V电源,以节省IQ电流。另一种应用是产生5V和8V电源,利用这种方案可以省去一个从5V电压升压的boost转换器。
  采用外置MOSFET的两路输出控制器可以提供与方案相同的PCB布板灵活性,便于散热。内置MOSFET的转换器,设计人员应注意不要在PCB的同一位置耗散过多的热量。
  方案 3
  这一架构把多路高压转换问题转化成一路高压转换和一个高度集成的低压转换IC,相对于多输出高压转换IC,高集成度低压转换IC成本较低,且容易从市场上得到。如果方案3中的低压PMIC有两路以上输出,那么方案3将存在与方案4相同的缺陷。
  方案3的主要劣势是多路电压集中在同一芯片,布板时需要慎重考虑PCB散热问题。
  方案 4
  最新推出的高集成度PMIC可以在单芯片上集成所有必要的电源转换和管理功能,突破了电源设计中的诸多限制。但是,高集成度也存在一定的负面影响。
  在高集成度PMIC中,集成度与驱动能力总是相互矛盾。例如,在产品升级时,原设计中内置MOSFET的稳压器可能无法满足新设计中的负载驱动要求。
  把低压转换器级联到高压转换器有助于降低成本,但这种方式受限于稳压器的开/关控制。例如,如果5V电源关闭时必须开启3.3V电源,就无法将3.3V输入连接到5V电源输出;否则将不能关闭5V电源,造成较高的静态电流IQ。

 

汽车电源系统开关电源的设计

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本文提出了一种具有过载和短路保护的车载电源系统的开关电源设计方案。该方案采用单端反激式结构实现48VDC/12VDC的转换,输出电压稳定,波纹小,不间断,性能可靠且电源损耗小。

目前世界各国正在研究48VDC汽车电源系统,欧共体计划从2008年开始采用48VDC电源系统。如何在48VDC电源系统下兼容12VDC电子设备成为了一个课题。通过线性稳压电源实现48VDC/12VDC的转换会产生很大的功率损耗,缺点明显。

UC3842的保护电路设计

1 UC3842的典型应用

UC3842是高性能的单端输出式电流控制型脉宽调制(PWM)芯片,其典型应用电路如图1所示。

图1 UC3842典型应用电路

2 过载保护原理分析

当出现输出短路时,输出电压会下降,同时为UC3842供电的反馈绕组也会出现输出电压下降。当输入电压低于10V时,UC3842停止工作,开关管截止。短路现象消失后,电源重新启动,自动恢复正常工作。
但由于在高频关断的时候会出现很高的尖峰电压,即使占空比很小的情况下,电路中7脚的输入电压也可能不会降到足够低,过载保护电路并不总能有效的响应所出现的过载情况,对整个系统的性能会产生不良的影响,存在着一定的安全隐患。

3 过流保护原理分析

当电流取样端3脚上的电压值超过电流检测比较器负端的电压时,可以使脉宽调制锁存器输入复位信号,开关管于是被关闭。这样峰值检测电路限制输出的最大电流,起到了一定的保护作用。

但是随着开关频率的升高,可能会出现开关电源处于连续模式下,也就是每个开关周期的初级电感电流是从一定的幅度开始增长,这样会产生分谐波振荡。这种不稳定性和稳压器的闭环特性无关,它是由固定频率和峰值电流取样同时工作引起的。图2说明了这样的现象。

图2 补偿前的电流波形

如图2所示,在t0时刻,开关管被导通,这时初级线圈电流以斜率m1上升,该斜率是输入电压和电感的函数。在t1时刻,电流取样输入到达了电流检测 比较器的门限,将导致开关管关闭,电流以斜率m2衰减,直到下一个开关周期的到来。如果有一个扰动加在电流检测比较器的门限电压上,产生了一个小的△I (如图2中虚线所示),就会发生不稳定的现象。在一个固定的振荡周期内,电流衰减时间减少,最小电流在开关管导通时刻(t 2)上升了△I+m 2/m 1。最小电流在下一个周期(t 3)减小到(△I+m 2/m 1)·(m 2/m 1)。

图3 开关电源原理框图

每一个后续的开关周期内,该扰动都会与(m 2/m 1)相乘,在几个开关周期交替增加和减小初级线圈电流,也许若干个开关周期后电流会减小到零,使这个过程重新开始。如果m 2/m 1大于1,系统将不稳定。

4 保护电路的改进

如图3所示,本设计针对UC3842典型应用电路的过流、过载保护电路做出以下改进。

在反馈绕组的整流二极管回路串一个电阻,它和电容C2组成RC滤波网络,对开关管开通瞬间时的尖峰电压起到了滤除的作用。这样,由于尖峰电压的减少,当短路现象发生时,反馈绕组输出的电压会有效的降低,UC3842会停止工作直到短路现象解除。

对过流保护电路进行斜率补偿。补偿斜率从RT、CT振荡器产生,加到电压反馈端,以提高误差放大器输出的斜率补偿。如图3所示,误差放大器的输出是 具有m3斜率的斜坡,经过两个二极管后被电阻分压,然后输入到电流检测比较器的负端作为过流保护电路的控制电压。这样通过电流检测比较器和脉宽调制锁存器 的配置保证了在任何一个振荡器周期中只有一个单脉冲出现在输出端。当出现过载或者输出电压取样丢失等异常工作情况,内部比较门限会被限定在1V,而不会出 现电路失调的情况。

图4显示了通过在控制电压上增加一个与脉宽调制时钟同步的人为的斜坡,可以在后续的开关周期有效的抑制由于△I扰动而引起的不稳定。该补偿斜坡的斜率(m 3)必须等于或者大于m 2/2才具有稳定性。通过m 3斜率的补偿,初级线圈电流会被控制电压所抑制,紧跟控制电压的幅度。

实验结果

表1为输入电压在30~50V波动时,输出电压的波动情况,表2是负载电流在10~500mA变化时,输出电压的波动情况。由表1的数据可得到电压调整率S v<0.3%。由表2的数据可得到输出电阻R o<0.4Ω。

图4 斜率补偿后的电流波形

结论

本文所提出的是一种结构简单、性能稳定的单端反激式结构开关电源设计方案。由于采用了“斜率补偿”的过流保护方式,性能更加稳定可靠,电压调整率 低、输出电阻小、纹波低,功率损耗低,系统安全系数高,实现对车载电源系统的供电,对提高汽车整体性能大有益处。本设计已经成功应用于武汉理工大学智能信 息系统研究所自行设计的车用直流无刷电机控制器的电源系统中。

同时,本文所提出的DC/DC方案也适用于其他直流供电电源的应用设计。由于其性能稳定,纹波小,对采用微控制器的数字控制系统的供电电源设计有一定的借鉴意义。

高频汽车电源设计

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电路密度的提高对于电源系统设计人员来说既是挑战也是机会。多数汽车电子模块要求低压供电,如5V、3.3V。如果通过线性降压方案将电池电压转换成所需电压,会消耗过多的能量。过多的功率耗散则会提高温度管理系统的设计难度和成本,随着处理器和ASIC工作速度的提升,需要消耗更大功率,这就要求使用结构复杂的高效开关转换器取代简单的低成本、低效率线性电源

 

开关转换器的优势

工作在高开关频率的电源允许选用小尺寸有源元件,如电感、电容,由此可见,开关电路的尺寸取决于电源工作频率。一个高效转换器不仅能够降低功耗,还可以节省空间和昂贵的散热器。因此,使用开关转换器可以使电源模块的总尺寸减小。考虑到这些优点,开关转换器成为车身控制、信息系统、引擎控制电路的理想电源管理方案。

高频汽车电源设计

开关转换器的选择

开关频率对于开关转换器设计非常重要,因为开关电源的很多问题都与工作频率有关。开关频率和它的高次谐波会对其他电路产生电磁干扰,例如,一个调幅收音机对于530kHz~1,710kHz的干扰非常敏感。开关频率超过1,710kHz时才能消除基波和高次谐波的干扰。测试数据显示,中等电压、高频处理器配合简单的保护电路,正如Maxim产品所采用的架构,可以提供完美的汽车电源管理方案。所以,设计人员不需要高压控制方案即可设计合理的开关转换器。

随着开关频率的增加,电路的能量损耗会增大,这在一定程度上削弱了高频工作的优势。因为开关的损耗与工作电压的平方成正比,在高输入电压下开关损耗会更高。典型的汽车电源管理IC需要支持较高电压(40V或更高),以承受甩负载和瞬态过压。处理高压则需较大的芯片尺寸和较厚的栅极,对应的沟道尺寸较长,造成较长的传输延时。这样,固有的低速处理过程也降低了转换效率,因为开关切换时较长的上升/下降时间会引起较大的开关损耗。

Maxim采用先进的处理工艺提高了转换器的开关效率,为中等电压提供出色的高速转换设计方案。以MAX5073为例,它有2路工作在2.2MHz开关频率的升/降压转换控制器,支持23V输入。转换器异相工作使其能够工作在4.4MHz频率下,并保持较高的转换效率。

假设开关转换器能够抑制电源干扰,需要考虑的另一个问题是:汽车应用是否真的需要高压工作IC下面我们通过讨论汽车电源的干扰以及对低压电路的保护措施回答上述问题。

高频汽车电源设计

电源的过压条件

过压保护(OV)器件能够隔离汽车电子系统中连线(通常连接到主电源)所产生的高压传导,有效保护电子电路。对传导干扰的承受能力称为传导抑制。

汽车制造商和标准组织定义了各种测试方法来评估电路的传导抑制,汽车OEM厂商的要求大多出自ISO7637标准。以下归纳了与汽车电子应用相关的过压保护问题,但并未全面概括所有与传导干扰相关的细节。

高频汽车电源设计

 

稳态过压保护

持续时间较长的过压条件被看作稳态过压,例如,过压持续时间超过了对应器件的热时间常数。这种情况下,连续的功率耗散引起温度快速上升成为首要问题,稳态过压通常包括以下几种情况:失效的交流电机调节器、双电池突发启动或和电池反接,以下是各项详细说明。

1. 失效交流电机调节

调节交流电机的输出,通过控制励磁绕组的电流幅度调整速度、负荷及温度。调节过程通常由电路(电压调节器)完成,利用脉宽调制(PWM)电机的励磁绕组保持稳定的电机输出。电压调节器的典型输出设置为13.5V。然而,电压调节器会出现失效,无论负载或输出电压处于何种条件,都将作用一个满量程励磁电流。

发生失效时,整个系统都要承受高于13.5V(实际电压取决于汽车速度、负荷极其他条件)的电压,典型的调节器失效OEM测试要求是在18V持续一个小时。大部分系统要求符合这个测试条件,虽然有些舒适度和便利功能允许在这种情况下偏离其正常工作状态。

2. 双电池突发启动

这是另外一种稳态过压条件,一般发生在拖车或维修人员使用24V电原发动不工作的汽车,或对完全放电的电池进行充电的情况下,对于这种情况,典型的OEM测试要求是在24V下持续2分钟。有些与安全、引擎管理相关的系统需要保证在这种条件下能够工作。

3. 电池反接

在生产和维修过程中可能会出现电池反接情况,这时,要求大多数系统可以不工作,但一定要保证不会损坏。典型测试要求是在-14V下持续一分钟,这个测试对系统来说是个挑战,因为需要大电流或低压降。

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瞬态过压保护

汽车系统中,大多数过压条件都是由感性负载的开关操作引起的瞬态过压,这类负载包括启动电机、燃油泵、车窗电机、继电器线圈、螺线管、点火器件和分布电感等。任何感性负载上的脉冲电流都会产生过压脉冲。根据幅度、持续时间的要求,可以选择滤波器、金属氧化物可变电阻瞬态电压抑制器等抑制这类瞬态过压。图1至图4说明了ISO7637对过压抑制的要求,表1是对ISO7637规定的总结。

高频汽车电源设计

如上所述,电池电压不能直接供给低电压、高性能开关转换器,而是将电池连接到瞬态电压抑制起,如MOV或旁路电容及其后续的传统限幅电路。这些简单电路一般采用p沟道MOSFET构成(图5a)。p沟道MOSFET的额定电压为50~100V,具体取决于VBAT输入端的瞬态电压。

利用12V齐纳二极管(Z1)保护MOSFET的栅-源极,防止栅-源电压超过VGSMAX,当输入电压(VBAT)低于齐纳管Z2的击穿电压时,MOSFET处于饱和状态。输入电压发生瞬变时,MOSFET将阻止高于Z2击穿电压的电压通过。这个电路的缺点是使用了一个昂贵的p沟道MOSFET和许多外围元件。

高频汽车电源设计

另一方案是使用NPN晶体管,NPN管的基极电压嵌位在VZ3,将发射极电压调整在(VZ3-VBE)。这个方案成本较低,但VBE压降产生一定的损耗:PLOSS=IIN×VBE。另外,VBE压降也增加对电池最小工作电压的要求,尤其是在冷启动情况(图5b)。第三个方案是使用n沟道MOSFET,n沟道MOSFET的选择范围较广,而且便宜,可以作为隔离元件使用。其栅极驱动比较复杂,要求VG高于源极电压。

图5c给出了一个使用n沟道MOSFET开关的隔离电路,甩负载情况下,当VBAT电压超过设置门限时,MOSFET完全关闭。随后,只要VBAT电压高于设置门限,MOSFET将一直保持关闭状态。过压保护控制器MAX6398可以汽车过压(如甩负载或双电池供电)时,控制n沟道MOSFET,保护高性能电源,图6给出了方案的原理框图。图7至图9给出了实验室和实际工作环境下的噪声抑制测试结果,所采用的是n沟道MOSFET瞬态保护电路。

高频汽车电源设计

高频汽车电源设计

图7的MAX5073双buck转换器的输入纹波、开关波形测试结果,转换器分别工作在2.2MHz开关频率,输入电容纹波的的频率为4.4MHz(CH1=第2路时钟源;CH2=第1路时钟源;CH3=输入电容纹波;CH4=时钟输出)。

高频汽车电源设计

图中波形为图6所示保护器输出和两路转换器输出的响应特性,时间刻度分别为1s/cm(A)和1ms/cm(B)。(CH1=VBAT;CH2=VPROT;CH3=第1路输出;CH4=第2路输出)

高频汽车电源设计

图中波形为保护器输出和两路转换器输出的响应特性,时间刻度分别为1s/cm(A)和200μs/cm(B)。(CH1=VBAT;CH2=VPROT;CH3=第1路输出;CH4=第2路输出)

如图9所述,MAX6398功能模块完全支持汽车应用中的甩负载设计,提供低电压、高性能输出。利用保护电路、低电压、高频工作特性可有效节省电路板空间、降低成本。

基于CAN 总线的电动汽车电源管理通信系统设计

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本文主要论述了基于CAN 总线的电动汽车电源管理中的通信系统设计与实现技术。 电动汽车的电源管理方案,涉及到了发动机、电动机、蓄电池的工作状况、车辆行驶速度、行驶阻力以及驾驶员的操作等诸多参数,利用CAN总线技术,把以上参数的测控装置连接起来,是实现电动汽车的电源管理的关键步骤。

随着石油价格的上涨以及环保要求的提高,电动已经成为是未来汽车发展的一个重要方向。对于以电池供电的全电动力系统或者以发动机和蓄电池混合动力系统而言,电源管理系统设计是关系车辆性能的一个重要因素,设计时需要考虑综合车辆总体设计方案和外部使用环境,为了节约电源,还需要设计一定的控制策略保证电源的最佳利用。所以很有必要对全电车辆的电源管理系统进行深入探讨。

1,电动汽车能源管理的重要性
电动汽车的电源管理,主要作用在于充分发挥燃料的燃烧效能,使发动机在最佳工况点附近工作,并通过电动机和蓄电池的能量储备与输出,及时调节车辆运行工况和外界路面条件之间的匹配关系。经过十多年的发展,电动汽车的动力系统设计方面,目前最有实用性价值并已有商业化运转的模式,只有混合动力汽车。混合动力系统总成已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速箱一体化结构发展,即集成化混合动力总成系统。所以,这里只考虑混合动力系统的电源管理情况。混合动力系统的电源管理,从功能上而言,需要实现如下两个目标:

(1)保证发动机的最佳工况,避免出现发动机的低效工作。通常可将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转,通过调整电池和电动机的输出来适应各种外界路况变化。例如,当车辆处于低速、滑行、怠速的工况时,则由电池组驱动电动机,当车辆处启动、加速、爬坡工况时,发动机- 电动机组和电池组共同向电动机提供电能。这样,由于发动机避免了怠速和低速运转从而提高了发动机的效率,不仅减少了废气排放,而且节约了电源。

(2 )充分利用车辆的惯性能量。当车辆减速、制动或者下坡路行驶时,则由车轮的惯性力驱动电动机。这时电动机变成了发电机,可以反向蓄电池充电,节约了燃料。

统计表明在占80%以上的道路条件下,一辆普通轿车仅利用了动力潜能的40%,在市区还会跌至25%,而采用电源优化管理的电动车辆,如丰田的Prius汽车,其动力性已经超过同级车水平,燃油节省75%。

2,电源管理系统的通信需求与CAN 总线技术

电动汽车的电源管理,需要随时监控发动机、电动机、蓄电池的工作状况、车辆行驶速度、行驶阻力数据以及驾驶员的操作情况,并且能够根据上述数据经过智能化处理后自动控制节能装置或者电路工作,所以需要首先解决与能量消耗和能量转换相关的部件运行状态传感器的连接方式。

目前,汽车内部测量与执行部件之间的数据通信主要采用CAN 总线技术,该总线技术最早由德国BOSCH 公司推出,主要用于解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换问题。利用CAN 总线开发的电动汽车电源管理系统,不仅通信速率高、准确、可靠性高,而且易于与整车控制网络相兼容,为传感器信号、各个控制单元的计算信息和运行状态的共享以及随车或离车故障诊断等提供了基础平台,所以本课题中,采用CAN 总线作为电源管理的基本通信技术。

3,基于CAN 总线的能源管控系统拓扑结构

电动汽车底盘部分耗能与节能系统连接起来形成的基于CAN 总线的能源管控网络拓扑结构如图1 所示,共包括制动能量转换装置、动力总成、电池管理、电机控制器、行驶阻力测试几个下位关键监测节点和一个由车载计算机系统构成的上位主控节点。

图1 基于CAN 总线的能源管控网络拓扑结构

制动能量转换装置与驾驶员的操控监测系统、电池电机控制器共同工作。当驾驶员踩踏制动踏板时,首先制动电机靠近待制动的旋转器件,如传动轴,消耗车辆惯性能量,并转换为电能,同时操控监测系统监测到制动踏板动作时,对电池充电电路进行调整,实现制动电机传递过来的电能的存储。

动力总成系统主要用于实现发动机工况的优化运行。在正常行使的情况下,发动机的能量分为两路,一路传递给车辆传动与推进系统,驱动车辆正常行使,另一路则带动电机工作,向蓄电池供电。此时,电机与电池构成的辅助动力系统相当于一个能量调节装置,通过电池电机控制器和行驶阻力测试装置,根据外界路况的变化,实现发动机两路输出能量的调整和分配。

通过CAN总线,车载计算机系统构成的上位主控节点把整个能源管控网络连接起来,通过专门的软件系统,进行数据采集、数据分析和控制策略的输出,实现外界行驶阻力与发动机能量调整之间的优化匹配,实现车辆内部的能量转换利用,实现电机、电池系统的节能、蓄能和补充能量的调节作用。

4,基于CAN 总线的各监控节点结构和通信流程

CAN 总线节点结构一般分为两类:一类采用CAN适配卡与PC机相连,实现上位机与CAN总线的通讯;另一类则是由单片机、CAN控制器及CAN驱动器构成,作为一类节点与CAN总线进行数据传输,在本文设计的能源管控系统中,上位主控节点采用了第一类CAN总线节点结构,各个关键监测/控制系统采用了第二类CAN 总线节点结构。各个节点的结构和系统的连接方式如图2 所示。在总线的两端配置了两个120Ω的电阻,其作用是总线匹配阻抗,可以增加总线传输的稳定性和抗干扰能力,减少数据传输中的出错率。


对于各个下位监控节点而言,通常可采用51 系列单片机作为该节点的监测信号初级处理中心装置,而用SJA1000 来做C A N 控制器,PCA82C250 则是一种常用的CAN 收发器和物理总线的接口,主要可以提供对总线的差动发送能力和对CAN 控制器的差动接受能力。采用上述三种元器件构成的一个下位监控节点的电路图形如图3 所示。


CAN 总线的三层结构模型为:物理层、数据链路层和应用层。其中物理层和数据链路层的功能由SJA1000 完成。SJA1000 在上电硬件复位之后,必须对其进行软件初始化之后才可以进行数据通讯,其主要作用是实现对总线的速率、验收屏蔽码、输出引脚驱动方式、总线模式及时钟分频进行定义。整个能源管控系统通信过程中,各控制器按规定格式和周期发送数据(车速、蓄电池电压、电流和行驶阻力和发动机转速等)到总线上,同时也要接收其它控制器的信息。总线上其它控制器根据需要各取所需的报文。对于接收数据,系统采用中断的方式实现,一旦中断发生,即将接收的数据自动装载到相应的报文寄存器中。此时还可采用屏蔽滤波方式,利用屏蔽滤波寄存器对接收报文的标识符和预先在接收缓冲器初始化时设定的标识符进行有选择地逐位比较,只有标识符匹配的报文才能进入接收缓冲器,那些不符合要求的报文将被屏蔽于接收缓冲器外, 从而减轻CPU 处理报文的负担。上位机利用中断方式接收相关数据的流程如图4 所示。



5,结束语
CAN 总线作为一种可靠的汽车计算机网络总线已开始在汽车上得到应用,使得各汽车计算机控制单元能够通过CAN 总线共享所有的信息和资源,达到简化布线、减少传感器数量、避免控制功能重复、提高系统可靠性和可维护性、降低成本、更好地匹配和协调各个控制系统的目的。本文所设计的基于CAN 总线的电动汽车能源管控系统通信方案,基本能够实现节约能源,优化发动机工作效率的目的,并且技术相对比较成熟,具有高度灵活性、简单的扩展性、优良的抗干扰性和处理错误能力,对于提高汽车的动力性、操作稳定性、安全性都有重要意义。

 

基于ISO7637的汽车电源系统设计

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本文给出的基于ISO7637电源设计方案,性能高,成本低,可以满足多种12V车载电子设备的应用需求。

现代汽车工业的发展,使得大量的车载电子设备广泛应用于汽车,如车载卫星导航系统、车载影音娱乐系统、车身照明系统、防盗系统、自动空调系统等。各种各式的车载电子设备稳定工作,相互配合,需要有稳定的供电系统。因此,高性能的车载电源设计是车载电子设备可靠工作的保障。

ISO7637标准
车载电源系统的应用环境比普通电源系统要复杂,因为汽车内的电磁环境较为恶劣。汽车的电气设备在运行时会产生大量电磁干扰,这些干扰的频带很宽,通过传导、耦合或者辐射的方式,传播到电源系统内,进而影响到电子设备的正常工作。最恶劣的情况往往是由于车辆自身产生的干扰所产生的,如点火系统、发电机及整流器系统的干扰脉冲。国际标准ISO7637针对道路车辆及其挂车内通过传导和耦合引起的电干扰,提出了沿电源线的电瞬态传导及测试方法,适用于12V或24V的电气系统车辆。


ISO7637对汽车电子设备在电源上的抗扰度要求,规定了5种测试脉冲。其中,脉冲1用来模拟并联的感性负载在断电时所产生的瞬态干扰,如关灯或电喇叭等操作。脉冲2a模拟正常工作时某一并联负载突然断开产生的瞬变干扰,属于速度偏快和能量较小的正脉冲干扰。脉冲2b模拟点火被切断的瞬间,直流电动机变成发电机工作,并由此所产生的瞬变现象,属于低速和高能量的脉冲干扰。脉冲3a/3b模拟各种开关闭合和打开过程中所产生的干扰,是一系列高速、低能量的小脉冲群。脉冲4模拟车上大电流负载启动所造成的电压跌落现象。脉冲5则模拟抛负载引起的大能量脉冲干扰。

电源电路具体设计
对整机系统来说,必须有针对性地对电源进行净化处理。除了对干扰源的消除,最重要的是必须提升电源系统的抗干扰能力。常用的提升电源系统的抗干扰能力的方法包括:用吸收法进行尖峰滤除,以消除正脉冲干扰,采用的器件可以是热敏电阻TVS管等;对于负脉冲,可以采用增加电容容量,利用蓄能抵抗干扰。对于电源跌落干扰,可以增加电源的滤波电容,在满足成本和性能指标要求的同时,尽量选用宽压输入范围的电源芯片

图1 电源系统框图


针对ISO7637对汽车电子设备在电源上的抗扰度要求,这里给出一个合理的12V电源系统方案,系统框图如图1所示。


电源系统包括防反接保护、浪涌保护、共模扼流、π型滤波和DC/DC处理五个部分。各部分工作原理如下:防反接保护使用一个普通二极管就可以实现。浪涌保护包括一个PPTC和TVS管,可以有效抑制类似于脉冲5的干扰。PPTC是热敏电阻器,电阻随温度升高而增加。TVS是瞬态电压抑制二极管,其具体选型原则后面详细介绍。当有脉冲5干扰进入电源线路时,TVS会动作,对流向后端电路的瞬间电流进行分流,而受保护的后端电压被限制在TVS两端的箝制电压。PPTC的动作速度慢于TVS,在大电流的作用下,PPTC呈高阻,会断开后级电路,可以起到减少TVS泻流时间,保护TVS的功能。共模扼流部分是一个共模扼流圈,能有效抑制高频共模噪声,提高电源电路的抗电磁干扰,同时抑制电路自身向外发射干扰。π型滤波电路进一步滤除噪声,净化进入后端电路的电源。DC/DC处理根据实际应用完成各种类电源转换,例如5V、3.3V、1.8V等。本电源系统选用车载级的DC/DC芯片A8498。它具有8~50V的宽电压输入范围。输出可调,范围为0.8~24V。输出驱动能力达到3A,能满足各种后端负载的需求。其输入管脚边上配备一大一小两个电容,除了滤除噪声,还具有储能的作用,其中极性大电容C5使用高品质钽电容。因为A8498的最低工作电压为8V,在遇到脉冲4的干扰时,电压跌落会达到6V,为保证在跌落的短瞬间A8498仍能提供正常输出,大电容的容值要足够大,在输入电压跌落时能提供足够储能。方案实际测试结果表明电容C5的值至少要为220μF。
电源系统的详细电路设计如图2所示。

图2 电源系统电路图


类似于脉冲5的浪涌脉冲具有能量大、作用时间短的特点,会对系统电路造成不可修复的破坏,因此对脉冲5的抑制是整个前端保护电路设计的重点。首先要确定整个被保护系统的最大输入电压,A8498的最大耐压值为50V,所以在发生脉冲5的浪涌冲击时,TVS管必须能把电压钳制在50V以下。TVS管选型有几个重要参数:可承受的反向电压Vrwm、反向崩溃电压Vbr、抑制电压Vc。Vrwm必须大于系统的正常输入工作电压,以防止TVS管对正常输入电压进行动作。Vbr和Vc要小于被保护电路的最大耐压值,同时尽量接近该值。TVS管的额定最大功率必须大于类似脉冲5干扰的最大功率,以防止被击坏。本设计中选用型号为5KP30A的TVS管,该管的Vrwm值为30V,Vbr在33.3~38.3V之间,Vc为48.4V。在相关车载电子设备上,有的汽车厂商还会要求设备具有一定的过压工作时间,这个最大过压值也是TVS选型的一个参数,Vbr最好略大于最大过压值。总之,在选型TVS管时,要结合整个电路的电气参数及成本综合考虑。

方案测试
ISO7637的第二部分对沿电源线的传导和耦合引起的电干扰给出了具体的测试方法。对于测试结果,通常按以下标准术语来对设备的抗扰性能力进行描述。A级:被测试装置或系统在施加干扰过程中及干扰撤除后,能执行其预先设计的所有功能。B级:被测试装置或系统在施加干扰过程中,能执行其预先设计的所有功能,然而,可能有一项或多项指标超出规定的偏差。干扰消除后,所有功能自动恢复到正常工作。C级:被测试装置或系统在施加干扰过程中,不执行其预先设计的一项或多项功能,但在停止施加干扰之后能自动恢复到正常操作状态。D级:被测试装置或系统在施加干扰过程中,不执行其预先设计的一项或多项功能,干扰消除后,通过外部复位动作, 可恢复到正常操作状态。E级:被测试装置或系统在施加干扰过程中及干扰消除后, 不能执行其预先设计的一项或多项功能,且复位也不能使被测试装置或系统恢复正常操作, 必须进行维修(即硬件发生损坏)。


针对不同的车载电子设备,各个汽车厂商对测试设备抗扰性能力等级要求各不相同。对车载DVD,收音系统,要求至少为C级,对车身控制,报警设备等为A级。一般而言,至少都是C级或以上。本方案应用于我们自行设计的车载DVD影音系统,并在上海计量所进行了ISO7637的5类脉冲测试。测试的结果表明,该方案是可靠的,影音系统的抗扰能力至少达到B级。

结语
提升车载电源的抗干扰能力对整个车载电子设备的稳定工作至关重要,在硬件设计上要综合考虑ISO7637模拟的各种干扰。软件设计上要具有消除干扰所引起的整机系统记忆丢失的能力。硬件设计与软件设计很好的结合,才能更好地提升整个系统的抗干扰能力。本文给出的基于ISO7637电源设计方案,性能高,成本低,可以满足多种12V车载电子设备的应用需求。该方案目前已在我们设计的车载产品中应用。

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