基于ISO7637的車載電源系統設計

現代汽車工業的發展，使得大量的車載電子設備廣泛應用于汽車，如車載衛星導航系統、車載影音娛樂系統、車身照明系統、防盜系統、自動空調系統等。各種各式的車載電子設備穩定工作，相互配合，需要有穩定的供電系統。因此，高性能的車載電源設計是車載電子設備可靠工作的保障。

ISO7637標準
車載電源系統的應用環境比普通電源系統要復雜，因為汽車內的電磁環境較為惡劣。汽車的電氣設備在運行時會產生大量電磁干擾，這些干擾的頻帶很寬，通過傳導、耦合或者輻射的方式，傳播到電源系統內，進而影響到電子設備的正常工作。最惡劣的情況往往是由于車輛自身產生的干擾所產生的，如點火系統、發電機及整流器系統的干擾脈沖。國際標準ISO7637針對道路車輛及其掛車內通過傳導和耦合引起的電干擾，提出了沿電源線的電瞬態傳導及測試方法，適用于12V或24V的電氣系統車輛。

ISO7637對汽車電子設備在電源上的抗擾度要求，規定了5種測試脈沖。其中，脈沖1用來模擬并聯的感性負載在斷電時所產生的瞬態干擾，如關燈或電喇叭等操作。脈沖2a模擬正常工作時某一并聯負載突然斷開產生的瞬變干擾，屬于速度偏快和能量較小的正脈沖干擾。脈沖2b模擬點火被切斷的瞬間，直流電動機變成發電機工作，并由此所產生的瞬變現象，屬于低速和高能量的脈沖干擾。脈沖3a/3b模擬各種開關閉合和打開過程中所產生的干擾，是一系列高速、低能量的小脈沖群。脈沖4模擬車上大電流負載啟動所造成的電壓跌落現象。脈沖5則模擬拋負載引起的大能量脈沖干擾。

電源電路具體設計
對整機系統來說，必須有針對性地對電源進行凈化處理。除了對干擾源的消除，最重要的是必須提升電源系統的抗干擾能力。常用的提升電源系統的抗干擾能力的方法包括：用吸收法進行尖峰濾除，以消除正脈沖干擾，采用的器件可以是熱敏電阻、TVS管等；對于負脈沖，可以采用增加電容容量，利用蓄能抵抗干擾。對于電源跌落干擾，可以增加電源的濾波電容，在滿足成本和性能指標要求的同時，盡量選用寬壓輸入范圍的電源芯片。

圖1 電源系統框圖

針對ISO7637對汽車電子設備在電源上的抗擾度要求，這里給出一個合理的12V電源系統方案，系統框圖如圖1所示。

電源系統包括防反接保護、浪涌保護、共模扼流、π型濾波和DC/DC處理五個部分。各部分工作原理如下：防反接保護使用一個普通二極管就可以實現。浪涌保護包括一個PPTC和TVS管，可以有效抑制類似于脈沖5的干擾。PPTC是熱敏電阻器，電阻隨溫度升高而增加。TVS是瞬態電壓抑制二極管，其具體選型原則后面詳細介紹。當有脈沖5干擾進入電源線路時，TVS會動作，對流向后端電路的瞬間電流進行分流，而受保護的后端電壓被限制在TVS兩端的箝制電壓。PPTC的動作速度慢于TVS，在大電流的作用下，PPTC呈高阻，會斷開后級電路，可以起到減少TVS瀉流時間，保護TVS的功能。共模扼流部分是一個共模扼流圈，能有效抑制高頻共模噪聲，提高電源電路的抗電磁干擾，同時抑制電路自身向外發射干擾。π型濾波電路進一步濾除噪聲，凈化進入后端電路的電源。DC/DC處理根據實際應用完成各種類電源轉換，例如5V、3.3V、1.8V等。本電源系統選用車載級的DC/DC芯片A8498。它具有8～50V的寬電壓輸入范圍。輸出可調，范圍為0.8～24V。輸出驅動能力達到3A，能滿足各種后端負載的需求。其輸入管腳邊上配備一大一小兩個電容，除了濾除噪聲，還具有儲能的作用，其中極性大電容C5使用高品質鉭電容。因為A8498的最低工作電壓為8V，在遇到脈沖4的干擾時，電壓跌落會達到6V，為保證在跌落的短瞬間A8498仍能提供正常輸出，大電容的容值要足夠大，在輸入電壓跌落時能提供足夠儲能。方案實際測試結果表明電容C5的值至少要為220μF。
電源系統的詳細電路設計如圖2所示。

圖2 電源系統電路圖

類似于脈沖5的浪涌脈沖具有能量大、作用時間短的特點，會對系統電路造成不可修復的破壞，因此對脈沖5的抑制是整個前端保護電路設計的重點。首先要確定整個被保護系統的最大輸入電壓，A8498的最大耐壓值為50V，所以在發生脈沖5的浪涌沖擊時，TVS管必須能把電壓鉗制在50V以下。TVS管選型有幾個重要參數：可承受的反向電壓Vrwm、反向崩潰電壓Vbr、抑制電壓Vc。Vrwm必須大于系統的正常輸入工作電壓，以防止TVS管對正常輸入電壓進行動作。Vbr和Vc要小于被保護電路的最大耐壓值，同時盡量接近該值。TVS管的額定最大功率必須大于類似脈沖5干擾的最大功率，以防止被擊壞。本設計中選用型號為5KP30A的TVS管，該管的Vrwm值為30V，Vbr在33.3～38.3V之間，Vc為48.4V。在相關車載電子設備上，有的汽車廠商還會要求設備具有一定的過壓工作時間，這個最大過壓值也是TVS選型的一個參數，Vbr最好略大于最大過壓值。總之，在選型TVS管時，要結合整個電路的電氣參數及成本綜合考慮。

方案測試
ISO7637的第二部分對沿電源線的傳導和耦合引起的電干擾給出了具體的測試方法。對于測試結果,通常按以下標準術語來對設備的抗擾性能力進行描述。A級:被測試裝置或系統在施加干擾過程中及干擾撤除后,能執行其預先設計的所有功能。B級：被測試裝置或系統在施加干擾過程中,能執行其預先設計的所有功能，然而，可能有一項或多項指標超出規定的偏差。干擾消除后,所有功能自動恢復到正常工作。C級:被測試裝置或系統在施加干擾過程中,不執行其預先設計的一項或多項功能,但在停止施加干擾之后能自動恢復到正常操作狀態。D級:被測試裝置或系統在施加干擾過程中,不執行其預先設計的一項或多項功能,干擾消除后,通過外部復位動作, 可恢復到正常操作狀態。E級:被測試裝置或系統在施加干擾過程中及干擾消除后, 不能執行其預先設計的一項或多項功能,且復位也不能使被測試裝置或系統恢復正常操作, 必須進行維修(即硬件發生損壞)。

針對不同的車載電子設備，各個汽車廠商對測試設備抗擾性能力等級要求各不相同。對車載DVD，收音系統，要求至少為C級，對車身控制，報警設備等為A級。一般而言，至少都是C級或以上。本方案應用于我們自行設計的車載DVD影音系統，并在上海計量所進行了ISO7637的5類脈沖測試。測試的結果表明，該方案是可靠的，影音系統的抗擾能力至少達到B級。

結語
提升車載電源的抗干擾能力對整個車載電子設備的穩定工作至關重要，在硬件設計上要綜合考慮ISO7637模擬的各種干擾。軟件設計上要具有消除干擾所引起的整機系統記憶丟失的能力。硬件設計與軟件設計很好的結合，才能更好地提升整個系統的抗干擾能力。本文給出的基于ISO7637電源設計方案，性能高，成本低，可以滿足多種12V車載電子設備的應用需求。該方案目前已在我們設計的車載產品中應用。