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。