【導讀】汽車技術的進步極大地增加了典型汽車系統中復雜電子電路的數量，用以改善駕駛體驗與安全性。新車型不斷為信息娛樂系統提供更高分辨率的顯示屏、增強的用戶界面和更多的連接選項；而先進的安全功能則包括了用于避免碰撞的激光雷達，以及用于駕駛員感知的多攝像頭與傳感器。大多數這種電子模塊都會連接到 12V 或 24V 電池系統，這意味著它們會經受嚴苛或動態瞬態環境的影響。如何確保電路在極端環境下的可靠運行，這對電源設計人員提出了嚴峻的挑戰。
圖 1 所示為典型的汽車電子系統。汽車電池系統的典型負載包括信息娛樂系統、ADAS、數字駕駛艙、照明系統、電子模塊 (ECU) 和 CAN 總線。
圖 1：典型汽車電子系統
從交流發電機產生的嚴重高能瞬變到點火系統產生的低電平噪聲，傳統汽車電源的瞬態條件多種多樣。本文將介紹一些常見的汽車瞬態條件，例如電池反向、冷啟動、熱啟動和負載突降，并探討這些瞬態產生的原因以及系統設計的挑戰所在。
冷啟動
在寒冷的天氣條件下，汽車電池和引擎都需要承受極低的溫度。當啟動器吸收大電流以啟動冷引擎時，電池電壓會下降，并產生冷啟動脈沖。冷啟動條件下，電池電壓可能會在 15ms 到 50ms 的時間內降至 3V 以下（最壞情況）。
之后，電池電壓會上升至大約 6V，并保持幾秒鐘，然后又在幾毫秒的上升時間內回到標稱電壓。在低溫環境中，典型冷啟動條件下的電池電壓曲線如圖2所示。ISO 7637-2標準中的測試脈沖4對這類啟動曲線有詳細的描述。
圖2: 典型冷啟動脈沖
典型條件之下，不同汽車制造商的電池啟動曲線都非常相似，但不同OEM的電壓電平和時序則各不相同。
根據不同的 OEM 規格，啟動器曲線脈沖中可能還包含低頻正弦波。正弦波（例如 2Hz）代表了啟動期間的交流發電機噪聲。ISO 16750-2 標準中描述了幾種使用正弦波注入的啟動曲線， OEM 規格中可以引用。這種波形通常被稱為重度冷啟動脈沖（見圖 3）。
圖3: 重度冷啟動脈沖
冷啟動系統挑戰
在冷啟動條件下，電源解決方案需要確保在短時間內為低至 2.8V 的輸入提供連續、穩定的輸出調整率。具有寬VIN 范圍的變換器，例如 MPS的DC/DC 升降壓變換器MPQ8875A-AEC1，就可以解決這種低輸入電壓問題。
熱啟動
當啟動器吸收大電流來啟動熱引擎時，電池電壓也會下降，并產生熱啟動脈沖。盡管熱啟動脈沖與冷啟動脈沖非常相似，但其壓降和縮短的脈沖持續時間通常程度低很多。ISO 16750-2 和 ISO 7637-2標準中的測試脈沖 4 也對熱啟動的啟動曲線進行了描述。
在熱啟動脈沖期間，電池電壓可降至 5V 或 6V，電壓下降時間通常都比冷啟動短。在大約 5ms 的短暫持續時間之后，電池電壓會上升到大約 8V，并在此保持不到一秒鐘，然后再回到標稱電壓。圖 4 顯示了熱啟動條件下的電池電壓曲線。
圖4: 典型熱啟動脈沖
不同汽車制造商的熱啟動脈沖電池電壓曲線都很相似，但不同 OEM的電壓電平和時序也是各不相同。汽車自動啟停功能（start-stop）就是熱啟動脈沖條件的一個例子。當踩下剎車，車輛完全停止時，引擎關閉；而在松開制動踏板時，引擎重新啟動。
熱啟動系統挑戰
許多車輛都要求，即使在熱啟動等條件下，也要保持某些汽車功能的持續運行。例如，汽車收音機不應在熱啟動時突然停止播放音樂，液晶顯示面板也不應閃爍或視頻質量下降。采用具有寬 VIN 范圍的 DC/DC 升壓或升降壓變換器可以應對這種類型的低輸入電壓條件，例如MPS的MPQ8875A-AEC1。
反向電壓
當汽車電池從系統斷開，并意外電池極性反轉重連時，會出現反向電壓或電池反向的情況。這會在輸入電源連接器上產生負電壓，從而損壞電源和其他電路。許多 IC 的額定負電壓僅為幾百毫伏（例如 -0.3V），而其他組件則可能對極性非常敏感。反向保護二極管或 MOSFET 通常被用于保護電路免受這種情況的影響。
圖 5 顯示了一個ECU錯誤連接到電池的裝置。將最初連接正確的14V 電池斷開，重新連接至 ECU時，將電池極性反轉，使 ECU 處于負14V的電壓之下。ISO 和 OEM 測試定義了施加負電壓的持續時間可以超過 60 秒。常用的方法是采用保險絲來防止過流損壞，具體取決于反向保護電路。施加反向電壓超過規定的測試時間之后，需要重新施加正確極性的電壓，以確認模塊仍能正常工作。
圖5: 電池反向條件
反向電壓系統挑戰
保護所有 IC 和組件免受負電壓或反向電壓的影響至關重要。在這種條件之下，組件會嚴重降級甚至損壞。建議使用二極管和 MOSFET 等器件來提供相應的保護。
負載突降
當電池斷開但交流發電機仍連接到其他電子負載上時，會產生電壓浪涌，這就是負載突降瞬態（見圖 6）。如果在車輛行駛時電池意外斷開，就可能會發生負載突降。常見的原因包括電池端子腐蝕、連接不良或電池電纜退化。
圖6: 負載突降條件
峰值浪涌電壓可能超過100V，并需要400ms的時間才能衰減下來。ISO 16750-2 和 ISO 7637-2中的測試脈沖 5a 和 5b通常被引用以對特定的負載突降瞬態脈沖進行描述。這兩個標準中都描述了兩種類型的負載突降瞬變。
1. 未抑制：當電池斷開且交流發電機仍為系統供電時，會產生高壓負載突降瞬態浪涌，從而導致非鉗位波形，如圖 7所示。在這種情況下，交流發電機沒有內部鉗位或抑制裝置，連接到交流發電機的模塊和器件都會受到這種突發瞬態條件的影響。
圖7: 未抑制的負載突降脈沖
2. 受抑制：當負載突降瞬態浪涌發生時，波形被交流發電機整流器中的雪崩二極管抑制，從而產生鉗位波形（見圖 8）。在這種情況下，交流發電機中的鉗位保護會將大多數 12V 系統中的瞬態電壓抑制到較低的程度，通常介于 32V 和 40V 之間。
圖8: 受抑制的負載突降脈沖
負載突降系統挑戰
電路必須能夠承受負載突降而不會損壞或退化。建議采用 TVS 二極管或其他輸入保護來避免受到負載突降的影響。為了抑制負載突降，電路所需的鉗位保護可能只需要額定在 40V 至 45V 之間。此時，采用寬 VIN 降壓變換器即可滿足系統要求，例如MPS的MPQ4316-AEC1。 對于不受抑制的負載突降，鉗位保護的額定值要高得多，因此也需要更大且成本更高的解決方案。
總結
表 1 總結了上文描述的汽車瞬態和脈沖條件，涵蓋了常見的行業測試標準，同時還強調了系統設計者必須考慮的系統挑戰。
表 1：汽車輸入瞬態、通用標準和系統挑戰
結論
所有典型汽車模塊都需要解決文中討論的大部分或所有瞬態條件。對這些關鍵的汽車瞬態有一個基本的了解對于設計出穩健的解決方案十分必要。
設計滿足極端條件的可靠電源電路可能極具挑戰性，但 MPQ4316-AEC1（具有寬 VIN 的降壓變換器）、MPQ8875A-AEC1（具有寬 VIN的升降壓變換器）和 MPQ7200- AEC1（具有寬 VIN 的 LED 驅動器）等性能穩健的汽車組件擁有應對動態環境的能力，能夠提供出色的性能和安全性。
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