车辆电源瞬态传导干扰抑制电路的设计与验证

王洪涛，张红霞，李 威

（东风汽车公司技术中心 湖北 武汉 430056）

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[1]。

车载电源系统的应用环境比较复杂，因为汽车内的电磁环境较为恶劣。车辆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。其中，对车载控制设备影响最大、也是引起电子控制设备失效最主要的原因是沿电源线的瞬变传导骚扰[2]。如点火系统、发电机及整流器系统的干扰脉冲。在电路设计中，对电源瞬态传导的抑制显得尤为重要。

1 电源瞬态传导介绍

为了考核检验车载电子设备电源的抗干扰性，国际标准ISO 7637-2针对道路车辆提出了沿电源线的电瞬态传导及测试方法，适用于12 V或24 V的电气系统车辆。ISO 7637-2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。这5种脉冲的物理来源及特性分别如下：

脉冲1：模拟感性负载由于电源切断时所产生的瞬态传导现象。例如关断雨刮电机时产生的瞬态波。

脉冲2a：模拟当感性负载串接待测装置时，电流突然中断所产生的瞬态现象。例如在点火开关切断后，与点火开关连接的直流马达会因惯性而继续运转，就像是一台发电机。而其电感会在切断电源时产生瞬态波。

脉冲2b：当点火开关关闭瞬间，直流马达产生的瞬态波形。

脉冲3a、3b：模拟因为切换过程而产生的瞬态现象。这些瞬态现象会受线束的电感及其分布电容所影响。如在继电器吸合瞬间会产生微小的电弧，而该电弧就是产生脉冲3快速脉冲群的原因之一。

脉冲4：模拟在发动机启动时所产生的供电电压下降现象。

脉冲5a：模拟抛负载的瞬态现象，模拟汽车抛负载瞬态现象。即模拟汽车在断开电池（亏电状态）的同时，交流发电机正在产生充电电流，而发电机电路上仍有其他负载时产生的瞬态[3]。蓄电池突然脱离的原因可能是因线缆腐蚀导致蓄电池的断接、不良的接触或故意将蓄电池断接。

脉冲5b：对脉冲5a进行抑制后的波形。

也就是说，车载电子设备的电源系统，必须能经受以上5种脉冲的冲击，才有可能保证其在实际工况中，电源电路的可靠持久的工作。

以12 V为例，这5种脉冲的波形如图1所示[4]。

图1 电源线瞬态传导（12 V系统）Fig.1 Electrical transient conduction along supply lines（12 V system）

应该指出，ISO 7637-2所提出的5个脉冲波形并不能覆盖车辆中所有类型的瞬变，但实际上还是综合了多方面的干扰来考核车载电气设备：有高速、低能量的脉冲；低速、高能量的脉冲；兼顾速度和能量两方面的中等速度和中等能量脉冲；以及直流电压中断与直流电压跌落。因此，车载电气设备通过了ISO 7637-2的考核，在一般情况下，可以保证今后安装在12 V和24 V系统的轿车轻型货车及普通货车上的设备具有足够电磁兼容性。

2 电路硬件设计

2.1 传统滤波电路

传统常用的解决方案是使用正向导通的整流二极管来防止负压脉冲，使用瞬态二极管来吸收正压脉冲，其电路图如图2所示。

图2 传统干扰抑制电路Fig.2 Traditional interference suppression circuit

采用正向导通二极管的缺点就是内在的电压损耗，导致电子模块的实际供电电压降低。在当电流值较大时，整流二极管的损耗和成本会大幅增加。瞬态抑制二极管则应根据实际需要进行调整，往往一个瞬变二极管无法实现对所有瞬间能量变化的抑制，需要多个瞬变二极管并联，并且由于结电容的存在，响应速度会达不到要求。而且这部分电路同时带来的缺点是叠加的。以上电路最根本难以解决的问题是，要求用电电路有较高的耐压，比正常最高工作电压高10 V以上，这就需要所设计的电路选用耐压高的芯片或器件，这将大幅提高产品成本。该方案根据不同的电路需要配置不同的参数，通用性不强。

2.2 MOSFET开关电路

为了从根本上杜绝电源瞬态传导干扰进入到后级电路，有效的办法是监测到干扰的峰值电压超过某一设定值时，将其切断。为此，我们在主回路中串入一个MOSFET，实现开关控制，当干扰过大时，断掉后级电路，从而使得后级电路得到有效的保护。

监控芯片采用LT4356。该器件具有过流保护和浪涌电流限制，适用于高可用性系统。在电子系统必须处理短时高压浪涌的应用中 （如汽车应用中的负载突降情况），LT4356为对保障安全至关重要的下游组件提供了牢固的前端保护。其4 V至80 V的宽输入电压范围在冷车发动时可实现连续工作，冷车发动时电池电压可能低至 4 V。LT4356具有高额定输入电压，可以处理100 V和更高的瞬态电压，并在不对自身或负载造成损坏的前提下提供低至 -60 V的反向输入保护。LT4356非常适合汽车电子应用以及正的高压热插拔分布式电源系统。

它能有效控制抑制高电压浪涌，可调输出箝位电压，具有防反接功能：LT4356芯片本身支持 -60 V的反向输入保护。低待机电流：由于LT4356在汽车电子中应用，在汽车停驶时，用电瓶供电，这就需要电子系统有很低的待机功耗，LT4356的待机电流只有7μA。拥有极快的响应时间：LT4356可以提供小于2μs的响应时间，比传统的TVS管方案快了近一个数量级。工作温度可达125℃，可以满足汽车电子设计的要求[5]。

如图3所示，在电源主回路中串入一个N沟道MOSFET，通过过压保护和涌流限制芯片LT4356控制N沟道MOSFET的通断及输出，实现了串联通路稳压器。

图3 基于MOSFET的干扰抑制电路Fig.3 Interference suppression circuit based on the MOSFET

在通常情况下，LT4356驱动MOSFET，使其完全接通，这样输入功率直接通到负载电路，损耗很小。如果输入电压上升到高于某个值，那么LT4356开始将输出调节到一个安全值。MOSFET作为跟随器限制峰值馈通，调节响应时间由MOSFET栅极上的补偿电容器控制。

LT4356还监视VCC和SNS引脚之间的电压降，以防止遭受过流故障的影响。一个内部放大器用于把电流检测电压限制为50 mV。不管在哪一种故障条件下，定时器的起动均与MOSFET电压成反比。如果定时器操作终止，则FLT引脚将被拉至低电平，以发出“即将断电”的警告。如果该条件一直持续，则MOSFET将被关断。

同时，电路隔离低压电路使其免受损坏。最重要的是，LT4356调节输出时无需在其下游使用高压额定值组件。相反，可以使用较低成本的低压组件，仅需要耐压达到18 V即可，过压保护和涌流限制芯片可以隔离高压使其不能到达这些低压组件。该电路可以固定元件和参数，通用性强，一次设计可满足系统中多种用电电路需求。

3 试验验证

对2.2中所述的MOSFET开关电路进行试验验证，严格按照标准进行合理现场布置[6-7。

以脉冲 1（负压， U s=-100 V，t1=2.5 s）和脉冲 5a（正压，U s=+87 V，Ri=4 Ω，td=100 ms，tr=5 ms）为例，在某控制器上验证电路实施效果，结果如下：

当抑制电路输入脉冲1，最低至-85.8 V时，输出最低值仅-0.4 V，控制器电路工作正常，如图4所示。

图4 ISO 7637-2脉冲1测试Fig.4 Test of ISO 7637-2 Pulse 1

当抑制电路输入脉冲5a，最高至103.3 V时，输出最高值仅17.5 V，控制器电路工作正常，如图5所示。

图5 ISO 7637-2脉冲5a测试Fig.5 Test of ISO 7637-2 Pulse 5a

4 结 论

由试验结果可以看出，该抑制电路能够承受ISO 7637-2规定的测试脉冲冲击，有效地抑制了车辆电源瞬态传导干扰所产生的输入电压正负脉冲，稳定输出电压，使电源电路可靠的工作。

[1]梁华东.基于ISO7637的车载电源系统设计[J].今日电子，2009（5）:80-81.LIANG Hua-dong.Design of power systems in vehicles based on ISO7637[J].Electronics Daily，2009（5）:80-81

[2]蔡登胜，孙金泉.ISO7637道路车辆——传导与偶合的电气骚扰标准介绍及对策[J].装备制造技术，2007（9）:100-103.CAI Deng-sheng，SUN Jin-quan.ISO7637 road vehicle-introduced standard of the electrical disturbances from conduction and coupling and its countermeasure equipment manufacturing technology[J].Equipment Manufacturing Technology，2007（9）:100-103.

[3]孙成明，孙正，陈赋民，等.汽车抛负载瞬态传导抗扰性试验和分析[J].电子质量，2010（10）:70-75.SUN Cheng-ming，SUN Zheng，CHEN Fu-min，et al.Test and analysis of transient conduction immunity for automobile load dump[J].Electronics Quality，2010（10）:70-75.

[4]国际标准ISO 7637-2道路车辆—由传导和耦合引起的电骚扰 第2部分：沿电源线的电瞬态传导[S].2008.

[5]那威.基于LT4356的汽车电子电源前端保护方案[J].ECDN电子元器件资讯，2009（10）:11-12.NA Wei.Protection schemes of Motors electronic power based on LT4356[J].Electronic Component Information，2009（10）:11-12.

[6]黄雪梅，赖志达.解读ISO 7637及其测试实施方案[J].安全与电磁兼容，2008（6）:46-48.HUANG Xue-mei，LAI Zhi-dai.An Introduction to ISO 7637 and the configuration of test system[J].Safety&EMC，2008（6）:46-48.

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