车载通信终端防浪涌电路的优化设计

收稿日期：2023-11-13

作者简介

常君（1975—），男，高级工程师，从事车载电子T-BOX设计工作。

【摘 要】文章针对车载（尤其是新能源汽车）通信终端在使用时出现的偶发浪涌破坏问题，分析浪涌产生的不确定性，通过排查和试验复现失效过程，锁定问题，并提出三级防护的优化解决方案。试验结果表明，该方案能够提高车载通信终端抗扰能力，以达到IEC 61000-4-5试验标准要求，同时也达到实用性目的。

【关键词】新能源；电磁兼容；屏蔽

中图分类号：U463.6 文献标识码：A 文章编号：1003-8639（ 2024 ）07-0063-02

Design Optimization for Surge Protection Circuit of Automotive Telematics Device

CHANG Jun，YE Dan，WANG Yindong，XIAO Jiange

（Dalian Neusoft Smart Go Co.，Ltd.，Dalian 116085，China）

【Abstract】Accidental electrical surge may cause damages to automotive telematics devices especially for new energy vehicles. This article investigated and analyzed the uncertainty of electrical surge. By recreating the failure process，we successfully locked the root cause. Furthermore，we have proposed a novel in-circuit three-stage protection scheme to counter this problem. The experimental results have shown that such scheme is able to enhance the electrical surge immunity of telematics devices and hence to meet the IEC 61000-4-5 standard. Additionally，this scheme is also proven to have practical applications.

【Key words】new energy vehicle；electromagnetic compatibility（EMC）；shielding

浪涌是汽车电磁环境中对车载电子产品影响比较大的一种干扰现象。汽车电路中，浪涌主要有两个来源，一是来自电路外部（雷电或雷电感应），另一个是来自电路内部。其中，来自内部的占主导地位。在实车环境下，浪涌处于不定态，难以捕捉，其危害会导致零部件易受干扰，严重则造成电子元器件故障，进而影响客户体验，甚至安全性问题。本文以车载通信终端为例，介绍浪涌对其造成的危害、故障诊断及改进方法。

1 故障现象

车载通信终端在研发设计和测试环节均通过了正式的静电抗扰和瞬态抗扰测试，等级符合IEC 61000-4-2要求和ISO 7637国际汽车电器工业标准等试验标准，但是在试装车运行阶段，偶遇故障件，车载通信终端不工作，导致车辆数据无法上报、远程无法访问和控制车辆，说明产生的问题并非静电和瞬态抗扰两方面原因。

2 故障检测

通过对该故障件进行初步检测，发现主要故障是4G通信模组损坏。具体检测结果如下：MCU的主电源+3.3V和4G模组供电+3.8V电源均有效，MCU对4G模组的上电、复位、控制电路均正常，MCU侧对4G通信模组发送的数据正常，但是无接收数据，因此判断是4G通信无反应，存在被损坏的可能性。对模组返厂后，经解析，电源入口器件有损坏的痕迹。在车辆上，对车辆的供电和环境也进行了测试，供电仍在范围之内，但是车辆是新能源车，不排除有偶发浪涌的可能性，对车辆上的浪涌捕捉困难，尤其是偶发类型的浪涌。因此初步分析损坏原因是由于浪涌干扰电源引起的，即来自电源上的浪涌波动没有被前级滤波电路完全抑制掉，传递到模组的+3.8V系统中，对其后级电路进行了冲击，超过了模组的电源入口IC的承受范围，致使内部电路中的部分元件损坏。

3 故障验证

为验证上述故障原因分析的准确性，对原有的设计方案进行了浪涌抗扰度验证，验证故障能否再次重现。对浪涌抗扰度试验依据IEC 61000-4-5：2014国际标准。根据试验等级，浪涌的开路电压通常分为0.5kV、1kV、2kV、4kV 4个等级，执行时间为1.2/50μs电压波形和8/20μs电流波形规定。本试验采用0.5kV电压，测试布局环境依据标准进行。试验中在A、B、C、D 4处对电压进行监控，所得波形如图1所示，测试结果见表1。

测试结果分析，经过浪涌电压试验后，在4G模组根部侧残余电压>8.0V，依旧超出IC入口所能承受的极限电压，对内部IC会造成潜在的损坏。通过对驻网功能验证，发现4G模组无法访问基站，故障现象可再现。可以确认故障原因主要由外部浪涌导致，即从入口的电源系统电路直至+3.8V环路元件没有完全抑制住外部浪涌干扰信号，使得浪涌信号传递到模组+3.8V的系统中，导致+3.8V系统的较脆弱的模组内部元器件损坏，最终导致4G模组无法通信。以上试验再次验证了故障原因分析的准确性，因此需要对现有电路进行优化。

4 改进方法

针对浪涌抑制，最有效的方法就是采用TVS管防护方案。原有电路已经在入口处有TVS二极管E1、模组侧有TVS二极管D1，从目前效果来看，E1、D1起了绝大部分作用，只是到模组根部残余电压还很高。为了进一步降低后级残余电压，以最小的改动量，在B位置追加一个TVS二极管E2，并且再次进行有效测试。优化后的系统框图如图2所示，优化后的测试波形如图3所示。此时到达模组残余电压<6.5V，测试结果见表2。通过对驻网功能验证，4G模组功能一切正常，达到了预期改善的目的。

5 结论

针对车载通信终端在新能源车上试装偶发受浪涌干扰的问题，本文分析了浪涌的产生的机理。针对问题，提出了将浪涌防护电路由二级防护改为三级防护，并进行了有效验证。结果表明，采用本文所提供的优化方法能有效提高车载通信终端的抗浪涌能力，对改进后的市场车辆批量跟踪，运行一直很稳定，再未发现其他故障件，优化后电路效果非常明显。

参考文献：

[1] 周志敏. TVS瞬态干扰抑制器性能与应用[J]. 电子设计应用，2003（3）：75-76，80.

[2] IEC 61000-4-5：2014，Electromagnetic compatibility（EMC）-Part 4-5：Testing and measurement techniques-Surge immunity test[S].

[3] GB/T 17626.5—2019，电磁兼容试验和测量技术浪涌（冲击）抗扰度试验[S].

[4] 刘维嘉. IEC浪涌测试标准新发展[J]. 电子质量，2012（12）：66-69.

（编辑 杨凯麟）