汽车电池连续和瞬态传导干扰与相关测试

汽车电池的稳态电压范围为9V至16V,具体取决于其充电状态、环境温度和交流发电机工作状态。然而,电池电源总线也受到广泛的动态干扰,包括起停、冷启动和负载转储瞬变的限制。
 
每个汽车制造商除了由国际标准化组织(ISO)7637和ISO 16750等行业标准给出的标准脉冲波形之外,还具有独特且广泛的传导抗扰度测试套件。表1列出了几种欠压和过压汽车瞬变特性。
 
瞬态 原因 幅度和持续时间 相关标准
负载突降 高输出电流下断开交流发电机的放电电池 钳位至Us * = 35 V,取决于交流发电机的集中式钳位和稳压器的响应时间 ISO 16750-2:2012第4.6.4节
冷启动 启动电机通电后电池电压降低和后续恢复 在冷启动期间,初始低压坪(U56)低至15ms时为 2.8V ISO 16750-2:2012第4.6.3节(也包括其OEM变体)
双电池助动启动 带有双电池电气系统的商用车助动启动 24V,2分钟 ISO 16750-2:2012第4.3.1节
发电机调压器故障 交流发电机的电压稳压器故障,导致电池充满电 18V,1小时 针对OEM
反向电压 电池端子误连接施加的负电压 -14V,1分钟 ISO 16750-2:2012第4.7节
电感负载 切换或断开大电流电感负载(风机、车窗马达、制动系统等) -150V,2ms(脉冲1)
+ 150V,50μs(脉冲2a)
ISO 7637-2:2011脉冲1、2a、2b、3a、3b
叠加交流电压 由于交流发电机的三相桥式整流输出电压交流电压承受直流电池电压 在50HZ至25kHz条件下,1V至4V幅度扫描持续2分钟以上 ISO 16750-2:2012第4.4节
 
 
表1:汽车电池连续和瞬态传导干扰与相关测试水平
 
 
 
发电机引起的噪声
 
在音频范围内,一个特别讨厌的噪声源是汽车交流发电机,其输出端所产生的残留交流电会导致交流发电机发出“呜呜声”和电源调制问题。表1中提到的ISO 16750-2第4.4节描述了在50Hz至25kHz的频率范围内交流发电机输出的纹波电压,峰值幅度(VPP)为1V、2V和4V,具体取决于测试脉冲的严重程度。参见图1。

 图1:ISO 16750-2叠加交流电压测试(a);在两分钟扫描持续时间内从50Hz到25kHz的对数频率扫描曲线(b)
 
在许多车辆中,由低通电感 - 电容(LC)滤波器和瞬态电压抑制器(TVS)二极管组成的集中式无源电路保护网络被用作抑制瞬态干扰的第一道防线。位于保护网络下游的汽车电子器件的额定值可承受高达40V的瞬态且不会损坏。然而,LC滤波器要求的截止频率要衰减低频干扰,导致产生了相当大的滤波电感和电解电容。此时,一个有源功率级的存在是必要的,其可以消除庞大的无源滤波器组件,并为紧凑的电压调节和瞬态抑制提供了紧凑且经济高效的解决方案。
 
四开关同步降压 - 升压稳压器
 
宽VIN降压 - 升压稳压器解决方案的优点在于其高电源抑制比(PSRR),提供优异的瞬态力学来衰减输入电压瞬变。考虑到这一点,我最近写了一篇文章:“汽车前端降压 - 升压稳压器主动过滤电压干扰”,它描述了汽车应用的高密度解决方案。
 
图2所示为四开关降压 - 升压稳压器的原理图,用于输出紧密调压的12V导轨。该解决方案非常适用于关键的汽车功能,包括传动列、燃料系统以及车身和安全子系统,即使在最严重的电池电压瞬变过程中,负载必须保持供电而没有故障。这种易于使用的设计工具简化了稳压器设计,从而实现了设计和上市时间的速度提升。
 

图2:具有3V至36V宽VIN范围的四开关同步降压 - 升压解决方案
 
图3a所示为当9V的直流输入具有带1V峰幅度和1kHz频率的叠加正弦波纹时的降压 - 升压稳压器的输出电压波形。输入纹波衰减约40dB。图3b所示为在使用汽车冷启动模拟器的冷启动瞬变下降至3V,持续20ms的输出电压。四开关降压 - 升压转换器通过冷启动曲线无缝调压。
 

图3:测量的四开关降压 - 升压转换器:9V直流输入(a)波纹抑制;冷启动性能(b)
 
总结
 
凭借其高电源电压抑制比(PSRR)、高效率和低总体物料清单成本,如同TI的LM5175-Q1电流模式控制器的四开关同步降压 - 升压为减轻汽车应用中的瞬态干扰提供了有用的解决方案。该降压 - 升压控制器具有汽车业认证,可方便其集成到车载12V单电池和24V双电池系统中。

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