从冷启动到负载突降：汽车瞬态入门
品慧电子讯汽车技术的进步极大地增加了典型汽车系统中复杂电子电路的数量，用以改善驾驶体验与安全性。新车型不断为信息娱乐系统提供更高分辨率的显示屏、增强的用户界面和更多的连接选项；而先进的安全功能则包括了用于避免碰撞的激光雷达，以及用于驾驶员感知的多摄像头与传感器。大多数这种电子模块都会连接到 12V 或 24V 电池系统，这意味着它们会经受严苛或动态瞬态环境的影响。如何确保电路在极端环境下的可靠运行，这对电源设计人员提出了严峻的挑战。
图 1 所示为典型的汽车电子系统。汽车电池系统的典型负载包括信息娱乐系统、ADAS、数字驾驶舱、照明系统、电子模块 (ECU) 和 CAN 总线。
图 1：典型汽车电子系统
从交流发电机产生的严重高能瞬变到点火系统产生的低电平噪声，传统汽车电源的瞬态条件多种多样。本文将介绍一些常见的汽车瞬态条件，例如电池反向、冷启动、热启动和负载突降，并探讨这些瞬态产生的原因以及系统设计的挑战所在。
冷启动
在寒冷的天气条件下，汽车电池和引擎都需要承受极低的温度。当启动器吸收大电流以启动冷引擎时，电池电压会下降，并产生冷启动脉冲。冷启动条件下，电池电压可能会在 15ms 到 50ms 的时间内降至 3V 以下（最坏情况）。
之后，电池电压会上升至大约 6V，并保持几秒钟，然后又在几毫秒的上升时间内回到标称电压。在低温环境中，典型冷启动条件下的电池电压曲线如图2所示。ISO 7637-2标准中的测试脉冲4对这类启动曲线有详细的描述。
图2: 典型冷启动脉冲
典型条件之下，不同汽车制造商的电池启动曲线都非常相似，但不同OEM的电压电平和时序则各不相同。
根据不同的 OEM 规格，启动器曲线脉冲中可能还包含低频正弦波。正弦波（例如 2Hz）代表了启动期间的交流发电机噪声。ISO 16750-2 标准中描述了几种使用正弦波注入的启动曲线， OEM 规格中可以引用。这种波形通常被称为重度冷启动脉冲（见图 3）。
图3: 重度冷启动脉冲
冷启动系统挑战
在冷启动条件下，电源解决方案需要确保在短时间内为低至 2.8V 的输入提供连续、稳定的输出调整率。具有宽VIN 范围的变换器，例如 MPS的DC/DC 升降压变换器MPQ8875A-AEC1，就可以解决这种低输入电压问题。
热启动
当启动器吸收大电流来启动热引擎时，电池电压也会下降，并产生热启动脉冲。尽管热启动脉冲与冷启动脉冲非常相似，但其压降和缩短的脉冲持续时间通常程度低很多。ISO 16750-2 和 ISO 7637-2标准中的测试脉冲 4 也对热启动的启动曲线进行了描述。
在热启动脉冲期间，电池电压可降至 5V 或 6V，电压下降时间通常都比冷启动短。在大约 5ms 的短暂持续时间之后，电池电压会上升到大约 8V，并在此保持不到一秒钟，然后再回到标称电压。图 4 显示了热启动条件下的电池电压曲线。
图4: 典型热启动脉冲
不同汽车制造商的热启动脉冲电池电压曲线都很相似，但不同 OEM的电压电平和时序也是各不相同。汽车自动启停功能（start-stop）就是热启动脉冲条件的一个例子。当踩下刹车，车辆完全停止时，引擎关闭；而在松开制动踏板时，引擎重新启动。
热启动系统挑战
许多车辆都要求，即使在热启动等条件下，也要保持某些汽车功能的持续运行。例如，汽车收音机不应在热启动时突然停止播放音乐，液晶显示面板也不应闪烁或视频质量下降。采用具有宽 VIN 范围的 DC/DC 升压或升降压变换器可以应对这种类型的低输入电压条件，例如MPS的MPQ8875A-AEC1。
反向电压
当汽车电池从系统断开，并意外电池极性反转重连时，会出现反向电压或电池反向的情况。这会在输入电源连接器上产生负电压，从而损坏电源和其他电路。许多 IC 的额定负电压仅为几百毫伏（例如 -0.3V），而其他组件则可能对极性非常敏感。反向保护二极管或 MOSFET 通常被用于保护电路免受这种情况的影响。
图 5 显示了一个ECU错误连接到电池的装置。将最初连接正确的14V 电池断开，重新连接至 ECU时，将电池极性反转，使 ECU 处于负14V的电压之下。ISO 和 OEM 测试定义了施加负电压的持续时间可以超过 60 秒。常用的方法是采用保险丝来防止过流损坏，具体取决于反向保护电路。施加反向电压超过规定的测试时间之后，需要重新施加正确极性的电压，以确认模块仍能正常工作。
图5: 电池反向条件
反向电压系统挑战
保护所有 IC 和组件免受负电压或反向电压的影响至关重要。在这种条件之下，组件会严重降级甚至损坏。建议使用二极管和 MOSFET 等器件来提供相应的保护。
负载突降
当电池断开但交流发电机仍连接到其他电子负载上时，会产生电压浪涌，这就是负载突降瞬态（见图 6）。如果在车辆行驶时电池意外断开，就可能会发生负载突降。常见的原因包括电池端子腐蚀、连接不良或电池电缆退化。
图6: 负载突降条件
峰值浪涌电压可能超过100V，并需要400ms的时间才能衰减下来。ISO 16750-2 和 ISO 7637-2中的测试脉冲 5a 和 5b通常被引用以对特定的负载突降瞬态脉冲进行描述。这两个标准中都描述了两种类型的负载突降瞬变。
1. 未抑制：当电池断开且交流发电机仍为系统供电时，会产生高压负载突降瞬态浪涌，从而导致非钳位波形，如图 7所示。在这种情况下，交流发电机没有内部钳位或抑制装置，连接到交流发电机的模块和器件都会受到这种突发瞬态条件的影响。
图7: 未抑制的负载突降脉冲
2. 受抑制：当负载突降瞬态浪涌发生时，波形被交流发电机整流器中的雪崩二极管抑制，从而产生钳位波形（见图 8）。在这种情况下，交流发电机中的钳位保护会将大多数 12V 系统中的瞬态电压抑制到较低的程度，通常介于 32V 和 40V 之间。
图8: 受抑制的负载突降脉冲
负载突降系统挑战
电路必须能够承受负载突降而不会损坏或退化。建议采用 TVS 二极管或其他输入保护来避免受到负载突降的影响。为了抑制负载突降，电路所需的钳位保护可能只需要额定在 40V 至 45V 之间。此时，采用宽 VIN 降压变换器即可满足系统要求，例如MPS的MPQ4316-AEC1。 对于不受抑制的负载突降，钳位保护的额定值要高得多，因此也需要更大且成本更高的解决方案。
总结
表 1 总结了上文描述的汽车瞬态和脉冲条件，涵盖了常见的行业测试标准，同时还强调了系统设计者必须考虑的系统挑战。
表 1：汽车输入瞬态、通用标准和系统挑战
结论
所有典型汽车模块都需要解决文中讨论的大部分或所有瞬态条件。对这些关键的汽车瞬态有一个基本的了解对于设计出稳健的解决方案十分必要。
设计满足极端条件的可靠电源电路可能极具挑战性，但 MPQ4316-AEC1（具有宽 VIN 的降压变换器）、MPQ8875A-AEC1（具有宽 VIN的升降压变换器）和 MPQ7200- AEC1（具有宽 VIN 的 LED 驱动器）等性能稳健的汽车组件拥有应对动态环境的能力，能够提供出色的性能和安全性。
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