過渡汽車負載突降和感應電壓瞬態(tài)

對于常用電源而言，汽車電源軌是對電源最具挑戰(zhàn)性的輸入之一。其標稱電壓在 10.6V 至 15V 范圍內變化，取決于電池充電狀態(tài)、環(huán)境溫度以及交流發(fā)電機是處于充電還是空閑狀態(tài)。除了標稱電壓的變化，汽車電源軌還受到多種動態(tài)干擾，這些干擾由以下因素的變化引起：發(fā)動機 RPM;電動車窗、擋風玻璃刮水器、空調等過渡負載;束線配線中的感應瞬態(tài)。

不過，最極端的情況發(fā)生在負載突降瞬態(tài)時，這種瞬態(tài)可能產生超過 120V、持續(xù)數(shù)百微秒的電壓。當交流發(fā)電機給汽車電池充電且電氣開路引起電池與交流發(fā)電機短暫斷接時，就會發(fā)生負載突降瞬態(tài)。在穩(wěn)壓器響應之前，交流發(fā)電機的全部充電電流都直接加在了汽車電源總線上，從而有可能將其電壓提高到很危險的水平。這類瞬態(tài)可能由機械師修理車輛時從物理上斷開電池連接引起，也有可能由電池電纜中錯誤的連接或電池端子腐蝕導致。

汽車電子系統(tǒng)還必須設計成能承受雙電池猛然起動情況，在這種情況下，當用串聯(lián)連接的第二個電池或具備雙電池電氣系統(tǒng)的商用車輛猛然啟動汽車時，汽車電子系統(tǒng)要在較長時間內承受 24V 電壓。汽車總線上的另一種過壓情況是由交流發(fā)電機穩(wěn)壓器故障引起的，在汽車電子系統(tǒng) OEM 進行的電池測試中，常常包括對這種過壓情況的測試。這種故障可能導致交流發(fā)電機的充電電流全部加到電池上，并產生大約為 18V 并持續(xù)較長時間的過高電壓。

切換大功率負載會引起負載快速變化，汽車電源軌還會受到這種變化導致和持續(xù)時間很短的過壓瞬態(tài)影響，這類大功率負載包括與汽車束線配線中很大的電感相互作用的電動車門、風扇以及冷卻風扇電動機。

在大多數(shù)汽車中，由低通 LC 濾波器和瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 陣列組成的無源保護網(wǎng)絡被用作第一道防線，以箝制電源總線的峰值擺幅。一般情況下，位于保護網(wǎng)絡下游的汽車電子系統(tǒng)必須承受高達 40V 的瞬態(tài)電壓而不被損壞。關鍵系統(tǒng)不僅必須承受而且還必須在通過這類瞬態(tài)時無縫地工作，并且無中斷。圖 4 說明，LTC3115-1 能保持 5V 電源軌的不間斷調節(jié)，以 1ms 上升和下降時間通過 13.8V 至 40V 短暫電壓瞬態(tài)。

圖 4：13.8V 至 40V 負載突降電壓瞬態(tài)

10V/DIV：每格 10V

在汽車冷車發(fā)動瞬態(tài)時無縫工作

高壓瞬態(tài)在汽車電源總線上是個問題，但是也許更具挑戰(zhàn)性的問題是欠壓瞬態(tài)。最嚴重的欠壓瞬態(tài)是由冷車發(fā)動引起的，最初啟動發(fā)動機時，會發(fā)生冷車發(fā)動情況。

典型的冷車發(fā)動電壓波形如圖 5 所示。最初的穩(wěn)定低壓是最極端的情況，當發(fā)動機啟動器開始轉動完全停止的發(fā)動機時，就會引起這種情況。在這個階段，汽車的總線電壓可能降至低于 4V。更冷的溫度會使情況惡化，因為機油粘性越大，要求發(fā)動機啟動器提供的扭矩就越大。第一個穩(wěn)定期之后，是第二個電壓稍高一點的穩(wěn)定期。在啟動器保持發(fā)動機轉動的同時，第二個穩(wěn)定電壓一般接近標稱電池電壓的一半。一旦發(fā)動機啟動完畢，電池就恢復到標稱電壓。

圖 5：12V 至 4.5V 冷車發(fā)動電壓瞬態(tài)

在發(fā)生冷車發(fā)動瞬態(tài)時，安全裝置以及發(fā)動機的關鍵組件 (例如: 發(fā)動機控制單元、燃料注入系統(tǒng)等) 都要從始至終保持運行。如圖 5 所示，在發(fā)生欠壓情況時，自動和無縫地切換到升壓工作模式，LTC3115-1 的降壓-升壓型架構使該器件能保持輸出穩(wěn)壓，因而可通過即使最嚴重的冷車發(fā)動瞬態(tài)。

由于當今的汽車包括了自動化節(jié)油、按需引擎起/停 (當車輛遭遇紅燈或在車流中短暫停駛時，汽車的引擎被關閉) 等功能，因此冷車發(fā)動能力對于汽車電子而言其重要性有所增加。配備按需起動功能的汽車容易遇到頻繁的欠壓發(fā)動過程。因此，以前在傳統(tǒng)汽車偶爾的冷車發(fā)動過程中無需運行的輔助電氣組件，如今也必須在此類瞬變期間運作，以消除其對信息娛樂、導航、儀表板電子裝置和照明系統(tǒng)的任何干擾。