汽车音响直流电源滤波器的设计（2） 直流电源, 混合动力, 发动机, 电动机, 滤波器

苹果也疯狂

5. 瞬态传导干扰的设计考虑
在ISO 7637-2:2004、GMW3100-08.2001:3.2.1.3等标准中规定了沿电源线的电瞬态传导的干扰脉冲的抗扰性失效模式、严重程度和测量，提供了5 种典型脉冲波形，虽然没有涵盖所有可能出现在车辆上的各种瞬态脉冲，但适用于各种动力系统的道路车辆，例如：火花点火发动机、压燃式发动机、电动机、混合动力驱动系统。针对这5种典型的瞬态传导脉冲，在Saber仿真环境中进行该电源滤波器电路(图13)的仿真如下：


图13
1)脉冲1 是模拟电源与感性负载断开连接时所产生的瞬态现象。它影响与感性负载并联的用电装置，适用于各种DUT 与感性负载保持直接并联的情况。仿真结果见图14。


图14
2) 脉冲2a 模拟由于线束电感的原因，使与DUT并联的装置内电流突然中断引起的瞬态现象;脉冲2b 模拟直流电机充当发电机，在点火开关断开时的瞬态现象。仿真结果见图15a和15b。


图15a


图15b
3) 试验脉冲3 模拟由开关过程引起的瞬态现象，这些脉冲的特性受线束的分布电容和分布电感的影响。仿真结果见图16a和16b。


图16a


图16b
4) 试验脉冲4 模拟内燃机的起动电机电路通电时产生的供电系统电源电压的降低，不包括起动时的尖峰电压。仿真结果见图17。


图17
5)试验脉冲5 是模拟抛负载瞬态现象，即模拟在断开电池(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它负载时产生的瞬态，抛负载的幅度取决于断开电池连接时，发电机的转速和发电机的励磁场强的大小，抛负载脉冲宽度主要取决于励磁电路的时间常数和脉冲幅度。产生抛负载的可能原因是电缆腐蚀、接触不良或发动机正在运转时，有意断开与电池的连接。大多数新型交流发电机内部，由于增加限幅二极管而抑制了抛负载幅度。具有非集中抛负载抑制的交流发电机的脉冲波形(脉冲5a)及仿真结果见图18a，具有集中抛负载抑制的交流发电机的脉冲波形(脉冲5b)及仿真结果见图18b。


图18a


图18b
在汽车音响产品设计满足Over Voltage、反向电压测试和进行Pulse 5 抛负载瞬态脉冲设计考虑中，TVS 二极管在整个电源滤波器中扮演着重要角色，如何选择适合的TVS(硅瞬态电压吸收二极管 Silicon Transient Voltage Suppressor)是设计的关键。下面，针对TVS 二极管进行简单介绍，建立TVS 在Pulse 5 双指数脉冲波形能量累积的MathCAD模型并进行仿真分析。
TVS 二极管是十分有效的瞬态干扰抑制器件，当其两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10 – 12 ns 量级的速度，将两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值(一般小于2 倍额定工作电压)，有效地保护电子电路中的精密元器件免受各种浪涌脉冲的破坏。
TVS 对浪涌功率和浪涌电流的吸收能力取决于PN 结的面积，峰值脉冲功率(Pp)的吸收能力可以达到数千瓦。早期的器件用10/1000us 波形来考核，现在通常采用8/20us 的波形进行定义。TVS 的吸收峰值脉冲功率(Pp)是由TVS 上的箝位电压和流过TVS 的冲击电流的峰值乘积来确定的。要注意的是：TVS 的最大箝位电压与TVS 的击穿电压(转折电压)不是一回事，最大箝位电压大约是击穿电压的1.4 – 1.5 倍，这也表明TVS 有一定的动态电阻。
实际的TVS 瞬变干扰限定电压可以用下式表达：
Uo = (IP/IPP)(UCMAX – UBR) + UBR
式中： IP 是实际的脉冲电流值
IPP是额定的最大脉冲电流
UCMAX 是产品规定的最大箝位电压
UBR 是击穿电压
图19 至图22 为TPSMC36A TVS 的技术指标，了解每个波形的含义，有助于进行TVS 的MathCAD 模型仿真分析。


在ISO7637-2：2004附录E(脉冲发生器能量容量的确定)中，介绍了计算由脉冲发生器传递到匹配电阻(电阻性负载RL)上的脉冲能量的数学模型， 如下图23：


图E.2——由瞬态发生器产生的双指数脉冲波形
图23


上式中：
UO —— 开路输出电压
Ri —— 脉冲发生器的电源内阻
RL —— 脉冲发生器的负载电阻
Td —— 0.1Us 至0.1Us 的脉冲宽度
I (t) —— 电流波形函数
U (t) —— 电压波形函数
We —— 单脉冲的能量容量
基于上述双指数脉冲波形能量计算数学模型，在MathCAD 中进行仿真，可以得到TVSTPSMC36A 抛负载测试(Pulse 5)的浪涌功率吸收的仿真结果，见图24。它能满足GMW3100 中Pulse 5B(Vs + Vr = 46V)的设计要求，但达不到ISO7637-2 中Pulse 5A(Vs + Vr = 100V)的设计要求。


图24
如果产品设计要求一定通过Pulse5 脉冲，可以更换大功率的TVS 二极管或者将两个或多个TVS 串/并联起来解决高电压和大功率的要求。将TVS 串联可以获得更高的限定电压值，只是等效TVS 的最大吸收电流取决于串连TVS 中Ip 最低的一个值。将TVS 并联可以获得更高的限定电流值，只是等效TVS 的最大脉冲电压取决于并联TVS 中VRSM 最低的一个值。将图25 中的D1 换成同系列的TPSMC20A TVS 管，分别采用4 个和5 个并联使用，均能够满足Pulse 5a 的要求，参见Saber 和MathCAD 的仿真结果，见图26。从图26 中可以发现：4 个TVS 并联处于设计边缘，风险比较高，5 个并联则有设计风险低。采用4 或5 个TVS 管，在PCB Layout 中占有的空间比较大，若空间有限，可以选用单个TVS 具有高功率的器件来满足设计要求。


图25


图26a
6 总结
1)汽车的电气系统分为供电系统和用电设备两部分，具有低压、直流和单线制供电特点;
2)汽车电源系统中产生各种各样的瞬态脉冲电流，它是汽车用电设备的传导噪音源;
3)直流电源滤波器主要有π 形、T 形和L 形等四种网络结构，不管采用哪一种网络形式，都要最大程度地满足阻抗失配设计原则;
4)汽车供电系统中的瞬态脉冲噪音，一般集中在音频范围内(20Hz 至20KHz)，在汽车音响直流滤波器设计中要重点评估扼流圈和电容等器件的选择是否有效地抑制音频噪音干扰(AFI = Audio Frequency Interference);
5)Over Voltage、Over Current、Reverse Voltage 和ISO7637-2 中的各种瞬态脉冲等都是汽车音响直流滤波器设计过程中的重要考虑参数;
6)TVS 二极管在整个直流电源滤波器中扮演着重要角色，如何选择适合的TVS 是解决汽车音响能否通过Over Voltage、反向电压测试和Pulse 5 抛负载瞬态脉冲测试的关键;
7)Saber 和MathCAD 是进行电源滤波器设计电路仿真的有效快捷工具。