汽車音響直流電源濾波器的設計

5. 瞬態(tài)傳導干擾的設計考慮

在ISO 7637-2:2004、GMW3100-08.2001:3.2.1.3等標準中規(guī)定了沿電源線的電瞬態(tài)傳導的干擾脈沖的抗擾性失效模式、嚴重程度和測量，提供了5 種典型脈沖波形，雖然沒有涵蓋所有可能出現(xiàn)在車輛上的各種瞬態(tài)脈沖，但適用于各種動力系統(tǒng)的道路車輛，例如：火花點火發(fā)動機、壓燃式發(fā)動機、電動機、混合動力驅(qū)動系統(tǒng)。針對這5種典型的瞬態(tài)傳導脈沖，在Saber仿真環(huán)境中進行該電源濾波器電路(圖13)的仿真如下：

圖13

1)脈沖1 是模擬電源與感性負載斷開連接時所產(chǎn)生的瞬態(tài)現(xiàn)象。它影響與感性負載并聯(lián)的用電裝置，適用于各種DUT 與感性負載保持直接并聯(lián)的情況。仿真結果見圖14。

圖14

2) 脈沖2a 模擬由于線束電感的原因，使與DUT并聯(lián)的裝置內(nèi)電流突然中斷引起的瞬態(tài)現(xiàn)象;脈沖2b 模擬直流電機充當發(fā)電機，在點火開關斷開時的瞬態(tài)現(xiàn)象。仿真結果見圖15a和15b。

圖15a

圖15b

3) 試驗脈沖3 模擬由開關過程引起的瞬態(tài)現(xiàn)象，這些脈沖的特性受線束的分布電容和分布電感的影響。仿真結果見圖16a和16b。

圖16a

圖16b

4) 試驗脈沖4 模擬內(nèi)燃機的起動電機電路通電時產(chǎn)生的供電系統(tǒng)電源電壓的降低，不包括起動時的尖峰電壓。仿真結果見圖17。

圖17

5)試驗脈沖5 是模擬拋負載瞬態(tài)現(xiàn)象，即模擬在斷開電池(虧電狀態(tài))的同時，交流發(fā)電機正在產(chǎn)生充電電流，而發(fā)電機電路上仍有其它負載時產(chǎn)生的瞬態(tài)，拋負載的幅度取決于斷開電池連接時，發(fā)電機的轉速和發(fā)電機的勵磁場強的大小，拋負載脈沖寬度主要取決于勵磁電路的時間常數(shù)和脈沖幅度。產(chǎn)生拋負載的可能原因是電纜腐蝕、接觸不良或發(fā)動機正在運轉時，有意斷開與電池的連接。大多數(shù)新型交流發(fā)電機內(nèi)部，由于增加限幅二極管而抑制了拋負載幅度。具有非集中拋負載抑制的交流發(fā)電機的脈沖波形(脈沖5a)及仿真結果見圖18a，具有集中拋負載抑制的交流發(fā)電機的脈沖波形(脈沖5b)及仿真結果見圖18b。

圖18a

圖18b

在汽車音響產(chǎn)品設計滿足Over Voltage、反向電壓測試和進行Pulse 5 拋負載瞬態(tài)脈沖設計考慮中，TVS 二極管在整個電源濾波器中扮演著重要角色，如何選擇適合的TVS(硅瞬態(tài)電壓吸收二極管 Silicon Transient Voltage Suppressor)是設計的關鍵。下面，針對TVS 二極管進行簡單介紹，建立TVS 在Pulse 5 雙指數(shù)脈沖波形能量累積的MathCAD模型并進行仿真分析。

TVS 二極管是十分有效的瞬態(tài)干擾抑制器件，當其兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以10 – 12 ns 量級的速度，將兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預定值(一般小于2 倍額定工作電壓)，有效地保護電子電路中的精密元器件免受各種浪涌脈沖的破壞。

TVS 對浪涌功率和浪涌電流的吸收能力取決于PN 結的面積，峰值脈沖功率(Pp)的吸收能力可以達到數(shù)千瓦。早期的器件用10/1000us 波形來考核，現(xiàn)在通常采用8/20us 的波形進行定義。TVS 的吸收峰值脈沖功率(Pp)是由TVS 上的箝位電壓和流過TVS 的沖擊電流的峰值乘積來確定的。要注意的是：TVS 的最大箝位電壓與TVS 的擊穿電壓(轉折電壓)不是一回事，最大箝位電壓大約是擊穿電壓的1.4 – 1.5 倍，這也表明TVS 有一定的動態(tài)電阻。

實際的TVS 瞬變干擾限定電壓可以用下式表達：

Uo = (IP/IPP)(UCMAX – UBR) + UBR

式中： IP 是實際的脈沖電流值

IPP是額定的最大脈沖電流

UCMAX 是產(chǎn)品規(guī)定的最大箝位電壓

UBR 是擊穿電壓

圖19 至圖22 為TPSMC36A TVS 的技術指標，了解每個波形的含義，有助于進行TVS 的MathCAD 模型仿真分析。

在ISO7637-2：2004附錄E(脈沖發(fā)生器能量容量的確定)中，介紹了計算由脈沖發(fā)生器傳遞到匹配電阻(電阻性負載RL)上的脈沖能量的數(shù)學模型， 如下圖23：

圖E.2——由瞬態(tài)發(fā)生器產(chǎn)生的雙指數(shù)脈沖波形

圖23

上式中：

UO —— 開路輸出電壓

Ri —— 脈沖發(fā)生器的電源內(nèi)阻

RL —— 脈沖發(fā)生器的負載電阻

Td —— 0.1Us 至0.1Us 的脈沖寬度

I (t) —— 電流波形函數(shù)

U (t) —— 電壓波形函數(shù)

We —— 單脈沖的能量容量

基于上述雙指數(shù)脈沖波形能量計算數(shù)學模型，在MathCAD 中進行仿真，可以得到TVSTPSMC36A 拋負載測試(Pulse 5)的浪涌功率吸收的仿真結果，見圖24。它能滿足GMW3100 中Pulse 5B(Vs + Vr = 46V)的設計要求，但達不到ISO7637-2 中Pulse 5A(Vs + Vr = 100V)的設計要求。

圖24

如果產(chǎn)品設計要求一定通過Pulse5 脈沖，可以更換大功率的TVS 二極管或者將兩個或多個TVS 串/并聯(lián)起來解決高電壓和大功率的要求。將TVS 串聯(lián)可以獲得更高的限定電壓值，只是等效TVS 的最大吸收電流取決于串連TVS 中Ip 最低的一個值。將TVS 并聯(lián)可以獲得更高的限定電流值，只是等效TVS 的最大脈沖電壓取決于并聯(lián)TVS 中VRSM 最低的一個值。將圖25 中的D1 換成同系列的TPSMC20A TVS 管，分別采用4 個和5 個并聯(lián)使用，均能夠滿足Pulse 5a 的要求，參見Saber 和MathCAD 的仿真結果，見圖26。從圖26 中可以發(fā)現(xiàn)：4 個TVS 并聯(lián)處于設計邊緣，風險比較高，5 個并聯(lián)則有設計風險低。采用4 或5 個TVS 管，在PCB Layout 中占有的空間比較大，若空間有限，可以選用單個TVS 具有高功率的器件來滿足設計要求。

圖25

圖26a

6 總結

1)汽車的電氣系統(tǒng)分為供電系統(tǒng)和用電設備兩部分，具有低壓、直流和單線制供電特點;

2)汽車電源系統(tǒng)中產(chǎn)生各種各樣的瞬態(tài)脈沖電流，它是汽車用電設備的傳導噪音源;

3)直流電源濾波器主要有π 形、T 形和L 形等四種網(wǎng)絡結構，不管采用哪一種網(wǎng)絡形式，都要最大程度地滿足阻抗失配設計原則;

4)汽車供電系統(tǒng)中的瞬態(tài)脈沖噪音，一般集中在音頻范圍內(nèi)(20Hz 至20KHz)，在汽車音響直流濾波器設計中要重點評估扼流圈和電容等器件的選擇是否有效地抑制音頻噪音干擾(AFI = Audio Frequency Interference);

5)Over Voltage、Over Current、Reverse Voltage 和ISO7637-2 中的各種瞬態(tài)脈沖等都是汽車音響直流濾波器設計過程中的重要考慮參數(shù);

6)TVS 二極管在整個直流電源濾波器中扮演著重要角色，如何選擇適合的TVS 是解決汽車音響能否通過Over Voltage、反向電壓測試和Pulse 5 拋負載瞬態(tài)脈沖測試的關鍵;

7)Saber 和MathCAD 是進行電源濾波器設計電路仿真的有效快捷工具。