汽车前端设计挑战—对驾驶员的主动保护

你很有可能在启动汽车时有着类似的经历，那就是只听到咔哒声，而不是发动机转动的声音。这是由电池没电造成的，虽然电池没电的原因会有很多，不过在大多数情况下，都是人为错误造成的（是不是车内照明灯一宿没关？）人为错误还会在用搭线的方式启动汽车时发生。

汽车系统设计人员必须准备应对两种可能由搭线着车时所犯错误而导致的情况：电池反接，双电池情况。当把跨接电缆的红色一端接至电池接地，而把黑色一端接到电池正极时会出现电池反接，此时的情况与图1中的接法正好相反。在这样的情况下，一个二极管将保护系统，但是，与此同时，一个二极管会在正常运行时产生系统损耗。根据系统功率额定值的不同，正向压降可以是0.5V至1.0V之间的任一值。这样，产生了大量的热，并且会降低总体系统效率。

卡车和公交车有两个串联在一起的电池，而汽车只有单个电池。可能附近可以给你的车搭线的车辆只有卡车。这就会产生了一个双电池情况，施加到整个系统中的电压现在加倍。这对系统产生了很大的压力。

抛负载是工程师在设计系统时必须使系统能够耐受和克服的另外一个情况。由于它与系统本身的问题相关，所以这个情况不是由电池反接等人为错误造成的。

图2-抛负载情况图。

抛负载（如图2中所见）在交流发电机或电池由于腐蚀或甚至更糟糕的安装而从系统断开时发生。这个断开产生了会击穿整个系统的大电压尖峰。交流发电机在汽车电力系统运行中发挥着重要作用，没有它的话，你的电池就会没电。

所有这些讨论过的情况形成对汽车前端设计中，如何保护控制元件、传感器和娱乐系统不受有害浪涌、电压瞬态、静电放电 (ESD) 和出现在电力线路上的噪声影响的主要挑战。瞬态电压抑制器 (TVS) 是一个针对汽车电子保护的低成本解决方案，并且具有几个针对这些汽车应用的重要参数，其中包括功率额定值、切断电压、击穿电压和最大击穿电压。由于TVS不能抑制全部问题的发生，你还必须确保你所使用下游DC/DC转换器具有更高的VIN，这样的话，系统就不会出现尖峰问题。

在前端电源中，当系统将电池电压转换为处理器所需的电压时，开关稳压器对于系统的总体功率密度和效率至关重要。使用开关稳压器的问题在于，它在运行时产生噪声。开关需要快速改变电气条件；其中包括进入开关的电流；开关节点电压变化；以及输出电压纹波，还有与外部组件选型相关的其它因素。当控制以很多方向循环的大量电能时，由于物理学原理，这些因素中的某些因素不能被改变。所有这些情况都会对电磁兼容性产生影响，简称为EMC。

汽车EMC的主要标准被称为CISPR 25，其中包括数个等级，等级的划分根据中断设备要求的严格程度，以及需要多低的EMC。你经常会听到由收音机AM波段上的EMC所产生的噪声。这种噪声很烦人，所以需要用滤波来抑制这种噪声。汽车专用开关稳压器被设计成通过架构（电流模式是汽车应用中最常见的架构）、组件位置（尽可能靠近开关稳压器，数量尽可能少），以及器件引脚分配的组合来尽可能地降低电磁噪声。你永远不可能消除这种噪声，不过可以减少它们。

在TI，我们开发出了一款参考设计；这款设计使得前端汽车电源设计人员能够符合所有这些汽车系统标准，并且解决这篇博文中讨论的问题。

图3—TI针对汽车后置摄像头和先进驾驶员辅助系统 (ADAS) 的CISPR 25 5类多输出参考设计。

图3中显示的这款TI Designs参考设计是一款符合CISPR 25 5类汽车标准的电磁干扰 (EMI) 经优化的多输出设计。9W设计非常适合于那些支持冷启动条件的宽范围VIN汽车先进驾驶员辅助系统 (ADAS) 应用。此参考设计特有LM53603-Q1 DC/DC稳压器（用作降压）、LM26420 DC/DC稳压器（用作双降压）和TPS60150开关电容器电压转换器（用作针对5V输出的充电泵）。此设计接受4.5VIN至20VIN范围内的输入电压，并且在电流为1.0A、1.0A、1.0A和100mA时分别提供3.3V、2.5V、1.8V和5V电压。它体积小、价格不高、高效，并且可针对ADAS和其它汽车相关应用进行定制。四层印数电路板 (PCB) 的尺寸为65mm x 100mm。

针对汽车后置摄像头和先进驾驶员辅助系统 (ADAS) 的CISPR 25 5类多输出参考设计确保符合所有相关EMC、瞬变电压，甚至是汽车电源设计工程师所面临的尺寸限制。此设计还防止了之前讨论到的故障条件，诸如双电池和电池反接，这些故障通常情况下与开关稳压器无关，而是整个系统设计的一部分。

审核编辑：郭婷