監(jiān)控 12V 汽車(chē)電池系統(tǒng)：負(fù)載突降、冷啟動(dòng)和錯(cuò)誤復(fù)位管理

12V 鉛酸電池是汽車(chē)電子系統(tǒng)（如汽車(chē)駕駛艙、儀表組、音響主機(jī)和信息娛樂(lè)系統(tǒng)）的主要部件。為了維持和支持現(xiàn)代車(chē)輛的電力需求，必須監(jiān)控電池電壓。雖然汽車(chē)電池在拋負(fù)載和冷車(chē)發(fā)動(dòng)條件下可以承受超過(guò)其標(biāo)稱(chēng)電壓的寬電壓瞬變，但可接受的工作電壓范圍會(huì)發(fā)生變化，每個(gè)汽車(chē)制造商都有自己的規(guī)范，超出了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的規(guī)定（ ISO) 26262 標(biāo)準(zhǔn)。在這篇技術(shù)文章中，我將介紹如何管理負(fù)載突降和冷啟動(dòng)條件，以及如何使用滯后來(lái)防止錯(cuò)誤的系統(tǒng)重置。

在負(fù)載突降條件下管理瞬態(tài)

汽車(chē) 12V 電池的標(biāo)稱(chēng)規(guī)定為在 9V 和 16V 之間運(yùn)行。在稱(chēng)為負(fù)載突降和冷車(chē)發(fā)動(dòng)的情況下，超出此范圍的變化會(huì)增加。ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)是汽車(chē)電氣和電子系統(tǒng)的功能安全標(biāo)準(zhǔn)，描述了這些電壓的預(yù)期范圍。

在圖 1 所示的拋負(fù)載事件中，用字母 A 表示的交流發(fā)電機(jī)由于機(jī)械振動(dòng)、端子松動(dòng)或端子腐蝕而突然與電池?cái)嚅_(kāi)連接。該事件可能導(dǎo)致電池電壓瞬變高達(dá) 60 V，持續(xù)近 500 毫秒。

圖 1：拋負(fù)載和瞬態(tài)特性

汽車(chē)制造商可以實(shí)施過(guò)壓保護(hù)，將重要系統(tǒng)與拋負(fù)載事件斷開(kāi)；參見(jiàn)圖 2。一旦瞬態(tài)電壓穩(wěn)定在正常工作范圍內(nèi)，設(shè)置跳變點(diǎn)將斷開(kāi)電源與電子子系統(tǒng)的連接，并在固定延遲后重新連接電源。LM5060-Q1 等高端保護(hù)控制器需要禁用和啟用外部信號(hào)，這可能需要包括分立元件或微控制器的復(fù)雜設(shè)計(jì)。

TPS37A-Q1 和 TPS38A-Q1 等高壓監(jiān)控器的工作電壓高達(dá) 65V，通過(guò)直接連接到電池并承受負(fù)載突降瞬態(tài)電壓來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。TPS37A-Q1 和 TPS38A-Q1 還通過(guò)外部電容器提供可編程復(fù)位延遲，從而延遲 LM5060-Q1 的開(kāi)啟，從而通過(guò)允許額外的復(fù)位幫助保護(hù)下游子系統(tǒng)免受過(guò)壓事件的影響，從而為汽車(chē)制造商提供靈活性電源電壓穩(wěn)定的延遲時(shí)間。

圖 2：過(guò)壓保護(hù)電路

有效處理冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況

在冷車(chē)發(fā)動(dòng)期間，起動(dòng)器吸收更多電流并將電池電壓拉低，有時(shí)低至 3 V 持續(xù) 15 毫秒。隨著制造商采用啟停等系統(tǒng)，冷啟動(dòng)條件在現(xiàn)代汽車(chē)中發(fā)生的頻率更高. 啟停功能需要在消耗最少電量的同時(shí)持續(xù)監(jiān)控電池電壓，以確保下游系統(tǒng)正確初始化并且設(shè)備保持有效狀態(tài)。TPS37A-Q1 和 TPS38A-Q1 電壓監(jiān)控器非常適合冷車(chē)發(fā)動(dòng)條件，因?yàn)樗鼈兊淖畹凸ぷ麟妷簽?2.7V；此外，它們 2 μA 的最大靜態(tài)電流有助于制造商最大限度地減少功率損耗。

使用滯后來(lái)防止系統(tǒng)中的錯(cuò)誤復(fù)位

盡管標(biāo)稱(chēng)工作范圍為 9 V 至 16 V，但汽車(chē)制造商仍為汽車(chē)電池指定了自己的“超出工作電壓范圍”限制。大多數(shù)用于監(jiān)控的電壓監(jiān)控器的工作范圍都很窄（即 3 V 至 5 V）在這些限制內(nèi)，因此需要使用多個(gè)設(shè)備或分立電路來(lái)實(shí)現(xiàn)能夠正確檢測(cè)欠壓和過(guò)壓限制的監(jiān)控電路。

防止誤復(fù)位需要在上限和下限上都有滯后；尋找具有工廠可編程電壓閾值遲滯的器件，該器件可靈活地通過(guò) VDD 引腳（或當(dāng)電壓軌高于或低于 VDD 時(shí)使用專(zhuān)用 SENSE 引腳）監(jiān)控電壓軌。缺乏集成電路遲滯管理將需要實(shí)施分立元件以確保系統(tǒng)穩(wěn)健性，但這會(huì)增加系統(tǒng)尺寸和成本。

VDD 和 SENSE 引腳均提供遲滯以防止系統(tǒng)中的錯(cuò)誤復(fù)位，在該系統(tǒng)中，受監(jiān)控的電源軌可能會(huì)隨著各種負(fù)載源的電壓變化而波動(dòng)。在電源電壓響應(yīng)車(chē)輛運(yùn)行條件而出現(xiàn)尖峰或下降的情況下，遲滯在提供穩(wěn)定系統(tǒng)方面起著至關(guān)重要的作用。例如，當(dāng)司機(jī)打開(kāi)空調(diào)時(shí)，電壓可能會(huì)瞬間出現(xiàn)尖峰或下降，從而觸發(fā)錯(cuò)誤復(fù)位。

結(jié)論

電壓監(jiān)控可確?，F(xiàn)代車(chē)輛中的關(guān)鍵系統(tǒng)安全運(yùn)行。通過(guò)直接由電池供電并為保護(hù)電路提供必要的控制邏輯，高壓監(jiān)控器提供了許多好處，包括管理拋負(fù)載和冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況的有效方法，以及防止錯(cuò)誤系統(tǒng)復(fù)位的可靠方法. 此外，它們獨(dú)立的 VDD 和 SENSE 引腳有助于解決冗余問(wèn)題，以創(chuàng)建高度可靠的系統(tǒng)。