關(guān)于車用電子設(shè)備的用電環(huán)境的分析和介紹

似乎是為了與我特別關(guān)注的養(yǎng)生話題相匹配，最近我在尋找、閱讀一些關(guān)于心臟、血管、血液、血氧、心電圖的資料，這都是因?yàn)榱㈣煶隽艘豢钚吞枮?RT1025 的 ECG/PPG 測量芯片，可以 24 位和 16 位的精度同時(shí)提供相關(guān)的測量數(shù)據(jù)。借助 RT1025 所提供的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理專家可以分析你的心臟工作狀況，計(jì)算出你的心率、血壓、血氧飽和度等信息。為了方便用戶使用，立锜還準(zhǔn)備了與之相關(guān)的開發(fā)裝置和一些介紹文章與視頻，用戶拿到這些東西以后可以很容易地去開發(fā)自己的醫(yī)療或是健康管理設(shè)備，對此有興趣的讀者可以加入成為立锜會(huì)員（微信菜單里有相關(guān)鏈接可用），訂閱立锜電子報(bào)，因?yàn)榧磳l(fā)布的立锜電子報(bào)將會(huì)專門報(bào)道這件事情。

回到我們最擅長的電源管理領(lǐng)域來思考，記憶力好的工程師大概會(huì)記得半徑為 r、長度為 d 的直圓柱導(dǎo)線的電感量L可以這樣來估算（準(zhǔn)確度優(yōu)于幾個(gè)百分點(diǎn)）：

在這個(gè)計(jì)算公式里，L 的單位是 nH，r 和 d 的單位是英寸。30 號線規(guī)導(dǎo)線的直徑近似為 10mil（0.254mm），若線長為 1 英寸，其局部電感的計(jì)算值為 26nH。因?yàn)?1 英寸等于 25.4mm，所以 1mm 這種導(dǎo)線的電感大約為 1nH，這是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，很好記，雖然不準(zhǔn)確，但是會(huì)比較有用，因?yàn)樵谧?PCB 設(shè)計(jì)時(shí)很容易就可以用上了。當(dāng)導(dǎo)體長度增加的時(shí)候，局部電感會(huì)增大。如果導(dǎo)線長度增加兩倍，局部電感的增長將遠(yuǎn)大于兩倍，這是因?yàn)殡姼胁⒎菍?dǎo)線本有的特性，它是導(dǎo)線周圍磁力線多少的衡量指標(biāo)，當(dāng)導(dǎo)線長度增加時(shí)，環(huán)繞在這段導(dǎo)線周圍的磁力線除了流過它本身的電流產(chǎn)生的以外，還有其他部分流過的電流所生成的磁力線。降低導(dǎo)線局部電感的方法之一是增大導(dǎo)線的截面積，但這樣會(huì)使導(dǎo)線的成本增加。另外一種降低導(dǎo)線電感的方法是讓電流回流的導(dǎo)線與之實(shí)現(xiàn)深度耦合，這可以通過平行布置來實(shí)現(xiàn)，而同軸電纜的耦合程度就更高了，但是也同樣存在成本增高的問題。

電感是能存儲能量的，它所儲存的能量以磁場的形式存在，該能量 E 與電感量 L 和電流 i 之間的關(guān)系為

電感所儲存的能量與電感量成正比，導(dǎo)線越長，電感越大，所存能量便越多；電感所儲存的能量與電流的平方成正比，這可是一件不得了的事情，由于在有限的時(shí)空當(dāng)中能量是不能突變的，所以對于急速增加的電流，電感會(huì)對此進(jìn)行拼命的抵抗，施加電流的電池的電壓將不能真正到達(dá)負(fù)載處，兩者之間將存在巨大的差異；對于急速減少的電流，電感也會(huì)拼命抵抗，負(fù)載端的電壓將遠(yuǎn)高于電池電壓。所以，即使車用電池的內(nèi)阻已經(jīng)夠低了，車用電纜也已經(jīng)夠粗了，車輛電器所面臨的電源環(huán)境仍然是極其惡劣的，感性的發(fā)電機(jī)、電池、電動(dòng)機(jī)以及各種負(fù)載都連接到電池總線上，而且可以各自獨(dú)立工作，這就為車輛的用電環(huán)境帶來了很多變數(shù)，我們要面對的條件將極其惡劣，這可從下表所列的汽車電子應(yīng)用中常見的惡劣電源瞬態(tài)清單中看出來。

除了事物本身存在的這些問題以外，人為的錯(cuò)誤也可能帶來危險(xiǎn)，例如你可能把兩個(gè)電池串聯(lián)起來接入了系統(tǒng)，也可能將電池的正負(fù)極性弄錯(cuò)了，這些都有可能給車用電子設(shè)備帶來災(zāi)難性的影響。

為了讓所有從事車用電器產(chǎn)品開發(fā)的人都有一個(gè)共同的標(biāo)準(zhǔn)可以遵守，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了 ISO16750-2 和 ISO7637-2 的標(biāo)準(zhǔn)來定義車用電子設(shè)備需要通過的電源瞬態(tài)測試指標(biāo)，相關(guān)的項(xiàng)目如下表所示：

對于電源管理系統(tǒng)來說，低壓造成的危害通常不是致命的，高壓則常常造成災(zāi)難性的影響。車內(nèi)應(yīng)用中最有名的高壓大概就是由拋負(fù)載（Load Dump）過程所產(chǎn)生的，因?yàn)楫?dāng)感性的發(fā)電機(jī)正在為電池充電時(shí)，如果電池突然斷開了（負(fù)載消失），發(fā)電機(jī)輸出的電流不能突然消失，100 多 V 的高電壓尖峰就生成了，持續(xù)的時(shí)間還非常長，可以多達(dá) 400ms，通常的電源器件是很難承受的。

現(xiàn)代的發(fā)電機(jī)為了避免這個(gè)問題的出現(xiàn)，有的會(huì)加入電壓鉗位的功能，使其輸出電壓不會(huì)超出 36V，這可能是現(xiàn)在很多車用電源管理器件的最高工作電壓定義為 36V 的原因，立锜的很多車規(guī)器件也是這樣來定義的。即便如此，在車用電子設(shè)備的輸入端增加能夠吸收高于 36V 電壓脈沖能量的電壓抑制器件還是很有必要的，因?yàn)榕c盲目地提高電源管理器件的耐壓相比，這樣做的成本可能更加低廉。

車輛電池總線電壓的另一個(gè)極端是低壓，這通常發(fā)生在啟動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)候，并以寒冷的冬季更為嚴(yán)重，因?yàn)殡姵卦诘蜏叵碌膬?nèi)阻更高，啟動(dòng)電機(jī)消耗的電流在電池內(nèi)阻上造成的壓降更大。針對這個(gè)問題，標(biāo)準(zhǔn)所定義的最低電源電壓為 6V，并且制訂了這樣的測試波形：

要車用電子設(shè)備確保在 6V-36V 的電壓范圍內(nèi)都能正常工作并不是一件容易的事情，因?yàn)閱渭兊纳龎夯?a href="http://ttokpm.com/tags/降壓轉(zhuǎn)換器/" target="_blank">降壓轉(zhuǎn)換器有時(shí)候要滿足負(fù)載的要求是不可能的，這時(shí)候就有必要引入能夠自動(dòng)升降壓的轉(zhuǎn)換架構(gòu)，傳統(tǒng)的 SEPIC 架構(gòu)就很可能被使用到，而我們曾經(jīng)介紹過的 RTQ7880 則采用了更好的 Buck-Boost 架構(gòu)，能在 Buck 和 Boost 模式之間自動(dòng)切換，完全根據(jù)輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系選擇工作模式，使用起來就相對比較自由，同時(shí)還具有更高的轉(zhuǎn)換效率。

由于不同的使用情況就會(huì)有不同的惡劣境況出現(xiàn)，提出一個(gè)簡單的最壞電源環(huán)境模型是比較容易讓人理解的，我看到的最佳波形大概是這樣的：

當(dāng)把這樣的電壓波形施加到你的設(shè)備電源輸入端時(shí)，它必須要能夠活著走出來。

圖中的 6V 電壓是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)期間因電動(dòng)機(jī)消耗大電流形成的電壓跌落造成的；120V 峰值電壓是大負(fù)載突然消失時(shí)由發(fā)電機(jī)電感儲能造成的；負(fù)尖峰的幅度是 -150V，當(dāng)一個(gè)感性負(fù)載正在工作而供電卻突然消失了時(shí)，感性負(fù)載的慣性就造就了它；24V 電壓是在有人要將一個(gè)外來的電池接入系統(tǒng)，但卻不小心將兩個(gè)電池串聯(lián)起來了時(shí)造成的；反向的電池電壓則比較簡單，就是把電池的極性弄錯(cuò)了，張冠李戴，系統(tǒng)將受到持續(xù)的反向電壓沖擊。