Other Parts Discussed in Post: LM5060-Q1

作者:Ben C

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在汽車駕駛艙、儀表板、音響主機、車載資訊娛樂系統等汽車電子系統中,12-V 鉛酸電池是不可或缺的配備。為了滿足與支援現代汽車的電力規格,監控電池電壓有其必要。雖然在負載突降與冷啟動的情況下,汽車電池能承受超出額定電壓的寬廣瞬態電壓,但合理的工作電壓範圍尚無定論,除了ISO 26262 國際標準之外,各家汽車製造業者也有其他自訂規格。在這篇技術文章中,我將介紹如何因應負載突降與冷啟動的情況,以及如何運用磁滯避免錯誤系統重置。

處理負載突降時的瞬態電壓

12-V 汽車電池的工作電壓一般介於 9 V 16 V,發生負載突降或冷啟動事件時,電壓會超出此一範圍。ISO 26262 標準為汽車電氣與電子系統的功能安全規範,其中說明了這類情況的可能電壓範圍。

如圖1所示,發生負載突降時,交流發電機(以字母A標示)由於機械振動、端點鬆脫或腐蝕,突然與電池斷開,此情況可能造成持續近 500 毫秒、高達 60 V 的電池瞬態電壓。

 

1:負載突降與瞬態特性

 

如圖 2 所示,汽車製造業者能以過電壓保護因應,避免重要系統受負載突降影響。設定跳脫點(trip point)能將電源與電子次系統斷開,經過一段延遲時間、待瞬態電壓回到正常工作範圍後,再重新連接。LM5060-Q1 此類的高端保護控制器需要啟動與關閉的外部訊號,設計可能相對複雜,需要配置離散元件或微控制器。

TPS37A-Q1 及 TPS38A-Q1 等高壓監控器的工作電壓達 65 V,能直接與電池連接、耐受負載突降的瞬態電壓,有助簡化系統設計。TPS37A-Q1 與 TPS38A-Q1 也配備外接電容,可自由設定重置延遲時間,延遲 LM5060-Q1 啟動,給予電源電壓額外的延遲時間恢復正常水平,進而保護下游子系統不受過電壓事件影響,也讓汽車製造業者在設計上更有彈性。

 

2:過壓保護電路

 

有效因應冷啟動

發生冷啟動時,啟動器會引來更多電流,造成電池電壓降低,有時甚至低至 3 V,持續時間可達 15 毫秒。現今業者在設計汽車時,常採用稱為啟停系統的混合式設計,在車輛靜止時(如等紅燈)自動將引擎熄火,藉此節省燃油,不過冷啟動事件也因此越來越頻繁。如果配備啟停系統,就必須持續監控電池電壓,同時盡可能降低功耗,才能確保下游系統充分初始化,且元件都處於有效狀態。TPS37A-Q1 及 TPS38A-Q1 高壓監控器的最小工作電壓為 2.7 V,最大靜態電流為 2 µA,有助汽車製造業者實現最低功耗,是因應冷啟動情況的理想解決方案

 

利用磁滯避免系統錯誤重置

雖然額定工作電壓為 9 V 16 V,汽車製造業者對於汽車電池會自行訂定「超出工作電壓範圍」的限制。多數電壓監控器的工作電壓範圍較窄(介於 3 5 V),在其限制範圍內,因此需要透過多個元件或離散電路實作監控電路,以有效偵測欠電壓與過電壓閾值。

為了避免錯誤重置,上限與下限皆需要磁滯,因此不妨尋找具有製造商可編程臨界電壓磁滯的元件,能透過 VDD 針腳彈性監控電壓軌(電壓軌較 VDD 高或低時,亦可採專用 SENSE 針腳)。若沒有IC磁滯管理,便需要配置離散元件以確保系統的穩健性,但這麼做也不免造成系統的尺寸與成本上升。

系統中,各種負載來源的電壓都不同,受監控的電力軌也隨之波動,而 VDD SENSE 針腳都能提供磁滯,避免錯誤重置。電源電壓因為車輛操作而驟升或驟降時,磁滯是穩定系統的關鍵角色。舉例而言,駕駛啟動空調時,電壓可能暫時上升或下降,因此觸發錯誤重置。

 

結論

電壓監控能確保汽車的關鍵系統安全運作。高端電壓監控器能直接由電池供電運作,為保護電路提供必要的控制邏輯,更具備多種優點,不只能妥善因應負載突降與冷啟動事件,也能有效避免系統錯誤重置,配備的 VDD SENSE 針腳更可作為備援,建構高度可靠的系統。

 

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