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一种具有eCall功能的T-box电源架构设计

作者:刘晓东 (德赛西威汽车电子股份有限公司,广东 惠州 516006) 时间:2021-07-23 来源:电子产品世界 收藏
编者按:介绍了一种T-box的电源架构设计。与其他车载电子设备电源比较,该电源增加了备用电池的管理。电源是一个电子产品能否正常工作的基础,工作环境恶劣的车载产品更是如此,文章针对车载电子设备电源的高要求阐述了T-box电源的各种功能及设计考虑。


本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202107/427103.htm

0   引言

随着汽车网联化的发展,作为网联终端设备的 在汽车上的装配率不断提高,结合移动通信网络, 可提供如远程控制、防盗、数据路由、紧急呼救(即常说的)等功能;由于 在出现交通事故后对人员的及时救援有非常重要的作用,所以俄罗斯、欧盟等地区的新车强制安装具备 功能的设备,目前我国的eCall 相关标准也在制订中。

1   车载设备电源要求

由于车载电子设备对可靠性、寿命、电磁兼容、功耗等要求非常高,这些在设计车载设备的电源时必须要考虑,例如功耗,由于设备在汽车熄火后由电池供电,所以对设备的静态电流要求很高,有的厂商要求单一设备的静态电流在μA 级别,这就需要设备在电源架构设计和电源管理策略方面有较好的对策;其次是车载设备的电源环境非常恶劣,例如汽车点火时的电池电压跌落、车载大电流设备抛负载等,所以针对设备电源有很多测试要求,例如ISO7637、过压、反压、电源传导辐射、电源传导抗扰等。

2   架构设计

本文主要涉及一种具有eCall 功能的 电源架构设计,它与一般的车载电子设备电源的主要不同是:具有eCall 功能的T-box 需配备,要有专门的电池管理电路,由于目前使用的网联模块处理器典型工作电压是3.8 V,在供电时,在大多数情况下,处于满电状态的电池在给T-box 供电的放电过程中,其电压将由高到低跨越3.8 V,这就要求T-box 的电源需在增加电池管理电路的条件下满足车载设备电源诸多测试要求,图1 是该T-box 的电源架构图。

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图1 T-box的电源架构图

3   各电源模块的功能及设计考虑

1)电池电压检测模块用于检测汽车电池的电压,当汽车电池电压出现异常,例如出现车载设备抛负载或汽车长期放置未点火导致电池无法充电等情况下,微控制器需要根据电压检测模块反馈的过压、欠压信号关断绝大部分模块的供电,以保护T-box 内部电路或减少对汽车电池的损耗。

2)第一级降压模块直接连接到车载电池(在电池状况较好且未点火时约12.6 V)并进行降压,例如降至5 V,一般情况下这个输出电压和第二、三级电源输出为常电,用于设备在待机模式下的供电,只要车载电池不断开,其输出就一直存在,主要给微控制器和总线收发器电路供电。由于这级电源在整个电源架构中的特殊位置,将影响整机电源的性能、可靠性和稳定性,对能否通过电源相关的很多测试有重要作用。

3)总线收发器用于微控制器和汽车CAN 总线之间的信号收发等,微控制器根据总线上的汽车点火、熄火消息等控制电源各模块的工作状态,使T-box 以不同模式工作,例如全功能、待机、深睡眠。

4)各级电源模块给各功能模块提供相应电压和负载容量的电源,这些电源模块在设计时需考虑:

●   设置合适的工作电压误差范围;

●   根据功能模块的需求选择合适的负载容量,负载容量需考虑一定裕量,既能满足峰值电流的要求,也要避免过度设计带来的成本浪费;

●   关联模块(例如与eCall 功能相关的模块)多路电源的控制策略,以达到低功耗的要求,也使控制策略不过于复杂;

●   满足一些模块的上电时序/ 掉电时序要求;

●   满足特殊电路的供电要求,例如对噪声敏感的GNSS 电路需采用低噪声电源;

●   需要设计合适的滤波去耦电路,既要避免噪声往后级传导,也要避免其往前级传导,最后导致整机端口与电源相关的测试指标超标。

5)T-box 内置的主要应用场景是汽车在发生碰撞等事故,导致汽车电池损坏或电池连接线断开而无法给T-box 供电的情况下,备用电池给T-box 供电让其可继续工作一定时间,以完成车辆呼救信息的上传、与后台的呼救通话等。eCall 可通过手动按键或碰撞时安全气囊等信号自动激活,备用电池管理电路需有

如下功能和设计考虑:

●   具备激活eCall 后在车载电池和备用电池之间供电的切换电路,且不能因供电切换导致机器重启,也要避免汽车点火时因车载电池电压变化而频繁切换至备用电池供电;

●   备用电池的充放电控制:由于车载产品的工作环境恶劣且要求高可靠和长寿命,所以需根据备用电池的特性设计合适的充电逻辑(例如充电条件判断、充电电流设定、充电时间、在汽车熄火时是否充电等),以保证电池的安全、随时可用和寿命。如前所述,备用电池在放电过程中电压将跨越3.8 V,所以放电电路可考虑降压+ 升压的方案,同时设定合适的放电终止电压,以避免电池过放而损坏;

●   由备用电池供电的系统尽量最小化、兼顾考虑电源的转换效率,以延长其工作时间;

●   需具备电池的寿命检测,通常是检测电池内阻,当检测值超出预设值时,需将信息发送给后台再推送给

用户,提醒用户及时更换电池,以防万一;

● 特殊场景的设计考虑,例如Tier1 厂家完成T-box

生产运输至车厂安装到车上之前的运输模式,对电池周边电路需有合适的设计,以尽可能减少这段时间对电池电量的影响。

6)对外部的供电需具有开路、短路等诊断功能,例如给GNSS 天线的供电、eCall 外接按键的供电,这样,当出现开短路故障时可将信息发送给后台并推送给用户,提醒用户及时到4S 店进行处理。

4   应用

在T-box 的实际应用中,为实现汽车熄火后的远程控制或远程监控等功能,在待机模式下T-box 的部分模块供电是不能关断的,以备随时唤醒;当汽车长时间例如7 天未点火时,为了减少对车载电池的损耗,T-box需从待机模式进入到深睡眠模式。本电源架构对应的电路可实现上述功能并满足待机模式下mA 级别、深睡眠模式下μA 级别的静态电流要求,同时可满足车载电子产品测试标准的其他严格要求,例如电气性能、EMC、可靠性等。

(本文来源于《电子产品世界》杂志2021年7月期)



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