汽车音响直流电源滤波器的设计（四）作者：德尔福中国技术研发

汽车音响直流电源滤波器的设计（四）作者：德尔福中国技术研发中心冯奇摘要本文通过介绍汽车直流电气系统的构成和直流滤波器的设计原则，针对汽车音响电源滤波器参数的确定进行介绍，尤其是对各种考虑因素（OverVoltage和ISO7637－2中的各种脉冲模型）进行Saber和MathCAD仿真分析作为设计的参考。关键词：汽车音响，直流电源滤波器，瞬态传导干扰脉冲，阻抗失配，汽车电气系统TVS二极管是十分有效的瞬态干扰抑制器件，当其两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10–12ns量级的速度，将两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值（一般小于2倍额定工作电压），有效地保护电子电路中的精密元器件免受各种浪涌脉冲的破坏。TVS对浪涌功率和浪涌电流的吸收能力取决于PN结的面积，峰值脉冲功率（Pp）的吸收能力可以达到数千瓦。早期的器件用10/1000us波形来考核，现在通常采用8/20us的波形进行定义。TVS的吸收峰值脉冲功率（Pp）是由TVS上的箝位电压和流过TVS的冲击电流的峰值乘积来确定的。要注意的是：TVS的最大箝位电压与TVS的击穿电压（转折电压）不是一回事，最大箝位电压大约是击穿电压的1.4–1.5倍，这也表明TVS有一定的动态电阻。实际的TVS瞬变干扰限定电压可以用下式表达：Uo=(IP/IPP)(UCMAX–UBR)+UBR式中：IP是实际的脉冲电流值IPP是额定的最大脉冲电流UCMAX是产品规定的最大箝位电压UBR是击穿电压图19至图22为TPSMC36ATVS的技术指标，了解每个波形的含义，有助于进行TVS的MathCAD模型仿真分析。在ISO7637－2：2004附录E（脉冲发生器能量容量的确定）中，介绍了计算由脉冲发生器传递到匹配电阻（电阻性负载RL）上的脉冲能量的数学模型，如下图23：图E.2——由瞬态发生器产生的双指数脉冲波形图23上式中：UO——开路输出电压Ri——脉冲发生器的电源内阻RL——脉冲发生器的负载电阻Td——0.1Us至0.1Us的脉冲宽度I(t)——电流波形函数U(t)——电压波形函数We——单脉冲的能量容量基于上述双指数脉冲波形能量计算数学模型，在MathCAD中进行仿真，可以得到TVSTPSMC36A抛负载测试（Pulse5）的浪涌功率吸收的仿真结果，见图24。它能满足GMW3100中Pulse5B（Vs+Vr=46V）的设计要求，但达不到ISO7637-2中Pulse5A（Vs+Vr=100V）的设计要求。图24如果产品设计要求一定通过Pulse5脉冲，可以更换大功率的TVS二极管或者将两个或多个TVS串/并联起来解决高电压和大功率的要求。将TVS串联可以获得更高的限定电压值，只是等效TVS的最大吸收电流取决于串连TVS中Ip最低的一个值。将TVS并联可以获得更高的限定电流值，只是等效TVS的最大脉冲电压取决于并联TVS中VRSM最低的一个值。将图25中的D1换成同系列的TPSMC20ATVS管，分别采用4个和5个并联使用，均能够满足Pulse5a的要求，参见Saber和MathCAD的仿真结果，见图26。从图26中可以发现：4个TVS并联处于设计边缘，风险比较高，5个并联则有设计风险低。采用4或5个TVS管，在PCBLayout中占有的空间比较大，若空间有限，可以选用单个TVS具有高功率的器件来满足设计要求。图25图26a6总结1）汽车的电气系统分为供电系统和用电设备两部分，具有低压、直流和单线制供电特点；2）汽车电源系统中产生各种各样的瞬态脉冲电流，它是汽车用电设备的传导噪音源；3）直流电源滤波器主要有π形、T形和L形等四种网络结构，不管采用哪一种网络形式，都要最大程度地满足阻抗失配设计原则；4）汽车供电系统中的瞬态脉冲噪音，一般集中在音频范围内（20Hz至20KHz），在汽车音响直流滤波器设计中要重点评估扼流圈和电容等器件的选择是否有效地抑制音频噪音干扰（AFI=AudioFrequencyInterference）；5）OverVoltage、OverCurrent、ReverseVoltage和ISO7637－2中的各种瞬态脉冲等都是汽车音响直流滤波器设计过程中的重要考虑参数；6）TVS二极管在整个直流电源滤波器中扮演着重要角色，如何选择适合的TVS是解决汽车音响能否通过OverVoltage、反向电压测试和Pulse5抛负载瞬态脉冲测试的关键；7）Saber和MathCAD是进行电源滤波器设计电路仿真的有效快捷工具。参考文献：[1]杨克俊《电磁兼容原理与设计技术》人民邮电出版社[2]ISO7637-2：2004RoadVehicles—ElectricalDisturbancesfromConductionandCoupling-Part2:Electricaltransientconductionalongsupplylinesonly(道路车辆—由传导和耦合引起的电骚扰第2部分：沿电源线的电瞬态传导)[3]GMW3172－Feb.2007GeneralSpecificationforElectrical/ElectronicComponentAnalytical/Development/Validation(A/D/V)ProceduresforConformancetoVehicleEnvironmental,Reliability,andPerformanceRequirements[4]VW80101-2005-06ElectricalandElectronicAssembliesinMotorVehiclesGeneralTestConditions[5]ISO16750-2RoadVehicles–Environmentalconditionsforelectricalandelectronicequipment—Part-2:Electricalloads[6]CISPR252002.08V02Radiodisturbancecharacteristicsfortheprotectionofreceiversusedonboardvehicles,boats,andondevices–Limitsandmethodsofmeasurement[7]GMW3100-08.2001GeneralSpecificationforElectrical/ElectronicComponentsandSubsystems;ElectromagneticCompatibility:VerificationPart(end)