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一种高效率的车规直流电源浪涌抑制方法

2024-12-25 120 上传者：管理员

摘要：本文提出了开关控制模式的浪涌抑制技术，并研究了控制机理。首先，控制场效应管，降低浪涌冲击，能够解决传统电路中使用TVS吸收造成的散热问题，同时解决了LDO降压模式下器件的可靠性问题。本方法提高了浪涌抑制效率和准确度，提升了电路的可靠性。其次，对开关控制电路中的磁性元件、驱动电路和控制策略进行优化，以DSP为核心，采用输出电压与输入电压双反馈模式，进行场效应管的开启与关闭时间控制。使用小信号模型的分析，设计电压环的PI调节器。最后，进行常用的浪涌抑制方法研究和电路分析，深入研究开关控制模式的自动控制方法，采用DSP控制芯片，利用高速PWM波对开关器件进行开关控制，抑制浪涌电压。

关键词：
开关控制
浪涌抑制
电负载
稳态电源电压
车载直流系统
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汽车28V DC电源要求用电负载能够承受过压浪涌 80V/50ms，而在发动引擎、瞬变负载等情况下常发生电压浪涌。本文所指浪涌均为过压浪涌。浪涌电压显著超过稳态电源电压，当它袭击用电设备时，通常会造成误操作和设备损坏，使整个系统停顿、通信中止[1]。

鉴于浪涌的危害性，为了防止浪涌电压冲击损坏设备，需要为DC电源设备提供有效的抗浪涌电路，对其进行防护。 80V/50ms 过压浪涌具有较大的伏秒积，如果沿用传统的储能方式进行抑制，就需要较大的电感、电容元器件。

虽然电压钳位器件可以吸收浪涌电压的能量，但是特定用电设备承受的功耗为几千、上万瓦，电源浪涌能量较大。因此，一方面，功率偏小的功率器件很容易损坏，不能正常保护。另一方面，较大功率的元器件价格高、体积大，受用电设备内部空间、高度等限制，其应用也受到制约。

1、直流浪涌抑制电路的原型设计和实现

1.1 设计思路

输入电源从外部输入，环境比较恶劣，因此浪涌的出现概率较高。如果抑制输入电源浪涌，就需要将抑制单元加入电源输入最前端，这样才能有效防止浪涌冲击后续用电设备。

加入浪涌单元的方法有3种。第一种是直接利用现有的浪涌抑制器，其内部由压敏电阻、TVS和二极管等多个分立器件构成。当浪涌经过时，输入电压超过器件额定工作电压，相关器件对过压部分进行钳位，吸收多余能量。但是该方案发热量大，钳位电压波动大、不可控，一般用于要求不高的场合。第二种是采用降压模式（LDO），即浪涌来临时，内部控制器件采用一定控制逻辑，将输出电压控制在一定范围内，保障后续设备安全。该方法的优点是控制简单、对电路设计要求低且控制精度高。但是大部分电能会消耗在一个功率器件上，该器件的散热压力较大，导致选型困难，需要过流参数较大的器件。第三种是采用开关模式，利用PWM 波对浪涌电压进行斩波，从而实现浪涌抑制。该方法浪涌抑制效果较好，输出可控，技术先进，但是设计难度较高。本文选择第三种进行方案设计，如图1所示。电子开关模块受浪涌检测模块控制，正常范围内保持导通，对设备进行正常供电。当电源出现浪涌、电压超出正常范围时，受浪涌检测模块控制，开关模块立即断开，杜绝浪涌电压对设备造成冲

图1 电子开关控制抑制浪涌

在正常情况下，电源电压的波动范围低于钳位器件的动作电压，钳位器件无反应，相当于开路，对电路没有影响。当电源出现浪涌时，浪涌电压高于钳位器件的动作电压，钳位器件快速导通，吸收浪涌电压的能量，将电源电压限制在安全范围内，从而起到保护用电设备的作用[2-4]。

1.2 电路原型

本文根据上述浪涌抑制思路，设计了整个拓扑和控制电路。直流浪涌抑制电路原型如图2所示。

当Q打开时，电感流过电流，进行储能，同时TAP2 与 TAP3 这2个端点电压增大，电感电流增大，电感进行储能动作；当Q关闭时，鉴于电感特性，即电流不能突变，因此电感电流下降，释放储存的能量，为负载供电。R1、R2为输入电压分压电阻，将分压值输入DSP MCU控制器的VIN_ S 端进行ADC采样，采集输入电压的值。DRV为DSP产生的PWM波，将其输入驱动电路模块，以关闭Q器件并导通驱动电压。D为续流二极管。当Q导通时，二极管两端加入反向电压，二极管截止；当Q关断时，二极管正端下降，由于电感需要续流，因此在Q关断瞬间，二极管的电感端电压迅速下降，当降至低于二极管导通压降时，二极管导通，为电感续流，同时对电感输入端与地间电压进行钳位，保护Q 免受电压冲击。电容是输出电压的滤波器件，可以使端点电压TAP2 保持稳定，降低Q开关时产生的电压纹波。R3 、R4 为输出分压电阻，能够实时采集输出电压，并分压为低压信号，传入DSP的FB脚，利用DSP内置ADC实时采集输出电压。

2、电路分析与参数设计

控制器DSP在运行过程中实时检测VIN_S电压值。当电源输入电压在正常电压范围即18V~36V时，驱动MOSFET，打开开关。电流通过Q流经电感L，到达电容和负载。输入与输出的压降为Vout =Vin–I×R，R为MOSFET（Q）的导通内阻，一般不超过10mΩ，因此MOSFET器件上的压降较小，损耗也较少。

当浪涌发生时，电源输入电压升高，＞36V。此时DSP 检测到输入电压过压，会发出PWM波形，使MOSFET不停地开通、关闭，同时检测输入电压TAP3 的反馈电压FB的值。当检测到反馈电压＞36V时，就会降低PWM占空比，缩短MOSFET开通时间，从而降低输出电压；当检测到反馈电压＜36V时，就会增大PWM占空比，增加MOSFET导通时间，使输出电压增加。在浪涌期间，DSP不停地调节PWM 占空比，从而使输出电压稳定在36V上下，直到浪涌消失为止。相关波形如图3所示。

由上述分析可知，当浪涌到来时，DSP检测到浪涌电压，为了维持后端输出电压不能超过额定值，因此驱动MOSFET 不停地开关，进行能量疏通与截断，根据开关频率不间断地为后面负载供电，后端电容也不停地充、放电，以便维持负载工作，直到浪涌结束为止。

当输入电压超过36V时，MCU开始计时，如果电压过压时间超过100ms，即为输入过压，而不是浪涌，应立刻关闭MOSFET，停止输出，并不断检测输入电压，直到输入电压在正常范围内，重新打开MOSFET为负载供电。

关键器件电感的参数需要根据实际应用进行选择，本文所述电路已经应用于实际产品，现根据现有产品实际参数进行分析。现有产品电气特性如下：浪涌电压Vin 为80V，持续

时间50ms；输出最大电压Vout 为36V；额定电流I为10A；开关频率f为200kHz。

根据公式D=Vo /Vin （D为PWM占空比；Vo 为输出电压； Vin 为输入电压），则占空比D=36/80=0.45。

根据公式V=di /dt ×L（V为电感压差；di 为电流变化值； dt 为时间变化值；L为电感值），由于di =I×0.4=10×0.4=4A， dt =D/f=1/200×0.45=2.25μs，V=Vin-Vout =80-36=44V，因此电感值为L=V×dt /di =44×2.25/4=24.75μH，取L=22μH。

由于上述设计电路中的三极管、MOSFET和阻容等器件在最大电流、耐压和功耗等方面没做特别要求，因此便于后续采购生产，在实际电路设计中具有良好的应用前景。图2 直流浪涌抑制电路原型

图3 浪涌抑制电路工作波形

3、试验结果

多次采用不同宽度的浪涌电压，对浪涌抑制电路进行测试，浪涌电压持续时间都远大于50ms，其中最长持续时间超过几十秒，测试条件相当严格。由测试结果可以看出，该电路的应用测试令人满意，多种浪涌电压测试结果基本一致。测试结果如图4所示。

由图4可以看出，当电源电压在正常范围内时，浪涌抑制模块的输出电压基本与输入电压一致。当电源出现浪涌时，输出电压上涨到浪涌保护电压值后不再上涨，会一直保持小幅波动，不会出现上冲，完全抑制了浪涌电压。

实测的5个浪涌脉冲发生时的波形图如图5所示。由图 5可以看出，浪涌宽度为100ms，5个脉冲为1s间隔，该电路能够完全达到抑制浪涌的目标。

本设计与其他浪涌抑制器的比较见表1，可以看出本电路的优点。

由表1可知，对于承受浪涌时间，本电路可承受几十秒以上，其他方案只能承受毫秒级别；对于承受浪涌间隔时间，当多个浪涌出现时，每次浪涌间需要有间隔时间，否则所有方案都无法产生效果，从数据看，其他方案需要秒级以上，而本方案只需要500ms，优于其他方案；对于钳位电压范围，本方案与LT4356系列浪涌抑制器类似，均可以调节，使用范围广，而电压钳位器则为固定值，不能调节，适应性不足。对于响应速度，电压钳位器响应最快，本方案与 LT4356方案相当；关于可靠性，本方案与LT4356方案更可靠；关于功耗，本方案优于其他2个方案；关于体积，本方案设计的产品体积最小；关于成本，本方案成本最低，优于其他方案。

表1 本设计与其他浪涌抑制器的比较

图4 单个浪涌抑制波形图

图5 5个脉冲浪涌抑制实测波形图

4、结论

本文介绍了一种开关模式控制的浪涌抑制电路，利用MOSFET导通内阻小的特性，利用开关控制使高压的浪涌电压转变为目标输出电压，降低了器件功率损耗，减少了大功率情况下散热器的体积，从而缩小了整机体积，同时，本文只使用DSP控制器和电感电容等常用器件，成本低廉。

经过实测验证，本电路在现有产品上具有良好的浪涌抑制表现，可广泛应用于各类需要浪涌抑制的产品中，尤其适用于28V大功率直流系统的浪涌抑制。

参考文献:

[1]韩宁宁.防雷电浪涌保护在低压供配电系统中的应用[J]. 价值工程,2014(13):39-40.

[2]钟颖,王禄静,华福刚,等.雷电浪涌的产生及其防护对策[J].产业与科技论坛,2012(17):52-54.

[3]潘家利,周茂华.低压配电系统浪涌保护器及雷电浪涌防护[J].广西气象,2002(2):61-63.

[4]吴建军.直流电源引入端浪涌抑制技术研究[J].自动化与仪器仪表,2017(04):113-115

文章来源:夏婷,梁金峰.一种高效率的车规直流电源浪涌抑制方法[J].中国新技术新产品,2024,(24):66-68.