基于OBD接口的低壓保護電路

作者/ 楊沛 亮銳商貿(mào)(上海)有限公司(上海 200233)

摘要：本文介紹了一種帶延遲功能的低壓保護電路。這種電路可以提高低壓保護閾值精度，減小溫度對閾值的影響，降低電路的整體功耗，同時解決了某些車輛電瓶引起的誤關(guān)機現(xiàn)象，并通過理論分析和仿真結(jié)果，給出了延遲電路設(shè)計難點的解決方法，為今后基于OBD接口的車載用品的低壓保護方案提供了參考和方向。

引言

　　隨著近年來車載用品種類的增多和功能的擴展，OBD(On Board Diagnostics，車載自動診斷系統(tǒng))接口供電的車載用品的市場占有率越來越高。OBD是為汽車的故障診斷和檢修提供了諸多方便^[1]，汽車配備OBD系統(tǒng)已經(jīng)是未來汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一種趨勢^[2]。OBD接口平時很少使用，因此，其電源管腳可以用來為車載產(chǎn)品供電。由于OBD接口直接連接汽車電瓶，此類產(chǎn)品的低壓保護設(shè)計尤為重要。

　　目前比較簡單的低壓保護電路設(shè)計是通過分壓電路來實現(xiàn)的，其原理是輸入電壓經(jīng)過電阻分壓后，其抽頭電壓輸出給電源芯片，當(dāng)?shù)陀陔娫葱酒牡蛪罕Ｗo值，電源芯片就自動關(guān)閉。這種OBD接口供電的車載產(chǎn)品的低壓保護存在以下缺點:

　　1)設(shè)計閾值不精確。汽車電瓶的電壓值受負(fù)載的影響波動很大，由此電阻分壓中的輸出電壓也相應(yīng)地產(chǎn)生波動，如果其值在電源芯片使能值附近，又因為使能管腳的遲滯很小，很可能造成誤關(guān)機和乒乓效應(yīng)。

　　2)溫度特性差。有些設(shè)計會采用穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓，然而穩(wěn)壓二極管自身的一致性不高，且受溫度范圍影響較大，因此，在高低溫環(huán)境中，低壓保護的閾值變化很大。

　　以上的設(shè)計缺點都會過多消耗汽車電瓶的電量，最嚴(yán)重的后果是導(dǎo)致汽車的電瓶電量被耗盡，汽車無法啟動。

1 遲滯比較器方案的原理及其實現(xiàn)

　　針對以上出現(xiàn)的問題，有兩種解決方案，第一種是采用單片機實現(xiàn)，第二種是采用遲滯比較器來實現(xiàn)。兩種方案共同的優(yōu)勢在于:

　　1)消除乒乓效應(yīng)。遲滯比較器可以拉大遲滯電壓，同時輸出值只有高和低兩個狀態(tài)，解決了乒乓效應(yīng)，并且克服了電源芯片使能電壓存在誤差的缺點。單片機的開機和關(guān)機閾值可以靈活編程設(shè)置，其效果和遲滯比較器相同。

　　2)保護閾值精確穩(wěn)定，可以減小環(huán)境溫度的影響。

　　這兩種方案可以根據(jù)實際的應(yīng)用來選擇，具體到本文的應(yīng)用，功耗是一個重要的指標(biāo)，尤其是低壓保護之后，只有保護電路耗電。如果采用單片機實現(xiàn)，由于單片機需要實時采集電壓數(shù)據(jù)，其功耗要大于遲滯比較器的運放功耗，并且進(jìn)入低壓保護后，還要實時監(jiān)控電壓數(shù)據(jù)，以防用戶發(fā)動車輛導(dǎo)致電壓回升，保證車載產(chǎn)品快速啟動工作。基于這些需求，采用遲滯比較器的低壓保護電路設(shè)計是一種合適的方案。

　　遲滯比較器有兩個門限值，且門限值隨輸出電壓的變化而變化^[3]。當(dāng)輸入信號滿足第一個門限值時，比較器的輸出狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變。此時比較器只有滿足第二個門限值，比較器的輸出狀態(tài)才能發(fā)生轉(zhuǎn)變。這種帶有“滯回”的傳輸特性有效地克服了單限比較器在門限值附件存在微小干擾而出現(xiàn)的輸出抖動的缺點。在常規(guī)監(jiān)測控制電路中具有很強的抗干擾能力^[4]。只要選好遲滯比較器的電阻參數(shù)，就可以設(shè)計出滿足需求的遲滯范圍。具體的設(shè)計細(xì)節(jié)可以參考TI的比較器設(shè)計^[5]來實現(xiàn)。

　　圖1是低壓保護設(shè)計的具體方案。汽車OBD電瓶輸出的12V供電電壓，一路作為DC/DC的輸入，另一路經(jīng)過高精度電阻分壓后，作為遲滯比較器模塊的輸入，遲滯比較器將其和設(shè)定的閾值相比較，如果12V電源輸入高于啟動門限，則輸出相應(yīng)信號使能DC/DC，反之，則不使能DC/DC。當(dāng)DC/DC使能啟動后，根據(jù)遲滯比較器的原理，其門限發(fā)生變化。如果在運行過程中，12V的輸入電壓低于此門限時，則輸出相應(yīng)電平，關(guān)閉DC/DC，反之，輸出電平保持不變，DC/DC處于工作狀態(tài)。

　　由于遲滯范圍可以靈活調(diào)整，遲滯比較器的輸出只有高低兩個狀態(tài)，因此，徹底解決了乒乓開關(guān)機問題。同時，遲滯比較器的溫度特性更穩(wěn)定，功耗很低，保護的閾值更加穩(wěn)定。在進(jìn)入低壓保護后，整體的功耗對電瓶的影響非常小。

2 電瓶引起的誤關(guān)機問題解決方案

　　目前，市場上的電瓶品牌很多，質(zhì)量參差不齊。有些車輛在行車或者ACC檔時，突然開啟大負(fù)載，比如前大燈或者空調(diào)，電瓶電壓會突然拉低。如果電瓶電壓拉低到低壓保護閾值以下，會出現(xiàn)關(guān)機。等到電壓上升到啟動閾值時，會再次上電開機。

　　解決這個問題需要在低壓保護設(shè)計基礎(chǔ)上，增加一個延時電路。當(dāng)電瓶電壓達(dá)到低壓保護閾值時，關(guān)閉DC/DC的使能信號，延時一段時間，若此時間內(nèi)，電瓶恢復(fù)到開啟電壓以上，則繼續(xù)使能DC/DC，反之，則關(guān)閉DC/DC。

　　具體的實現(xiàn)方案可以采用單片機，也可采用單穩(wěn)態(tài)電路?？紤]到功耗問題，單穩(wěn)態(tài)電路方案更為適合，此方案還需要加入邏輯門來進(jìn)行延時時間內(nèi)的電平邏輯判斷。

　　單穩(wěn)態(tài)電路具有穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩種工作狀態(tài)。在觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫態(tài)，并能在一段時間后自動返回穩(wěn)態(tài)，且暫態(tài)維持的時間長短與觸發(fā)脈沖無關(guān)，只取決于電路本身^[6]。采用外接RC的充放電來實現(xiàn)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，具有電路簡單，外接器件少的優(yōu)點^[7]。具體的框圖如圖2。

　　電瓶電壓正常時，單穩(wěn)態(tài)電路處于穩(wěn)態(tài);當(dāng)電瓶電壓拉低到低壓保護門限時，比較器輸出由低電平切換到高電平，單穩(wěn)態(tài)電路進(jìn)入暫態(tài)，此時會輸出一個高脈沖，這個高脈沖與比較器的輸出反向狀態(tài)取或非后，輸出給DC/DC，通過設(shè)置RC參數(shù)，可以設(shè)計出需要的暫態(tài)時間，即高脈沖的持續(xù)時間。進(jìn)入暫態(tài)后，如果比較器輸出恢復(fù)到低電平，則或非門A的輸出為高，或非門B的輸出必為低，從而打開DC/DC。這個延時設(shè)計解決大負(fù)載引起的低壓保護問題。

　　這種設(shè)計的難點在于要考慮邏輯門自身的傳輸延時，如果處理不好，會出現(xiàn)競爭冒險問題，造成最終輸出的誤翻轉(zhuǎn)。假設(shè)TB~B是或非門B的傳輸延時，TBQ是單穩(wěn)態(tài)電路傳輸延時，TQw是暫態(tài)的時間，TBW是誤關(guān)機的時間長度，利用Matlab仿真分析這三者的關(guān)系：

　　1)TB~B<tbq時，輸出會有短暫的高電平，導(dǎo)致dc p="" dc關(guān)閉，如圖3所示;

　　2)當(dāng)TB~B>TBQ，TBW >TQW時，輸出會有短暫的高電平，導(dǎo)致DC/DC關(guān)閉，如圖4所示;

　　3)當(dāng)TB~B>TBQ，TBW <tqw時，盡管電壓拉低，但是輸出一直為低，dc p="" dc一直工作，克服了打火后且電瓶拉低之后，電壓緩慢上升造成的重啟問題，如圖5所示。

　　這種條件下，如果電瓶電壓拉低到低壓保護點后依然不上升，即電瓶電量確實被消耗到低壓保護時，延遲一段時間后，將DC/DC關(guān)閉。即低壓保護時，關(guān)閉DC/DC需要一個延時，其大小為TQW+TBQ，如圖6所示。

　　從以上分析可以看出，只要將單穩(wěn)態(tài)電路的輸出高脈沖的寬度大于比較器的脈沖寬度(暫態(tài)時間大于誤關(guān)機時間)，并且單穩(wěn)態(tài)電路的輸入輸出延遲時間小于或非門的延遲，就能夠完成延遲功能要求，脈沖寬度可通過調(diào)整RC來實現(xiàn)。延遲時間可以通過電容來調(diào)整。這樣就可以解決誤關(guān)機問題。

3 結(jié)論

　　本文介紹了帶延遲功能的低壓保護電路，對其原理和實現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并且對設(shè)計難點進(jìn)行了理論分析和仿真。本方案可以滿足大多數(shù)OBD車載用品的低壓保護需求，為今后OBD供電的車載用品的低壓保護設(shè)計方案提供了一個參考和方向。

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本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第1期第63頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。