电源电路的基础知识 (4) ～面向ECU的电源电路设计要点～

电源电路的基础知识 (4)
～面向ECU的电源电路设计要点～

2019-10-18

一辆汽车上安装几十个ECU
电压大幅度变动的+12V系统
针对汽车特有环境条件的应对
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本次是电源电路基础知识的最后一部分，我们将介绍汽车ECU(电子控制单元)电源电路设计时主要的注意事项。

一辆汽车上安装几十个ECU

汽车的电子化和电动化日新月异。
除了以发动机和变速器为对象的动力系统控制、以悬架和刹闸为对象的车辆控制、以门锁和仪表等为对象的车身控制、汽车导航系统和远程信息处理等信息通信控制外，近年来ADAS(先进驾驶辅助系统)也得到了普及。目前，据说每辆汽车配备了几十个ECU，预计今后还会进一步增加。

ECU的大致构成如图1所示。具体细节取决于所负责的功能，但大致上是由用来处理来自传感器等数字和模拟信号的输入接口、用来驱动传动装置和灯等的输出接口、用来与其他ECU交换信息的CAN总线等的总线接口、用来负责控制的微机或专用处理器、用来存储控制程序和数据的存储器、以及电源电路和保护元件构成。

让我们关注一下其中的电源部分。电源的作用是将铅电池输出的+12V直流电压转换成内部微机和存储器所需的1.0V～3.3V范围内的低压。由于输入电压＞输出电压，因而适用于 “电源电路的基础知识(2)” 和 “电源电路的基础知识(3)” 中说明的降压型开关电源。

但是，由于必须满足汽车专用的要求，因而无法原封不动地挪用面向工业设备和民用设备的电源电路。让我们来看看一些设计要点。

电压大幅度变动的+12V系统

电池的+12V系统，也就是ECU的输入电压，看似比较稳定，但实际上会发生相当大的变动。典型的动作是冷启动（cold crank）和负载突降。此外，还需要采取反接保护对策。

冷启动（cold crank）

系在电池或发动机处于低温状态下，驱动消耗大量电流的启动电机时，+12V系统的电压暂时降至+3V左右的一种现象(图2)。

図2. ＋12V系の電圧低下をモデル化した、コールドクランク試験プロファイルの一例。　img — 图2. 将+12V电压降做成了模型的、冷启动测试曲线示例。

如果降压型开关电源的输入电压低于输出电压，则将无法维持调压操作。譬如，在因冷启动而导致输入电压降至+3.0V时，即使+1.8V输出或+2.5V输出的电源电路继续工作，+3.3V输出的降压电源电路也将无法继续工作。

有两种可行的对策。一种方法是当+12V系统低于规定的阈值时，包括电源电路在内暂时停止ECU的工作。该方法适用于汽车音响ECU等不直接影响行驶的ECU。另一种方法是采用升压型开关电源，而不是降压型开关电源，这样即使在+12V系统下降的情况下也可以继续进行ECU的工作。

负载突降

在交流发电机发电中发生电池接线断开或接触不良时，+12V系统的电压可能达到几十伏。这种现象称为负载突降。

负载突降电压据说在某些情况下达到约40V至100V以上。因此，必须在ECU的电源电路的输入侧(一次侧)安装一个用来箝制过电压的“ZNR”浪涌吸收器等保护元件。当然，仅假设ECU的输入电容器等的耐受电压为+12V是不够的，需要有一个高于保护元件钳位电压的额定值(图3)。

図3. ロードダンプ現象と保護素子ZNRの働き　img — 图3. 负载突降现象和保护元件ZNR的作用

反接保护

如果在维护过程中由于作业失误，电池正负极线缆连接反了，则有可能向ECU施加-12V，需要采取保护措施来防止这种反接。这种情况在普通的设备上是不可能的，但是既然我们不知道由谁来进行汽车维护，发生这种事态的可能性也不是零。

肖特基势垒二极管通常用于反接保护。但由于有0.4V左右的正向电压，因而电池电压实际上会降至+11.6V左右，并产生因应电流的损耗，还会导致发热。因此，最近还出现了专用于保护的“理想二极管”元件等，这种元件使用MOSFET来使正向电压接近零。

针对汽车特有环境条件的应对

ECU的电源设计中还需要应对各种环境条件。

工作温度范围

由于汽车从极端寒冷的地区到沙漠地区在世界各地使用，因而必须在低温侧和高温侧有相当大的余量。

车载元件的温度范围采用了AEC(Automotive Electronics Council 汽车电子委员会)制定的标准，并规定了各自的等级(图4)。

図4. AECが定める信頼性試験規格とグレード　img — 图4. AEC规定的可靠性试验标准和等级

安装在最高温的发动机室的ECU需要选择0级或1级零部件。另一方面，我们认为，即使安装在温度上升不那么高的客舱或后备箱中的ECU由3级零部件构成也不成问题。

另外，正如在 “电源电路的基础知识(3)” 中也说明的那样，需要预先确认电容器和电感器等无源零部件在整个环境温度范围内可以获得所需的特性。有关热对策，请参照 “热对策的基础知识” 。

对AM无线电的干扰

正如在“电源电路的基础知识(3)” 中也说明的那样，开关电源电路主要在电流通/断的回路(热回路)中产生EMI噪声。ECU基板已被封装在还起到屏蔽作用的金属外壳中，但考虑到来自连接器部等的泄漏，需要在电路阶段尽可能地予以抑制。

尤其成为课题的是对AM无线电(中波波段)的干扰。顾名思义，它是振幅调制（Amplitude modulation），所以如果噪声叠加，则会原封不动地被作为噪声播放。在日本，526.5kHz至1606.5kHz已被分配给AM无线电，因此最好将开关频率设定为1.8MHz和2.0MHz等频率。

作为对无线电的干扰等同一车辆内的无线电干扰测试标准，应用由IEC(International Electrotechnical Commission 国际电工委员会)制定的CISPR 25。

长期可靠性及长期供给性

汽车有时要使用20年以上。因此，无论是初始故障还是意外故障，构成ECU的每个零部件都要求具有极高的品质。

此外，考虑到汽车的长期维护，长期供给的承诺在选择零部件中也很重要。还需要注意无源元件特性的长期劣化。

除了以上几点外，随着电子化的发展，ECU的安装空间也成了一个课题，因此除了必须推进电源电路的小型化外，为了延长电动汽车的可行驶距离，需要满足各种要求，如必须尽可能抑制电源电路中的损耗等。

然而，汽车电子化的进程必将日益加快，预计ECU市场将继续显著增长。

本次是电源电路的基本知识的最后一讲，以后我们将另辟篇幅解释车载电子的趋势。