一種具有eCall功能的T-box電源架構(gòu)設(shè)計(jì)

0   引言

隨著汽車網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，作為網(wǎng)聯(lián)終端設(shè)備的T-box 在汽車上的裝配率不斷提高，結(jié)合移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，T-box 可提供如遠(yuǎn)程控制、防盜、數(shù)據(jù)路由、緊急呼救（即常說(shuō)的eCall）等功能；由于eCall 在出現(xiàn)交通事故后對(duì)人員的及時(shí)救援有非常重要的作用，所以俄羅斯、歐盟等地區(qū)的新車強(qiáng)制安裝具備eCall 功能的設(shè)備，目前我國(guó)的eCall 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也在制訂中。

1   車載設(shè)備電源要求

由于車載電子設(shè)備對(duì)可靠性、壽命、電磁兼容、功耗等要求非常高，這些在設(shè)計(jì)車載設(shè)備的電源時(shí)必須要考慮，例如功耗，由于設(shè)備在汽車熄火后由電池供電，所以對(duì)設(shè)備的靜態(tài)電流要求很高，有的廠商要求單一設(shè)備的靜態(tài)電流在μA 級(jí)別，這就需要設(shè)備在電源架構(gòu)設(shè)計(jì)和電源管理策略方面有較好的對(duì)策；其次是車載設(shè)備的電源環(huán)境非常惡劣，例如汽車點(diǎn)火時(shí)的電池電壓跌落、車載大電流設(shè)備拋負(fù)載等，所以針對(duì)設(shè)備電源有很多測(cè)試要求，例如ISO7637、過(guò)壓、反壓、電源傳導(dǎo)輻射、電源傳導(dǎo)抗擾等。

2   架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文主要涉及一種具有eCall 功能的T-box 電源架構(gòu)設(shè)計(jì)，它與一般的車載電子設(shè)備電源的主要不同是：具有eCall 功能的T-box 需配備備用電池，要有專門的電池管理電路，由于目前使用的網(wǎng)聯(lián)模塊處理器典型工作電壓是3.8 V，在備用電池供電時(shí)，在大多數(shù)情況下，處于滿電狀態(tài)的電池在給T-box 供電的放電過(guò)程中，其電壓將由高到低跨越3.8 V，這就要求T-box 的電源需在增加電池管理電路的條件下滿足車載設(shè)備電源諸多測(cè)試要求，圖1 是該T-box 的電源架構(gòu)圖。

圖1 T-box的電源架構(gòu)圖

3   各電源模塊的功能及設(shè)計(jì)考慮

1）電池電壓檢測(cè)模塊用于檢測(cè)汽車電池的電壓，當(dāng)汽車電池電壓出現(xiàn)異常，例如出現(xiàn)車載設(shè)備拋負(fù)載或汽車長(zhǎng)期放置未點(diǎn)火導(dǎo)致電池?zé)o法充電等情況下，微控制器需要根據(jù)電壓檢測(cè)模塊反饋的過(guò)壓、欠壓信號(hào)關(guān)斷絕大部分模塊的供電，以保護(hù)T-box 內(nèi)部電路或減少對(duì)汽車電池的損耗。

2）第一級(jí)降壓模塊直接連接到車載電池（在電池狀況較好且未點(diǎn)火時(shí)約12.6 V）并進(jìn)行降壓，例如降至5 V，一般情況下這個(gè)輸出電壓和第二、三級(jí)電源輸出為常電，用于設(shè)備在待機(jī)模式下的供電，只要車載電池不斷開，其輸出就一直存在，主要給微控制器和總線收發(fā)器電路供電。由于這級(jí)電源在整個(gè)電源架構(gòu)中的特殊位置，將影響整機(jī)電源的性能、可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)能否通過(guò)電源相關(guān)的很多測(cè)試有重要作用。

3）總線收發(fā)器用于微控制器和汽車CAN 總線之間的信號(hào)收發(fā)等，微控制器根據(jù)總線上的汽車點(diǎn)火、熄火消息等控制電源各模塊的工作狀態(tài)，使T-box 以不同模式工作，例如全功能、待機(jī)、深睡眠。

4）各級(jí)電源模塊給各功能模塊提供相應(yīng)電壓和負(fù)載容量的電源，這些電源模塊在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮：

●   設(shè)置合適的工作電壓誤差范圍；

●   根據(jù)功能模塊的需求選擇合適的負(fù)載容量，負(fù)載容量需考慮一定裕量，既能滿足峰值電流的要求，也要避免過(guò)度設(shè)計(jì)帶來(lái)的成本浪費(fèi)；

●   關(guān)聯(lián)模塊（例如與eCall 功能相關(guān)的模塊）多路電源的控制策略，以達(dá)到低功耗的要求，也使控制策略不過(guò)于復(fù)雜；

●   滿足一些模塊的上電時(shí)序/ 掉電時(shí)序要求；

●   滿足特殊電路的供電要求，例如對(duì)噪聲敏感的GNSS 電路需采用低噪聲電源；

●   需要設(shè)計(jì)合適的濾波去耦電路，既要避免噪聲往后級(jí)傳導(dǎo)，也要避免其往前級(jí)傳導(dǎo)，最后導(dǎo)致整機(jī)端口與電源相關(guān)的測(cè)試指標(biāo)超標(biāo)。

5）T-box 內(nèi)置的備用電池主要應(yīng)用場(chǎng)景是汽車在發(fā)生碰撞等事故，導(dǎo)致汽車電池?fù)p壞或電池連接線斷開而無(wú)法給T-box 供電的情況下，備用電池給T-box 供電讓其可繼續(xù)工作一定時(shí)間，以完成車輛呼救信息的上傳、與后臺(tái)的呼救通話等。eCall 可通過(guò)手動(dòng)按鍵或碰撞時(shí)安全氣囊等信號(hào)自動(dòng)激活，備用電池管理電路需有

如下功能和設(shè)計(jì)考慮：

●   具備激活eCall 后在車載電池和備用電池之間供電的切換電路，且不能因供電切換導(dǎo)致機(jī)器重啟，也要避免汽車點(diǎn)火時(shí)因車載電池電壓變化而頻繁切換至備用電池供電；

●   備用電池的充放電控制：由于車載產(chǎn)品的工作環(huán)境惡劣且要求高可靠和長(zhǎng)壽命，所以需根據(jù)備用電池的特性設(shè)計(jì)合適的充電邏輯（例如充電條件判斷、充電電流設(shè)定、充電時(shí)間、在汽車熄火時(shí)是否充電等），以保證電池的安全、隨時(shí)可用和壽命。如前所述，備用電池在放電過(guò)程中電壓將跨越3.8 V，所以放電電路可考慮降壓+ 升壓的方案，同時(shí)設(shè)定合適的放電終止電壓，以避免電池過(guò)放而損壞；

●   由備用電池供電的系統(tǒng)盡量最小化、兼顧考慮電源的轉(zhuǎn)換效率，以延長(zhǎng)其工作時(shí)間；

●   需具備電池的壽命檢測(cè)，通常是檢測(cè)電池內(nèi)阻，當(dāng)檢測(cè)值超出預(yù)設(shè)值時(shí)，需將信息發(fā)送給后臺(tái)再推送給

用戶，提醒用戶及時(shí)更換電池，以防萬(wàn)一；

● 特殊場(chǎng)景的設(shè)計(jì)考慮，例如Tier1 廠家完成T-box

生產(chǎn)運(yùn)輸至車廠安裝到車上之前的運(yùn)輸模式，對(duì)電池周邊電路需有合適的設(shè)計(jì)，以盡可能減少這段時(shí)間對(duì)電池電量的影響。

6）對(duì)外部的供電需具有開路、短路等診斷功能，例如給GNSS 天線的供電、eCall 外接按鍵的供電，這樣，當(dāng)出現(xiàn)開短路故障時(shí)可將信息發(fā)送給后臺(tái)并推送給用戶，提醒用戶及時(shí)到4S 店進(jìn)行處理。

4   應(yīng)用

在T-box 的實(shí)際應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)汽車熄火后的遠(yuǎn)程控制或遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，在待機(jī)模式下T-box 的部分模塊供電是不能關(guān)斷的，以備隨時(shí)喚醒；當(dāng)汽車長(zhǎng)時(shí)間例如7 天未點(diǎn)火時(shí)，為了減少對(duì)車載電池的損耗，T-box需從待機(jī)模式進(jìn)入到深睡眠模式。本電源架構(gòu)對(duì)應(yīng)的電路可實(shí)現(xiàn)上述功能并滿足待機(jī)模式下mA 級(jí)別、深睡眠模式下μA 級(jí)別的靜態(tài)電流要求，同時(shí)可滿足車載電子產(chǎn)品測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的其他嚴(yán)格要求，例如電氣性能、EMC、可靠性等。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年7月期）