汽车电子电源电路的可靠性分析(1)

图1.电源电路

该电路是被大批量出货验证的成熟电路，没有出现过批量的故障现象。

14年前，我入职该公司不久，就被安排按照福特SDS的要求用WCCA的方法分析电路的可靠性。

(资料图片仅供参考)

我从以下几个方面入手分析，

1) 典型情况下电路分析

2) 最坏情况下的电路分析

3) Load dump电压输入(台湾人称之为低周波)的可靠性分析

4) 浪涌电压输入(台湾人称之为高周波)的可靠性分析

5) 借电启动的输入的可靠性分析

...

综合考虑以下的标准和设计规范：

《ISO 7637-2 沿电源线的电瞬态传导发射和抗扰性 》的要求，规定了5种测试脉冲：

1）脉冲干扰1：模拟并联的感性负载，在突然断电时产生的瞬态干扰；

图2. ISO7637-2 Pulse 1

2）脉冲干扰2a/2b：脉冲2a模拟汽车正常运行时，某一并联负载突然断开所产生的瞬态干扰，速度快、能量小；脉冲2b模拟点火被切断的瞬间，直流电动机变成发电机工作由此所产生的瞬态干扰，低速、高能量；

图3. ISO7637-2 Pulse 2a

图4. ISO7637-2 Pulse 2b

3）脉冲干扰3a/3b：模拟各种开关闭合和打开过程中所产生的瞬态干扰，高速、低能量；

图5 ISO7637-2 Puse 3a

图6. ISO7637-2 Pulse 3b

4）脉冲干扰4：模拟车上大电流负载启动导致的电压跌落现象；

图7. ISO7637-2 Puse 4

5）脉冲干扰5a/5b：模拟汽车抛负载(load dump)引起的大能量瞬态脉冲干扰。

图8. ISO 7637-2 Pulse 5a&5b

模块必须能承受60秒的24V直流电压，以模拟双电池的借电启动。

用户可能将12V的电瓶用电缆搭接到另一辆车的24伏电瓶以借电启动，此时，24V的直流电压串入电源，设计规范规定模块能承受持续时间为60秒的24V电压输入；

模块工作电压的要求

设计规范规定，模块的典型工作电压为12.8V，最低工作电压为9.0V， 最高工作电压为16.0V

50ms电源瞬断要求

设计规范规定，电瓶电压从12VDC跌落到0VDC，持续时间在50ms内，不能引起模块的处理器掉电复位；

WCCA分析+5V电源的最大消耗电流

单片机最大工作电流为10mA；

方向灯检测以及控制回路最大工作电流为5mA；

遥控接收模块最大工作电流为5mA；

门锁控制回路最大工作电流为2mA；

...

总的最大消耗电流为30mA，小于S812C50的最大输出电流75mA - OK；

S812C50的输出电压范围

S812C50 输出电压范围为：5.0±2%。温度系数为±100PPM。

则S812C50 输出的最小电压

则S812C50 输出的最大电压

说明：2%为输出电压精度，100PPM 为温度系数，如下图：

图9. S812C50的输出电压温度系数

MCU的工作电压范围为：2.3~5.5V。

输出电压范围4.87V-5.13V能满足MCU工作电压要求 - OK；

S812C50的最低输入电压

考虑初始，老化以及环境等因素，最低输入电压为：

式中，为电瓶的最低输出电压9.0V；

为二极管D6的最大导通电压，为0.9V；

为+5.0V的最大消耗电流，为30mA；

为R61的最大阻值，为100*(1+10%)=110Ω；

代入，算得最低输入电压为：

而从电压差(dropout voltage)与输出电压的关系曲线可知，

当工作温度为85℃时，电压差(dropout voltage)达到500mV，允许的最低输入电压为：

在极限情况下，当电瓶电压为9.0V时，S812C50的输入电压为5.6V，满足其最低输入电压要求 - OK；

S812C50的最高输入电压

ECU在发动机熄火时，为了保证电瓶电量待机的要求，需要进入低功耗模式。

此时，遥控器接收电路是其中耗电比较大的电路，大概是十几ms的间隔唤醒轮询检测空中FSK信号；

+5.0V的最低工作电流可能低至S812C50自身消耗的电流，即1.5uA。

汽车电瓶的最高输出电压为16.0V，而ZD1的齐纳电压(zener voltage)为15.0V，极限情况下考虑的公差，即14.25V~15.75V；

流过ZD1的电流为：

当考虑动态齐纳阻抗时，ZD1两端的电压为：

- 公式(1)

越大，越大，最大的电瓶电压为16V；

越小，越大，考虑最小值为0.3V；

越小，越大，考虑的公差；

越小，越大，+5.0V的最小消耗电流为1.2uA。

越大，越大，最大的齐纳电压为 15.75V；

而

,

所以，当越大，越大；

从规格书上查得，常温下，考虑的公差；

图10. 1N4744的齐纳电压以及齐纳电阻

所以，

其实，在这种极限情况下，施加在ZD1两端的电压达不到其反向击穿的数值，

输入到S812C50的最大输入电压为：

满足其规格书标称的最高工作电压16.0V - OK；

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