CN105857215A - 车载控制单元电源防反接及掉电后处理电路 - Google Patents

车载控制单元电源防反接及掉电后处理电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种车载控制单元电源防反接及掉电后处理电路，属于车辆电子控制技术领域。本发明通过一对对称安装的PMOSFET实现电源系统的防反接以及可控接通与关断；通过一对三极管开关电路实现对电源系统的掉电检测以及掉电后处理；通过一对串联安装的TVS管实现对电源系统的浪涌抑制。通过上述处理与实践证明，该电路可以很好地实现对电源系统的反接保护、浪涌抑制以及掉电后处理，提升了电源系统的可靠性以及可维修性。

Description

车载控制单元电源防反接及掉电后处理电路
技术领域
本发明涉及车辆电子控制技术领域，具体涉及一种车载控制单元电源防反接及掉电后处理电路。
背景技术
随着车辆电子技术的飞速发展，越来越多的车载控制单元被应用于车辆上来辅助车辆各种任务的实现，例如动力传动控制、车辆底盘控制以及车身电子控制等，因此车载控制单元在整车可靠性中起着至关重要的作用。为了提升车载控制单元的可靠性，首要任务就是提升其电源功能的健壮性，由于车辆电网特性复杂多变、车辆负载特性各异，车辆电网难以避免地存在尖峰、浪涌、反接等各种状况，这就对车载控制单元的电源系统可靠性提出了更高的要求。
传统的车载控制单元电源电路往往使用二极管的单向导电性进行电源系统的防反接保护。由于二极管本身热阻大、导通电压较高、封装较小等原因，所以电源系统的功率受到了一定的限制；同时二极管无法控制其导通及关断时刻，属于被动形式，不利于电源系统的主动控制。
另外，传统的车载控制单元在车辆钥匙开关旋转到OFF档时，控制单元会立刻断电，导致控制单元的功能马上失效，无法进行有效的动作保护，比如掉电前关键数据存储、相关负载无法回到起始工作位置等，不利于车辆的维护保养。
为解决上述问题，同时能够提升车载控制单元电源系统的可靠性及可维修性，需要设计一种新的车载控制单元的电源防反接以及掉电后处理电路。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计一种新的车载控制单元的电源防反接以及掉电后处理电路，以更好地实现对车载控制单元电源系统的反接保护、浪涌抑制以及掉电后处理，提升车载控制单元电源系统的可靠性以及可维修性。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种车载控制单元电源防反接及掉电后处理电路，包括防反接模块、浪涌抑制模块、控制及掉电后处理模块，以及信号隔离模块四个模块；
所述浪涌抑制模块用于实现对车载控制单元电源浪涌的抑制与泄放；
所述防反接模块用于实现电路的防反接功能以及对车载控制单元电源输出进行有效地控制；
所述控制及掉电后处理模块用于实现车载控制单元电源的供电正常输出以及在外部MCU的控制下实现掉电后处理；
所述信号隔离模块用于实现车载控制单元电源输入端与MCU之间的地隔离。
优选地，所述浪涌抑制模块包括串联的TVS管D1、D3；
所述防反接模块包括防反接PMOS管Q1和后级电路开关PMOS管Q2，车载控制单元电源从Q1漏极输入、从Q1源极输出，从Q2源极输入、从Q2漏极输出，Q1源极接D1的负极和Q2的源极，Q1的栅极接Q2的栅极；
所述控制及掉电后处理模块包括主三极管开关Q3以及掉电后处理三极管开关Q4，Q3的基极接点火开关IGN信号，Q3、Q4的集电极连接并输出防反接模块的栅极控制信号Psignal到Q1、Q2的栅极，点火开关IGN信号和Q4的基极接信号隔离模块的一端，信号隔离模块的另一端接MCU，掉电后处理信号AfterRun信号以及IGN信号经过信号隔离模块实现与MCU的隔离；首先主三极管开关Q3用于实现车载控制单元电源正常上电时的工况，通过采集点火开关IGN信号，打开主三极管开关Q3，从而输出防反接模块的栅极控制信号Psignal，实现了车载控制单元电源的供电正常输出；其次点火信号IGN通过信号隔离模块输入到MCU中，MCU通过对点火信号IGN的识别来判断车载控制单元电源的运行状态，当钥匙开关旋转到ON档时，MCU识别此信号并通过信号隔离模块输出AfterRun信号给掉电后处理三极管开关Q4，掉电后处理三极管开关Q4打开并和主三极管开关Q3共同控制栅极控制信号Psignal；最后当钥匙开关旋转到OFF档时，主三极管开关Q3关闭，MCU识别此断电模式并根据任务需求通过信号隔离模块维持一定时间的掉电后处理信号AfterRun，待MCU完成掉电前数据存储、相关控制输出复位后，MCU关闭AfterRun信号，掉电后处理三极管开关Q4关闭，整个电路切断输出，完成电源断电过程。
(三)有益效果
本发明通过一对对称安装的PMOSFET实现电源系统的防反接以及可控接通与关断；通过一对三极管开关电路实现对电源系统的掉电检测以及掉电后处理；通过一对串联安装的TVS管实现对电源系统的浪涌抑制。通过上述处理与实践证明，该电路可以很好地实现对电源系统的反接保护、浪涌抑制以及掉电后处理，提升了电源系统的可靠性以及可维修性。
附图说明
图1为本发明实施例的电路中各模块工作原理框图；
图2为本发明实施例的电原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供了一种车载控制单元(ECU)电源防反接及掉电后处理电路，包括防反接模块、浪涌抑制模块、控制及掉电后处理模块，以及信号隔离模块四个模块。虚线框表示的后级电源电路和MCU不属于该电路的一部分。
浪涌抑制模块主要实现对控制单元电源浪涌的抑制与泄放功能，根据民用车辆标准ISO7637对电源系统的要求，本发明采用两个TVS管SM8S16A串联的方式进行浪涌抑制，单个SM8S16A峰值吸收功率6.6KW，能够承受120V，20A，300ms的脉冲冲击。采用串联的方式，极大地提高了对瞬态浪涌电流的泄放能力以及TVS承受过电压的时间。
防反接模块主要由防反接PMOS管和后级电路开关PMOS管组成，两个管子都选择了NEC公司的NP50P06KDG型号。该功率管导通阻抗只有17mΩ，额定电流可以达到50A，因此电流通行能力比传统的二极管要大得多；另外两个PMOS功率管对称安装，即防反接管是电源从漏极输入、源极输出，后级电路开关管是电源从源极输入、漏极输出，这样设计就保证了当电源反接时，电流不会借助PMOS管本身的体位二极管流向输入端以及后级电源电路，从而即可靠地实现了电路的防反接功能又可以对电源输出进行有效地控制。
控制及掉电后处理模块主要由主三极管开关以及掉电后处理三极管开关组成，两个管子的型号都选择了安森美公司的BC846ALT1G型号。首先主三极管开关主要负责电源正常上电时的工况，通过采集点火开关IGN信号，打开主三极管开关，从而输出防反接模块的栅极控制信号Psignal，实现了整个电源系统的供电正常输出；其次点火信号IGN通过信号隔离模块输入到MCU控制系统中，MCU通过对该信号的识别来判断电源系统的运行状态，当车辆钥匙开关旋转到ON档时，MCU识别此信号并通过信号隔离模块输出AfterRun信号给掉电后处理三极管开关，此掉电后处理三极管开关打开并和主三极管开关共同控制栅极控制信号Psignal；最后当钥匙开关旋转到OFF档时，主三极管开关关闭，MCU识别此断电模式并根据实际任务需求通过信号隔离模块维持一定时间的掉电后处理信号AfterRun，待MCU完成掉电前数据存储、相关控制输出复位后，MCU关闭AfterRun信号，掉电后处理三极管开关关闭，整个电路切断输出，完成电源断电过程。
信号隔离模块主要实现车载控制电源输入处理端与微控制器控制处理部分的地隔离，采用TI公司的磁隔离芯片ISO7240CF来实现，主要隔离的信号有点火开关信号IGN以及掉电后处理信号AfterRun。
如图2所示，VBAT为电源输入端，VBAT_PR为电源输出端，接图1中的后级电源电路，图中AFTER_RUN、IGN_Sample接外部MCU。Q1、Q2及其附属电路(C1是Q1的附属电路元件，C2～C4是Q2的附属电路元件，D2、R1是二者共用的附属电路元件)构成防反接模块，Q1为防反接PMOSFET，Q2为后级电路开关PMOSFET；D1、D3构成浪涌抑制模块；Q3、Q4及其附属电路(Q3左侧的电路为其附属电路，Q4的附属电路元件包括R10、R4)构成控制及掉电后处理模块，Q3为主三极管开关，Q4掉电后处理三极管开关；U1及其附属电路(附属电路元件包括C5、C6、R5、R6)构成信号隔离模块，AfterRun信号以及IGN信号经过信号隔离模块实现与微控制单元MCU的隔离。
当电源系统正常工作时，IGN信号有效，Q3首先打开，此时Q1和Q2栅源电压VGS＝-12V(即栅极控制信号Psignal)，确保Q1和Q2的可靠导通，VBAT_PR获得稳定的输出电压给后级电源电路供电；微控制器MCU通过信号隔离芯片U1获取IGN信号，输出AfterRun信号给Q4，Q4随后被打开，与Q3同时确保Q1与Q2的可靠导通。
当电源系统断电时，IGN信号关闭，Q3被关断，Q4确保为Q1和Q2提供稳定的栅源电压，保证Q1和Q2仍然导通；微控制器通MCU过信号隔离芯片U1获取IGN信号关闭，起动断电管理逻辑，完成掉电前数据存储、相关控制输出复位等工作后，输出AfterRun信号给Q4，Q4随后被关闭，整个系统可靠断电。
当电源系统反接时，Q1和Q2关闭，反接电源无法通过Q1进入到电源前级，同时反接电源也无法通过Q2进入后级电源电路，整个电路系统得到了很好的保护，避免了电源反接所造成的损害。
本发明的电路经过了项目台架联调试验，试验结果证明其能够满足车辆的使用要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种车载控制单元电源防反接及掉电后处理电路，其特征在于，包括防反接模块、浪涌抑制模块、控制及掉电后处理模块，以及信号隔离模块四个模块；
所述浪涌抑制模块用于实现对车载控制单元电源浪涌的抑制与泄放；
所述防反接模块用于实现电路的防反接功能以及对车载控制单元电源输出进行有效地控制；
所述控制及掉电后处理模块用于实现车载控制单元电源的供电正常输出以及在外部微控制器MCU的控制下实现掉电后处理；
所述信号隔离模块用于实现车载控制单元电源输入端与MCU之间的地隔离。
2.如权利要求1所述的车载控制单元电源防反接及掉电后处理电路，其特征在于，所述浪涌抑制模块包括串联的TVS管D1、D3；
所述防反接模块包括防反接PMOS管Q1和后级电路开关PMOS管Q2，车载控制单元电源从Q1漏极输入、从Q1源极输出，从Q2源极输入、从Q2漏极输出，Q1源极接D1的负极和Q2的源极，Q1的栅极接Q2的栅极；
所述控制及掉电后处理模块包括主三极管开关Q3以及掉电后处理三极管开关Q4，Q3的基极接点火开关IGN信号，Q3、Q4的集电极连接并输出防反接模块的栅极控制信号Psignal到Q1、Q2的栅极，点火开关IGN信号和Q4的基极接信号隔离模块的一端，信号隔离模块的另一端接MCU，掉电后处理信号AfterRun信号以及IGN信号经过信号隔离模块实现与MCU的隔离；首先主三极管开关Q3用于实现车载控制单元电源正常上电时的工况，通过采集点火开关IGN信号，打开主三极管开关Q3，从而输出防反接模块的栅极控制信号Psignal，实现了车载控制单元电源的供电正常输出；其次点火信号IGN通过信号隔离模块输入到MCU中，MCU通过对点火信号IGN的识别来判断车载控制单元电源的运行状态，当钥匙开关旋转到ON档时，MCU识别此信号并通过信号隔离模块输出AfterRun信号给掉电后处理三极管开关Q4，掉电后处理三极管开关Q4打开并和主三极管开关Q3共同控制栅极控制信号Psignal；最后当钥匙开关旋转到OFF档时，主三极管开关Q3关闭，MCU识别此断电模式并根据任务需求通过信号隔离模块维持一定时间的掉电后处理信号AfterRun，待MCU完成掉电前数据存储、相关控制输出复位后，MCU关闭AfterRun信号，掉电后处理三极管开关Q4关闭，整个电路切断输出，完成电源断电过程。
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