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

引言

隨著近年來(lái)車載用品種類的增多和功能的擴(kuò)展，OBD(On Board Diagnostics，車載自動(dòng)診斷系統(tǒng))接口供電的車載用品的市場(chǎng)占有率越來(lái)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(lái)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一種趨勢(shì)[2]。OBD接口平時(shí)很少使用，因此，其電源管腳可以用來(lái)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(hù)設(shè)計(jì)尤為重要。

目前比較簡(jiǎn)單的低壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)是通過(guò)分壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其原理是輸入電壓經(jīng)過(guò)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(hù)值，電源芯片就自動(dòng)關(guān)閉。這種OBD接口供電的車載產(chǎn)品的低壓保護(hù)存在以下缺點(diǎn):

1)設(shè)計(jì)閾值不精確。汽車電瓶的電壓值受負(fù)載的影響波動(dòng)很大，由此電阻分壓中的輸出電壓也相應(yīng)地產(chǎn)生波動(dòng)，如果其值在電源芯片使能值附近，又因?yàn)槭鼓芄苣_的遲滯很小，很可能造成誤關(guān)機(jī)和乒乓效應(yīng)。

2)溫度特性差。有些設(shè)計(jì)會(huì)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(hù)的閾值變化很大。

以上的設(shè)計(jì)缺點(diǎn)都會(huì)過(guò)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(wú)法啟動(dòng)。

1 遲滯比較器方案的原理及其實(shí)現(xiàn)

針對(duì)以上出現(xiàn)的問(wèn)題，有兩種解決方案，第一種是采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，第二種是采用遲滯比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)。兩種方案共同的優(yōu)勢(shì)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(shí)輸出值只有高和低兩個(gè)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(diǎn)。單片機(jī)的開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)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(hù)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(shí)際的應(yīng)用來(lái)選擇，具體到本文的應(yīng)用，功耗是一個(gè)重要的指標(biāo)，尤其是低壓保護(hù)之后，只有保護(hù)電路耗電。如果采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，由于單片機(jī)需要實(shí)時(shí)采集電壓數(shù)據(jù)，其功耗要大于遲滯比較器的運(yùn)放功耗，并且進(jìn)入低壓保護(hù)后，還要實(shí)時(shí)監(jiān)控電壓數(shù)據(jù)，以防用戶發(fā)動(dòng)車輛導(dǎo)致電壓回升，保證車載產(chǎn)品快速啟動(dòng)工作。基于這些需求，采用遲滯比較器的低壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)是一種合適的方案。

遲滯比較器有兩個(gè)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(hào)滿足第一個(gè)門限值時(shí)，比較器的輸出狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變。此時(shí)比較器只有滿足第二個(gè)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(dòng)的缺點(diǎn)。在常規(guī)監(jiān)測(cè)控制電路中具有很強(qiáng)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(jì)出滿足需求的遲滯范圍。具體的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)可以參考TI的比較器設(shè)計(jì)[5]來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1是低壓保護(hù)設(shè)計(jì)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(guò)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(dòng)門限，則輸出相應(yīng)信號(hào)使能DC/DC，反之，則不使能DC/DC。當(dāng)DC/DC使能啟動(dòng)后，根據(jù)遲滯比較器的原理，其門限發(fā)生變化。如果在運(yùn)行過(guò)程中，12V的輸入電壓低于此門限時(shí)，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(gè)狀態(tài)，因此，徹底解決了乒乓開(kāi)關(guān)機(jī)問(wèn)題。同時(shí)，遲滯比較器的溫度特性更穩(wěn)定，功耗很低，保護(hù)的閾值更加穩(wěn)定。在進(jìn)入低壓保護(hù)后，整體的功耗對(duì)電瓶的影響非常小。

2 電瓶引起的誤關(guān)機(jī)問(wèn)題解決方案

目前，市場(chǎng)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(shí)，突然開(kāi)啟大負(fù)載，比如前大燈或者空調(diào)，電瓶電壓會(huì)突然拉低。如果電瓶電壓拉低到低壓保護(hù)閾值以下，會(huì)出現(xiàn)關(guān)機(jī)。等到電壓上升到啟動(dòng)閾值時(shí)，會(huì)再次上電開(kāi)機(jī)。

解決這個(gè)問(wèn)題需要在低壓保護(hù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，增加一個(gè)延時(shí)電路。當(dāng)電瓶電壓達(dá)到低壓保護(hù)閾值時(shí)，關(guān)閉DC/DC的使能信號(hào)，延時(shí)一段時(shí)間，若此時(shí)間內(nèi)，電瓶恢復(fù)到開(kāi)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(shí)現(xiàn)方案可以采用單片機(jī)，也可采用單穩(wěn)態(tài)電路?？紤]到功耗問(wèn)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(lái)進(jìn)行延時(shí)時(shí)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(shí)間后自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)，且暫態(tài)維持的時(shí)間長(zhǎng)短與觸發(fā)脈沖無(wú)關(guān)，只取決于電路本身[6]。采用外接RC的充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，具有電路簡(jiǎn)單，外接器件少的優(yōu)點(diǎn)[7]。具體的框圖如圖2。

電瓶電壓正常時(shí)，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(hù)門限時(shí)，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(shí)會(huì)輸出一個(gè)高脈沖，這個(gè)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(guò)設(shè)置RC參數(shù)，可以設(shè)計(jì)出需要的暫態(tài)時(shí)間，即高脈沖的持續(xù)時(shí)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(kāi)DC/DC。這個(gè)延時(shí)設(shè)計(jì)解決大負(fù)載引起的低壓保護(hù)問(wèn)題。

這種設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于要考慮邏輯門自身的傳輸延時(shí)，如果處理不好，會(huì)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)問(wèn)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(shí)，TBQ是單穩(wěn)態(tài)電路傳輸延時(shí)，TQw是暫態(tài)的時(shí)間，TBW是誤關(guān)機(jī)的時(shí)間長(zhǎng)度，利用Matlab仿真分析這三者的關(guān)系：

1)TB~B

2)當(dāng)TB~B>TBQ，TBW >TQW時(shí)，輸出會(huì)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

這種條件下，如果電瓶電壓拉低到低壓保護(hù)點(diǎn)后依然不上升，即電瓶電量確實(shí)被消耗到低壓保護(hù)時(shí)，延遲一段時(shí)間后，將DC/DC關(guān)閉。即低壓保護(hù)時(shí)，關(guān)閉DC/DC需要一個(gè)延時(shí)，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(shí)間大于誤關(guān)機(jī)時(shí)間)，并且單穩(wěn)態(tài)電路的輸入輸出延遲時(shí)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(guò)調(diào)整RC來(lái)實(shí)現(xiàn)。延遲時(shí)間可以通過(guò)電容來(lái)調(diào)整。這樣就可以解決誤關(guān)機(jī)問(wèn)題。

3 結(jié)論

本文介紹了帶延遲功能的低壓保護(hù)電路，對(duì)其原理和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并且對(duì)設(shè)計(jì)難點(diǎn)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(hù)需求，為今后OBD供電的車載用品的低壓保護(hù)設(shè)計(jì)方案提供了一個(gè)參考和方向。