1．汽車電氣系統(tǒng)簡(jiǎn)述
近年來(lái)，隨著汽車功能的不斷增加和系統(tǒng)可靠性要求的不斷提高，越來(lái)越多的電子控制單元（ECU）被引入到汽車設(shè)計(jì)中，汽車中的電氣系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，已經(jīng)成為汽車系統(tǒng)總成的核心。通常，汽車的電氣系統(tǒng)分為供電系統(tǒng)和用電設(shè)備兩部分。供電系統(tǒng)是指給用電設(shè)備產(chǎn)生、分配和傳遞電能裝置的總稱，它包括發(fā)電機(jī)、蓄電池、電線束、開(kāi)關(guān)及繼電器等，具有低壓和直流的特點(diǎn)。汽車用電設(shè)備是指汽車電氣系統(tǒng)中需要電源供給的設(shè)備，如：起動(dòng)機(jī)、空調(diào)，音響，車燈，ABS 等等，其所需的電能由兩個(gè)電源供給，即：發(fā)電機(jī)和蓄電池。其具有單線制供電特點(diǎn)，即：所有用電設(shè)備均并聯(lián)。蓄電池和發(fā)電機(jī)的電源正極和各用電設(shè)備只用一根導(dǎo)線相連，而電源的負(fù)極搭接到汽車底盤上，俗稱負(fù)極搭鐵，利用發(fā)動(dòng)機(jī)體、汽車車架和車身等金屬機(jī)體作為一公共電流回路。下圖為一汽車的電氣系統(tǒng)概要框圖（見(jiàn)圖1）。
汽車內(nèi)的供電是低壓電路的供壓，屬于安全電壓范圍，其額定電壓有6V、12V、24V 三種。目前汽油車普遍采用12V 電源，而柴油汽車則多采用24V 電源。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系和起動(dòng)系統(tǒng)均由蓄電池供電，蓄電池為直流電源，因此，向蓄電池充電也必須采用直流電方式。汽車?yán)锿ǔ２捎玫墓枵鹘涣靼l(fā)電機(jī)其本質(zhì)是一臺(tái)三相同步交流發(fā)電機(jī)，通過(guò)硅二極管整流后提供直流充電電流。
發(fā)電機(jī)是由汽車發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)而工作的，在汽車正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)在汽車上是主要的供電電源，供給全車除起動(dòng)機(jī)外的一切電氣設(shè)備的電能，并將多余的電能向蓄電池充電，使蓄電池始終處于完好的荷電狀態(tài)。蓄電池是供電系統(tǒng)的輔助電源，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于起動(dòng)或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)電機(jī)不能發(fā)電或發(fā)出的電壓很低，此時(shí)點(diǎn)火系及其它用電設(shè)備所需的電能則完全由蓄電池供給。同時(shí)，當(dāng)用電設(shè)備所需的功率超過(guò)發(fā)電機(jī)所輸出的功率時(shí)，蓄電池與發(fā)電機(jī)共同向用電設(shè)備供電。
在發(fā)電機(jī)供電的情況下，電源系統(tǒng)中有很高的脈沖電流，隨著不同用電設(shè)備的啟用或關(guān)閉，在各個(gè)負(fù)載中的脈沖電流也相應(yīng)變化。因此，對(duì)供電系統(tǒng)的要求是：在車輛各種使用工況條件下，均能可靠地保證向用電設(shè)備供電；各零部件必須符合汽車電氣設(shè)備基本技術(shù)條件及其專門技術(shù)條件的要求。
2．直流電源濾波器的設(shè)計(jì)原則
越來(lái)越多的電子控制、通訊，導(dǎo)航，監(jiān)控和顯示等各種功能的電子化裝置應(yīng)用到汽車設(shè)計(jì)中。因此，必須考慮這些電子裝置工作時(shí)所處的電氣和電磁環(huán)境，它可能對(duì)周圍的電子設(shè)備造成危害，同時(shí)也受到車載其他電氣設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾，可能導(dǎo)致電子裝置的功能降低、短暫故障甚至永久損壞。這些電磁干擾往往來(lái)自于點(diǎn)火系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)及整流器系、電機(jī)以及執(zhí)行器等供電系統(tǒng)，而且電磁干擾的頻帶很寬，且通過(guò)傳導(dǎo)、耦合或輻射的方式，傳播到車載電子部件或系統(tǒng)中，影響其正常運(yùn)行。鑒于此，ISO 7637－2 中規(guī)定了沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)的干擾脈沖的抗擾性失效模式、嚴(yán)重程度和測(cè)量，適用于各種動(dòng)力系統(tǒng)的道路車輛，例如：火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。為了確保用電設(shè)備正常工作，免受來(lái)自電源線上的電瞬態(tài)傳導(dǎo)干擾脈沖，直流電源濾波器的設(shè)計(jì)成為汽車電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。
從廣義范圍上來(lái)看，電源濾波器所起的作用相當(dāng)于是一個(gè)由電感、電容組成的無(wú)源低通濾波器，它能夠?qū)⑵嚬╇娤到y(tǒng)中的瞬態(tài)干擾信號(hào)大幅度衰減或完全濾除，并能阻止汽車用電設(shè)備（如汽車音響等）內(nèi)部電路設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的干擾噪聲通過(guò)電源線反串入汽車供電系統(tǒng)中，污染其他的用電設(shè)備的電源供電環(huán)境。
就直流電源濾波器的形式而言，其主要有四種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，見(jiàn)下圖2。
一般來(lái)說(shuō),π 形結(jié)構(gòu)可以提供低的輸入輸出阻抗,適于所在電路源阻抗和負(fù)載阻抗高的場(chǎng)合;T 形結(jié)構(gòu)可以提供高的輸入輸出阻抗,適用于電源源阻抗和負(fù)載阻抗低的場(chǎng)合；L 形結(jié)構(gòu)可以提供高輸入阻抗和低輸出阻抗(或者相反),適于所在電路低源阻抗和高負(fù)載阻抗(或者相反)場(chǎng)合。不管選用哪一種形式的濾波網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，都要注意以下設(shè)計(jì)原則：
1) 雙向?yàn)V波功能：供電系統(tǒng)對(duì)汽車音響提供電流、電源濾波器對(duì)來(lái)自供電系統(tǒng)的瞬態(tài)脈沖起到濾波作用，同時(shí)，汽車音響內(nèi)部的各種高頻脈沖信號(hào)或數(shù)字信號(hào)因?yàn)殡娫礊V波器的存在，對(duì)汽車供電系統(tǒng)的傳導(dǎo)發(fā)射干擾程度大大降低。
2) 能有效地抑制差模干擾和共模干擾：在汽車音響直流電源設(shè)計(jì)中要重點(diǎn)考慮差模干擾的抑制性能。
3) 最大程度地滿足阻抗失配設(shè)計(jì)原則。
對(duì)于瞬態(tài)干擾信號(hào)，插入損耗要盡可能增大，即盡可能增大信號(hào)的反射。根據(jù)信號(hào)傳輸理論，當(dāng)電源的輸出阻抗ZO≠濾波器的輸人阻抗ZI 時(shí)，在電源濾波器的輸入端口就會(huì)發(fā)生反射，反射系數(shù) p＝(ZO－ZI)/(ZO＋ZI)。
顯然，ZO 與ZI 相差越大，p 便越大，端口產(chǎn)生的反射越大，瞬態(tài)干擾信號(hào)就越難通過(guò)。所以，直流電源濾波器輸入端口應(yīng)與汽車供電系統(tǒng)的輸出端口處于失配狀態(tài)，使瞬態(tài)干擾信號(hào)產(chǎn)生反射，有效抑制瞬態(tài)干擾信號(hào)進(jìn)入汽車音響電路。同理，濾波器輸出端口應(yīng)與負(fù)載處于失配狀態(tài)，使汽車音響內(nèi)部產(chǎn)生的CE 輻射信號(hào)產(chǎn)生反射，降低對(duì)外圍用電設(shè)備的干擾。因此，電源濾波器的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循下列原則：
a) 源內(nèi)阻是高阻的，則濾波器輸人阻抗就應(yīng)該是低阻的，反之亦然。
b) 負(fù)載是高阻的，則濾波器輸出阻抗就應(yīng)該是低阻的，反之亦然。
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根據(jù)ISO 16750-2 和ISO 7637-2 中對(duì)連續(xù)電源的內(nèi)阻Ri 的要求（見(jiàn)表1）：其應(yīng)小于直流0.01Ω。對(duì)于低于400Hz 的頻率而言，連續(xù)電源內(nèi)部阻抗應(yīng)為Zi=Ri， 對(duì)于不同的瞬態(tài)脈沖，Ri 是不同的,參見(jiàn)下表中12V 和24V 供電系統(tǒng)的Ri。輸出電壓在0Ω負(fù)載到最大負(fù)載（包括竄入電流）之間的變化不應(yīng)超過(guò)1V，它應(yīng)在100us 的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)其最大幅度的63%。疊加脈動(dòng)電壓Ur 的峰值間應(yīng)不超過(guò)0.2V，最低頻率應(yīng)為400Hz。
對(duì)于供電系統(tǒng)中的瞬態(tài)干擾信號(hào)，電感是高阻的，電容是低阻的，所以，電源濾波器與源或負(fù)載的端接應(yīng)遵循下列原則：
a) 如果電源內(nèi)阻或負(fù)載是阻性或感性的，與之端接的濾波器接口就應(yīng)該是容性的。
b) 如果電源內(nèi)阻或負(fù)載是容性的，與之端接的濾波器接口就應(yīng)該是感性的。
3．汽車音響直流電源濾波器的設(shè)計(jì)
通過(guò)采用阻抗失配原則選定了電源濾波器的結(jié)構(gòu)，基本上已經(jīng)決定了電源濾波器的效率。濾波網(wǎng)絡(luò)兩端的阻抗差異越大，濾波器的效率越高，濾波效果也就越好。此外，濾波器的插入損耗，即插入電源噪聲濾波器后噪聲干擾的衰減程度，這也是在實(shí)際設(shè)計(jì)和使用電源噪聲濾波器中最需要考慮的因素之一。一般可以用電壓幅值的比值來(lái)計(jì)算表示插入損耗，其值越大，表示濾波器抑制噪聲干擾的能力越強(qiáng)。
就汽車音響?yīng)毩€(gè)體而言， 汽車音響直流電源濾波器為差模噪音信號(hào)濾波器，采用濾波扼流圈和濾波電容組成的差模干擾濾除回路。由于差模電容的作用，差模干擾電流將通過(guò)電容流回電源線而不流入汽車音響中。但從系統(tǒng)而言，電源導(dǎo)線、汽車音響和地平面（汽車底盤）構(gòu)成了共模噪音信號(hào)返回路徑，如圖3 所示：為了降低系統(tǒng)的傳導(dǎo)發(fā)射性能，要求汽車音響的外殼要有一個(gè)良好的接地位置，降低共模電流或消除共模電流的存在。在CISPR25 的6.1.2 中規(guī)定,如果EUT 的電源返回路徑超過(guò)200mm，就將作為遠(yuǎn)端接地處理，如果EUT 的電源返回路徑小于等于200mm，就作為近端接地，可以忽略共模電流的影響，降低共模電流引發(fā)的傳導(dǎo)發(fā)射危害性，這就是為什么在汽車音響設(shè)計(jì)中盡可能的確保外殼與整車的底盤有良好的搭接。見(jiàn)下圖4 是汽車音響電路中常見(jiàn)的直流電源濾波器電路圖。
差模電容使用的類型是陶瓷電容，考慮到其實(shí)際電壓值是額定交流電壓和電磁干擾峰值電壓的疊加值，因此要求差模電容要有足夠高的耐壓值，一般不低于50VDC。電容容量值可按照所抑制的噪聲電壓頻率下限值來(lái)確定，其值越大，濾波器的插入損耗也就越大。
差模扼流圈通常使用金屬粉壓磁芯（Iron Power Core），因?yàn)槠涑跏即艑?dǎo)率受頻率影響小，高頻工作下?lián)p耗大，直流重疊特性好，大電流應(yīng)用時(shí)電感量也不會(huì)大幅度下降，且適用頻率范圍較低。依流過(guò)電感的電流值不同，設(shè)計(jì)中的電感值可以取為幾mH～幾十uH。
下圖為三種不同的磁芯，其電感量隨電流的變化的曲線。從圖5 中可以看出：在設(shè)計(jì)汽車音響直流電源濾波器時(shí)，要根據(jù)工作電流的范圍來(lái)選擇合適的扼流圈。當(dāng)汽車音響的正常工作電流大于3A 時(shí)，若選擇圖中POT 磁芯的扼流圈，電感量急劇降低，根本起不到濾波器的效果。
針對(duì)汽車供電系統(tǒng)中的瞬態(tài)脈沖噪音，一般集中在音頻范圍內(nèi)（20Hz 至20KHz），因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和PCB Layout 中如何抑制音頻噪音干擾（AFI = Audio Frequency Interference）成為汽車音響設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要性能評(píng)估指標(biāo)。理論上,電源濾波器的電感和電容的參數(shù)選的越大，濾波效果越好。但在實(shí)際應(yīng)用中，容量大的電容一般寄生電感也大，自諧振頻率低，對(duì)高頻噪聲的去耦效果差，而電感值越大電感的體積也越大，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)權(quán)衡各種因素的影響，確定合適的參數(shù)。在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，除了考慮來(lái)自汽車供電系統(tǒng)瞬態(tài)噪音的抑制，還要考慮高電壓（Over Voltage）、大電流(Over Current)，反向電壓(Reverse Voltage)等各種使用條件的分析和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。
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4．Over Voltage 和Over Current 設(shè)計(jì)的考慮
在汽車音響電源濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮各種不同汽車電氣系統(tǒng)瞬態(tài)噪音或脈沖的抑制作用，同時(shí)，還要加強(qiáng)Over Voltage、Over Current和Reverse Voltage等使用情況的發(fā)生。在GMW3172 － Feb.2007 ：5.2.4 、VW 801 01-2005-06：3.10和3.11、ISO 16750-2：4.2中規(guī)定了過(guò)壓（Over Voltage）測(cè)試的內(nèi)容，在 GMW3172－Feb.2007 ：5.2.7、VW 801 01-2005-06：3.12和ISO 16750-2：4.3中規(guī)定了Superimposed Alternating Voltage的測(cè)試要求。由于普通電源噪聲濾波器對(duì)浪涌電壓的抑制能力較差，特別是當(dāng)浪涌電壓上升緩慢且寬度較大時(shí)，容易出現(xiàn)阻抗不匹配，使電感線圈達(dá)到磁飽和，所以在電源噪聲濾波器輸入端通常增加了一個(gè)壓敏電阻或半導(dǎo)體浪涌電壓抑制管抑制浪涌電壓，保護(hù)汽車音響內(nèi)部電路的正常運(yùn)行。下面，針對(duì)12V汽車供電系統(tǒng)的電源濾波器電路進(jìn)行參數(shù)確定，見(jiàn)圖6。
針對(duì)該電源濾波器，在Saber 中進(jìn)行濾波效果仿真，見(jiàn)下圖7：以此為依據(jù)，進(jìn)行其他參數(shù)設(shè)計(jì)分析。
a) C9 電容的取值
在允許的情況下，該電容的容量要求越大越好，其值很難確切地估算出來(lái)。一般情況下，要求取值在l500－3300uf 之間。電容的耐壓值必須經(jīng)過(guò)雷擊浪涌后取值，有殘壓，其瞬時(shí)值一般在50V／s 時(shí)不損壞，按二級(jí)降額的原則選取，取值在25 V，頻率特性與電容的取值有關(guān)。電容容值越大，低頻濾波特性越好；電解電容的ESR 越小，低頻阻抗越低。仿真結(jié)果見(jiàn)圖8a 和8b。
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b）C1 - C8 電容的取值
在允許的情況下，電容容量的覆蓋范圍越廣越好，這樣，對(duì)于高頻的瞬態(tài)干擾脈沖噪音就能夠很好的抑制。一般情況下，要求取值在20pf－0.1uf 范圍。電容耐壓值必須能夠承受雷擊浪涌后取值，有殘壓，其瞬時(shí)值一般在100V／S 時(shí)不損壞，按二級(jí)降額的原則選取，取值50 V，頻率特性與電容的取值有關(guān)，電容值越小，高頻特性越好。圖9 為3 種電容實(shí)際阻抗隨頻率(100KHz 到500MHz)變換的特征曲線。圖10 為電容理想模型阻抗隨頻率的關(guān)系曲線。因此，C1－C9 電容一般都是通過(guò)電容并聯(lián)來(lái)滿足瞬態(tài)干擾脈沖噪音全頻范圍內(nèi)的抑制作用。仿真結(jié)果見(jiàn)圖11a 和11b。
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c) 電感的取值
電感性能的好壞取決于磁芯材料特性，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：
第一，磁芯材料的頻率范圍要寬，要保證最高頻率在100MHz，即在很寬的頻率范圍內(nèi)有比較穩(wěn)定的磁導(dǎo)率。
第二，磁導(dǎo)率高，但是在實(shí)際中很難滿足這一要求，所以，磁導(dǎo)率往往是分段考慮的。磁芯材料一般是鐵氧體。
第三，電感量的估算——考慮阻抗隨頻率變換的特征曲線。共模扼流圈取值 1.5－5mH，差模扼流圈取值為 40－100uH;圖12 為理想電感阻抗隨頻率變換的曲線。
d)壓敏電阻的確定
壓敏電阻是電壓敏感器件，當(dāng)加大壓敏電阻兩端的電壓低于額定電壓時(shí)，它的阻抗幾乎是無(wú)窮大，而超過(guò)額定值后，電阻值急劇下降，反應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí)。壓敏電阻是根據(jù)工作電壓來(lái)選擇標(biāo)稱電壓值，一般可按使用電壓的1.8 – 2.0 倍關(guān)系來(lái)確定標(biāo)稱電壓。比如：汽車音響正常電源電壓范圍在9V 至16V，則壓敏電阻的標(biāo)稱電壓為 2x16V=32V。
e) TVS 參數(shù)的確定，在后面進(jìn)行介紹。
5. 瞬態(tài)傳導(dǎo)干擾的設(shè)計(jì)考慮
在ISO 7637－2:2004、GMW3100-08.2001:3.2.1.3等標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)的干擾脈沖的抗擾性失效模式、嚴(yán)重程度和測(cè)量，提供了5 種典型脈沖波形，雖然沒(méi)有涵蓋所有可能出現(xiàn)在車輛上的各種瞬態(tài)脈沖，但適用于各種動(dòng)力系統(tǒng)的道路車輛，例如：火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)、壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。針對(duì)這5種典型的瞬態(tài)傳導(dǎo)脈沖，在Saber仿真環(huán)境中進(jìn)行該電源濾波器電路（圖13）的仿真如下：
1）脈沖1 是模擬電源與感性負(fù)載斷開(kāi)連接時(shí)所產(chǎn)生的瞬態(tài)現(xiàn)象。它影響與感性負(fù)載并聯(lián)的用電裝置，適用于各種DUT 與感性負(fù)載保持直接并聯(lián)的情況。仿真結(jié)果見(jiàn)圖14。
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2) 脈沖2a 模擬由于線束電感的原因，使與DUT并聯(lián)的裝置內(nèi)電流突然中斷引起的瞬態(tài)現(xiàn)象；脈沖2b 模擬直流電機(jī)充當(dāng)發(fā)電機(jī)，在點(diǎn)火開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的瞬態(tài)現(xiàn)象。仿真結(jié)果見(jiàn)圖15a。
圖15a
3) 試驗(yàn)脈沖3 模擬由開(kāi)關(guān)過(guò)程引起的瞬態(tài)現(xiàn)象，這些脈沖的特性受線束的分布電容和分布電感的影響。仿真結(jié)果見(jiàn)圖16a和16b。
在汽車音響產(chǎn)品設(shè)計(jì)滿足Over Voltage、反向電壓測(cè)試和進(jìn)行Pulse 5 拋負(fù)載瞬態(tài)脈沖設(shè)計(jì)考慮中，TVS 二極管在整個(gè)電源濾波器中扮演著重要角色，如何選擇適合的TVS（硅瞬態(tài)電壓吸收二極管 Silicon Transient Voltage Suppressor）是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。下面，針對(duì)TVS 二極管進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，建立TVS 在Pulse 5 雙指數(shù)脈沖波形能量累積的MathCAD模型并進(jìn)行仿真分析。
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TVS 二極管是十分有效的瞬態(tài)干擾抑制器件，當(dāng)其兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10 – 12 ns 量級(jí)的速度，將兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗崭哌_(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值（一般小于2 倍額定工作電壓），有效地保護(hù)電子電路中的精密元器件免受各種浪涌脈沖的破壞。
TVS 對(duì)浪涌功率和浪涌電流的吸收能力取決于PN 結(jié)的面積，峰值脈沖功率（Pp）的吸收能力可以達(dá)到數(shù)千瓦。早期的器件用10/1000us 波形來(lái)考核，現(xiàn)在通常采用8/20us 的波形進(jìn)行定義。TVS 的吸收峰值脈沖功率（Pp）是由TVS 上的箝位電壓和流過(guò)TVS 的沖擊電流的峰值乘積來(lái)確定的。要注意的是：TVS 的最大箝位電壓與TVS 的擊穿電壓（轉(zhuǎn)折電壓）不是一回事，最大箝位電壓大約是擊穿電壓的1.4 – 1.5 倍，這也表明TVS 有一定的動(dòng)態(tài)電阻。
實(shí)際的TVS 瞬變干擾限定電壓可以用下式表達(dá)：
Uo = (IP/IPP)(UCMAX – UBR) + UBR
式中： IP 是實(shí)際的脈沖電流值
IPP是額定的最大脈沖電流
UCMAX 是產(chǎn)品規(guī)定的最大箝位電壓
UBR 是擊穿電壓
下圖為TPSMC36A TVS 的技術(shù)指標(biāo)，了解每個(gè)波形的含義，有助于進(jìn)行TVS 的MathCAD 模型仿真分析。
圖19 至圖22 為TPSMC36A TVS 的技術(shù)指標(biāo)，了解每個(gè)波形的含義，有助于進(jìn)行TVS 的MathCAD 模型仿真分析。
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在ISO7637－2：2004附錄E（脈沖發(fā)生器能量容量的確定）中，介紹了計(jì)算由脈沖發(fā)生器傳遞到匹配電阻（電阻性負(fù)載RL）上的脈沖能量的數(shù)學(xué)模型， 如下圖：
圖E.2——由瞬態(tài)發(fā)生器產(chǎn)生的雙指數(shù)脈沖波形
上式中：
UO —— 開(kāi)路輸出電壓
Ri —— 脈沖發(fā)生器的電源內(nèi)阻
RL —— 脈沖發(fā)生器的負(fù)載電阻
Td —— 0.1Us 至0.1Us 的脈沖寬度
I (t) —— 電流波形函數(shù)
U (t) —— 電壓波形函數(shù)
We —— 單脈沖的能量容量
基于上述雙指數(shù)脈沖波形能量計(jì)算數(shù)學(xué)模型，在MathCAD 中進(jìn)行仿真，可以得到TVSTPSMC36A 拋負(fù)載測(cè)試（Pulse 5）的浪涌功率吸收的仿真結(jié)果，見(jiàn)下圖。它能滿足GMW3100 中Pulse 5B（Vs + Vr = 46V）的設(shè)計(jì)要求，但達(dá)不到ISO7637-2 中Pulse 5A（Vs + Vr = 100V）的設(shè)計(jì)要求。
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如果產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求一定通過(guò)Pulse5 脈沖，可以更換大功率的TVS 二極管或者將兩個(gè)或多個(gè)TVS 串/并聯(lián)起來(lái)解決高電壓和大功率的要求。將TVS 串聯(lián)可以獲得更高的限定電壓值，只是等效TVS 的最大吸收電流取決于串連TVS 中Ip 最低的一個(gè)值。將TVS 并聯(lián)可以獲得更高的限定電流值，只是等效TVS 的最大脈沖電壓取決于并聯(lián)TVS 中VRSM 最低的一個(gè)值。將圖25 中的D1 換成同系列的TPSMC20A TVS 管，分別采用4 個(gè)和5 個(gè)并聯(lián)使用，均能夠滿足Pulse 5a 的要求，參見(jiàn)Saber 和MathCAD 的仿真結(jié)果，見(jiàn)圖26。從圖26 中可以發(fā)現(xiàn)：4 個(gè)TVS 并聯(lián)處于設(shè)計(jì)邊緣，風(fēng)險(xiǎn)比較高，5 個(gè)并聯(lián)則有設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)低。采用4 或5 個(gè)TVS 管，在PCB Layout 中占有的空間比較大，若空間有限，可以選用單個(gè)TVS 具有高功率的器件來(lái)滿足設(shè)計(jì)要求。
6 總結(jié)
1）汽車的電氣系統(tǒng)分為供電系統(tǒng)和用電設(shè)備兩部分，具有低壓、直流和單線制供電特點(diǎn)；
2）汽車電源系統(tǒng)中產(chǎn)生各種各樣的瞬態(tài)脈沖電流，它是汽車用電設(shè)備的傳導(dǎo)噪音源；
3）直流電源濾波器主要有π 形、T 形和L 形等四種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不管采用哪一種網(wǎng)絡(luò)形式，都要最大程度地滿足阻抗失配設(shè)計(jì)原則；
4）汽車供電系統(tǒng)中的瞬態(tài)脈沖噪音，一般集中在音頻范圍內(nèi)（20Hz 至20KHz），在汽車音響直流濾波器設(shè)計(jì)中要重點(diǎn)評(píng)估扼流圈和電容等器件的選擇是否有效地抑制音頻噪音干擾（AFI = Audio Frequency Interference）；
5）Over Voltage、Over Current、Reverse Voltage 和ISO7637－2 中的各種瞬態(tài)脈沖等都是汽車音響直流濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要考慮參數(shù)；
6）TVS 二極管在整個(gè)直流電源濾波器中扮演著重要角色，如何選擇適合的TVS 是解決汽車音響能否通過(guò)Over Voltage、反向電壓測(cè)試和Pulse 5 拋負(fù)載瞬態(tài)脈沖測(cè)試的關(guān)鍵；
7）Saber 和MathCAD 是進(jìn)行電源濾波器設(shè)計(jì)電路仿真的有效快捷工具。
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