基于OBD接口的低壓保護電路

作者/ 楊沛 亮銳商貿(上海)有限公司(上海 200233)

摘要：本文介紹了一種帶延遲功能的低壓保護電路。這種電路可以提高低壓保護閾值精度，減小溫度對閾值的影響，降低電路的整體功耗，同時(shí)解決了某些車(chē)輛電瓶引起的誤關(guān)機現象，并通過(guò)理論分析和仿真結果，給出了延遲電路設計難點(diǎn)的解決方法，為今后基于OBD接口的車(chē)載用品的低壓保護方案提供了參考和方向。

引言

　　隨著(zhù)近年來(lái)車(chē)載用品種類(lèi)的增多和功能的擴展，OBD(On Board Diagnostics，車(chē)載自動(dòng)診斷系統)接口供電的車(chē)載用品的市場(chǎng)占有率越來(lái)越高。OBD是為汽車(chē)的故障診斷和檢修提供了諸多方便^[1]，汽車(chē)配備OBD系統已經(jīng)是未來(lái)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一種趨勢^[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(chē)載產(chǎn)品供電。由于OBD接口直接連接汽車(chē)電瓶，此類(lèi)產(chǎn)品的低壓保護設計尤為重要。

　　目前比較簡(jiǎn)單的低壓保護電路設計是通過(guò)分壓電路來(lái)實(shí)現的，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，當低于電源芯片的低壓保護值，電源芯片就自動(dòng)關(guān)閉。這種OBD接口供電的車(chē)載產(chǎn)品的低壓保護存在以下缺點(diǎn):

　　1)設計閾值不精確。汽車(chē)電瓶的電壓值受負載的影響波動(dòng)很大，由此電阻分壓中的輸出電壓也相應地產(chǎn)生波動(dòng)，如果其值在電源芯片使能值附近，又因為使能管腳的遲滯很小，很可能造成誤關(guān)機和乒乓效應。

　　2)溫度特性差。有些設計會(huì )采用穩壓二極管穩壓，然而穩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，低壓保護的閾值變化很大。

　　以上的設計缺點(diǎn)都會(huì )過(guò)多消耗汽車(chē)電瓶的電量，最嚴重的后果是導致汽車(chē)的電瓶電量被耗盡，汽車(chē)無(wú)法啟動(dòng)。

1 遲滯比較器方案的原理及其實(shí)現

　　針對以上出現的問(wèn)題，有兩種解決方案，第一種是采用單片機實(shí)現，第二種是采用遲滯比較器來(lái)實(shí)現。兩種方案共同的優(yōu)勢在于:

　　1)消除乒乓效應。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，并且克服了電源芯片使能電壓存在誤差的缺點(diǎn)。單片機的開(kāi)機和關(guān)機閾值可以靈活編程設置，其效果和遲滯比較器相同。

　　2)保護閾值精確穩定，可以減小環(huán)境溫度的影響。

　　這兩種方案可以根據實(shí)際的應用來(lái)選擇，具體到本文的應用，功耗是一個(gè)重要的指標，尤其是低壓保護之后，只有保護電路耗電。如果采用單片機實(shí)現，由于單片機需要實(shí)時(shí)采集電壓數據，其功耗要大于遲滯比較器的運放功耗，并且進(jìn)入低壓保護后，還要實(shí)時(shí)監控電壓數據，以防用戶(hù)發(fā)動(dòng)車(chē)輛導致電壓回升，保證車(chē)載產(chǎn)品快速啟動(dòng)工作?；谶@些需求，采用遲滯比較器的低壓保護電路設計是一種合適的方案。

　　遲滯比較器有兩個(gè)門(mén)限值，且門(mén)限值隨輸出電壓的變化而變化^[3]。當輸入信號滿(mǎn)足第一個(gè)門(mén)限值時(shí)，比較器的輸出狀態(tài)發(fā)生轉變。此時(shí)比較器只有滿(mǎn)足第二個(gè)門(mén)限值，比較器的輸出狀態(tài)才能發(fā)生轉變。這種帶有“滯回”的傳輸特性有效地克服了單限比較器在門(mén)限值附件存在微小干擾而出現的輸出抖動(dòng)的缺點(diǎn)。在常規監測控制電路中具有很強的抗干擾能力^[4]。只要選好遲滯比較器的電阻參數，就可以設計出滿(mǎn)足需求的遲滯范圍。具體的設計細節可以參考TI的比較器設計^[5]來(lái)實(shí)現。

　　圖1是低壓保護設計的具體方案。汽車(chē)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定的閾值相比較，如果12V電源輸入高于啟動(dòng)門(mén)限，則輸出相應信號使能DC/DC，反之，則不使能DC/DC。當DC/DC使能啟動(dòng)后，根據遲滯比較器的原理，其門(mén)限發(fā)生變化。如果在運行過(guò)程中，12V的輸入電壓低于此門(mén)限時(shí)，則輸出相應電平，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)機問(wèn)題。同時(shí)，遲滯比較器的溫度特性更穩定，功耗很低，保護的閾值更加穩定。在進(jìn)入低壓保護后，整體的功耗對電瓶的影響非常小。

2 電瓶引起的誤關(guān)機問(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(chē)輛在行車(chē)或者ACC檔時(shí)，突然開(kāi)啟大負載，比如前大燈或者空調，電瓶電壓會(huì )突然拉低。如果電瓶電壓拉低到低壓保護閾值以下，會(huì )出現關(guān)機。等到電壓上升到啟動(dòng)閾值時(shí)，會(huì )再次上電開(kāi)機。

　　解決這個(gè)問(wèn)題需要在低壓保護設計基礎上，增加一個(gè)延時(shí)電路。當電瓶電壓達到低壓保護閾值時(shí)，關(guān)閉DC/DC的使能信號，延時(shí)一段時(shí)間，若此時(shí)間內，電瓶恢復到開(kāi)啟電壓以上，則繼續使能DC/DC，反之，則關(guān)閉DC/DC。

　　具體的實(shí)現方案可以采用單片機，也可采用單穩態(tài)電路?？紤]到功耗問(wèn)題，單穩態(tài)電路方案更為適合，此方案還需要加入邏輯門(mén)來(lái)進(jìn)行延時(shí)時(shí)間內的電平邏輯判斷。

　　單穩態(tài)電路具有穩態(tài)和暫態(tài)兩種工作狀態(tài)。在觸發(fā)脈沖作用下，能從穩態(tài)翻轉到暫態(tài)，并能在一段時(shí)間后自動(dòng)返回穩態(tài)，且暫態(tài)維持的時(shí)間長(cháng)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)現單穩態(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)，單穩態(tài)電路處于穩態(tài);當電瓶電壓拉低到低壓保護門(mén)限時(shí)，比較器輸出由低電平切換到高電平，單穩態(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)設置RC參數，可以設計出需要的暫態(tài)時(shí)間，即高脈沖的持續時(shí)間。進(jìn)入暫態(tài)后，如果比較器輸出恢復到低電平，則或非門(mén)A的輸出為高，或非門(mén)B的輸出必為低，從而打開(kāi)DC/DC。這個(gè)延時(shí)設計解決大負載引起的低壓保護問(wèn)題。

　　這種設計的難點(diǎn)在于要考慮邏輯門(mén)自身的傳輸延時(shí)，如果處理不好，會(huì )出現競爭冒險問(wèn)題，造成最終輸出的誤翻轉。假設TB~B是或非門(mén)B的傳輸延時(shí)，TBQ是單穩態(tài)電路傳輸延時(shí)，TQw是暫態(tài)的時(shí)間，TBW是誤關(guān)機的時(shí)間長(cháng)度，利用Matlab仿真分析這三者的關(guān)系：

　　1)TB~B<tbq時(shí)，輸出會(huì )有短暫的高電平，導致dc p="" dc關(guān)閉，如圖3所示;

　　2)當TB~B>TBQ，TBW >TQW時(shí)，輸出會(huì )有短暫的高電平，導致DC/DC關(guān)閉，如圖4所示;

　　3)當TB~B>TBQ，TBW <tqw時(shí)，盡管電壓拉低，但是輸出一直為低，dc p="" dc一直工作，克服了打火后且電瓶拉低之后，電壓緩慢上升造成的重啟問(wèn)題，如圖5所示。

　　這種條件下，如果電瓶電壓拉低到低壓保護點(diǎn)后依然不上升，即電瓶電量確實(shí)被消耗到低壓保護時(shí)，延遲一段時(shí)間后，將DC/DC關(guān)閉。即低壓保護時(shí)，關(guān)閉DC/DC需要一個(gè)延時(shí)，其大小為T(mén)QW+TBQ，如圖6所示。

　　從以上分析可以看出，只要將單穩態(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)機時(shí)間)，并且單穩態(tài)電路的輸入輸出延遲時(shí)間小于或非門(mén)的延遲，就能夠完成延遲功能要求，脈沖寬度可通過(guò)調整RC來(lái)實(shí)現。延遲時(shí)間可以通過(guò)電容來(lái)調整。這樣就可以解決誤關(guān)機問(wèn)題。

3 結論

　　本文介紹了帶延遲功能的低壓保護電路，對其原理和實(shí)現進(jìn)行了詳細的闡述，并且對設計難點(diǎn)進(jìn)行了理論分析和仿真。本方案可以滿(mǎn)足大多數OBD車(chē)載用品的低壓保護需求，為今后OBD供電的車(chē)載用品的低壓保護設計方案提供了一個(gè)參考和方向。

參考文獻：

　　[1]曹云建,唐耀庚,謝宇希.基于OBD的汽車(chē)遠程檢測系統設計[J].工業(yè)控制計算機,2012,25(12):95-96.

　　[2]何龍文,徐建閩,徐鑫龍.基于OBD接口的危險駕駛報警與記錄系統設計[J].信息技術(shù),2013(5):16-23.

　　[3]康華光.電子技術(shù)基礎:模擬部分[M].北京:高等教育出版社,2000.

　　[4]高錦秀,翟俊祥,周曉華,等.遲滯比較器在蓄電池備用電源中的應用[J].半導體技術(shù),2001,26(6):25-26.

　　[5] Art Kay, Timothy Claycomb. Comparator with Hysteresis Reference Design[J].TI Designs– Precision: Verified Design, 2014.

　　[6]岳怡.數字電路與數字電子技術(shù)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2004.

　　[7]王金花,姚宏寶.用可編程邏輯器件實(shí)現單穩態(tài)觸發(fā)器[J].紅外與激光工程,2002,31(2):185-186.

本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第1期第63頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。