一種具有eCall功能的T-box電源架構設計

0   引言

隨著(zhù)汽車(chē)網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，作為網(wǎng)聯(lián)終端設備的T-box 在汽車(chē)上的裝配率不斷提高，結合移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )，T-box 可提供如遠程控制、防盜、數據路由、緊急呼救（即常說(shuō)的eCall）等功能；由于eCall 在出現交通事故后對人員的及時(shí)救援有非常重要的作用，所以俄羅斯、歐盟等地區的新車(chē)強制安裝具備eCall 功能的設備，目前我國的eCall 相關(guān)標準也在制訂中。

1   車(chē)載設備電源要求

由于車(chē)載電子設備對可靠性、壽命、電磁兼容、功耗等要求非常高，這些在設計車(chē)載設備的電源時(shí)必須要考慮，例如功耗，由于設備在汽車(chē)熄火后由電池供電，所以對設備的靜態(tài)電流要求很高，有的廠(chǎng)商要求單一設備的靜態(tài)電流在μA 級別，這就需要設備在電源架構設計和電源管理策略方面有較好的對策；其次是車(chē)載設備的電源環(huán)境非常惡劣，例如汽車(chē)點(diǎn)火時(shí)的電池電壓跌落、車(chē)載大電流設備拋負載等，所以針對設備電源有很多測試要求，例如ISO7637、過(guò)壓、反壓、電源傳導輻射、電源傳導抗擾等。

2   架構設計

本文主要涉及一種具有eCall 功能的T-box 電源架構設計，它與一般的車(chē)載電子設備電源的主要不同是：具有eCall 功能的T-box 需配備備用電池，要有專(zhuān)門(mén)的電池管理電路，由于目前使用的網(wǎng)聯(lián)模塊處理器典型工作電壓是3.8 V，在備用電池供電時(shí)，在大多數情況下，處于滿(mǎn)電狀態(tài)的電池在給T-box 供電的放電過(guò)程中，其電壓將由高到低跨越3.8 V，這就要求T-box 的電源需在增加電池管理電路的條件下滿(mǎn)足車(chē)載設備電源諸多測試要求，圖1 是該T-box 的電源架構圖。

圖1 T-box的電源架構圖

3   各電源模塊的功能及設計考慮

1）電池電壓檢測模塊用于檢測汽車(chē)電池的電壓，當汽車(chē)電池電壓出現異常，例如出現車(chē)載設備拋負載或汽車(chē)長(cháng)期放置未點(diǎn)火導致電池無(wú)法充電等情況下，微控制器需要根據電壓檢測模塊反饋的過(guò)壓、欠壓信號關(guān)斷絕大部分模塊的供電，以保護T-box 內部電路或減少對汽車(chē)電池的損耗。

2）第一級降壓模塊直接連接到車(chē)載電池（在電池狀況較好且未點(diǎn)火時(shí)約12.6 V）并進(jìn)行降壓，例如降至5 V，一般情況下這個(gè)輸出電壓和第二、三級電源輸出為常電，用于設備在待機模式下的供電，只要車(chē)載電池不斷開(kāi)，其輸出就一直存在，主要給微控制器和總線(xiàn)收發(fā)器電路供電。由于這級電源在整個(gè)電源架構中的特殊位置，將影響整機電源的性能、可靠性和穩定性，對能否通過(guò)電源相關(guān)的很多測試有重要作用。

3）總線(xiàn)收發(fā)器用于微控制器和汽車(chē)CAN 總線(xiàn)之間的信號收發(fā)等，微控制器根據總線(xiàn)上的汽車(chē)點(diǎn)火、熄火消息等控制電源各模塊的工作狀態(tài)，使T-box 以不同模式工作，例如全功能、待機、深睡眠。

4）各級電源模塊給各功能模塊提供相應電壓和負載容量的電源，這些電源模塊在設計時(shí)需考慮：

●   設置合適的工作電壓誤差范圍；

●   根據功能模塊的需求選擇合適的負載容量，負載容量需考慮一定裕量，既能滿(mǎn)足峰值電流的要求，也要避免過(guò)度設計帶來(lái)的成本浪費；

●   關(guān)聯(lián)模塊（例如與eCall 功能相關(guān)的模塊）多路電源的控制策略，以達到低功耗的要求，也使控制策略不過(guò)于復雜；

●   滿(mǎn)足一些模塊的上電時(shí)序/ 掉電時(shí)序要求；

●   滿(mǎn)足特殊電路的供電要求，例如對噪聲敏感的GNSS 電路需采用低噪聲電源；

●   需要設計合適的濾波去耦電路，既要避免噪聲往后級傳導，也要避免其往前級傳導，最后導致整機端口與電源相關(guān)的測試指標超標。

5）T-box 內置的備用電池主要應用場(chǎng)景是汽車(chē)在發(fā)生碰撞等事故，導致汽車(chē)電池損壞或電池連接線(xiàn)斷開(kāi)而無(wú)法給T-box 供電的情況下，備用電池給T-box 供電讓其可繼續工作一定時(shí)間，以完成車(chē)輛呼救信息的上傳、與后臺的呼救通話(huà)等。eCall 可通過(guò)手動(dòng)按鍵或碰撞時(shí)安全氣囊等信號自動(dòng)激活，備用電池管理電路需有

如下功能和設計考慮：

●   具備激活eCall 后在車(chē)載電池和備用電池之間供電的切換電路，且不能因供電切換導致機器重啟，也要避免汽車(chē)點(diǎn)火時(shí)因車(chē)載電池電壓變化而頻繁切換至備用電池供電；

●   備用電池的充放電控制：由于車(chē)載產(chǎn)品的工作環(huán)境惡劣且要求高可靠和長(cháng)壽命，所以需根據備用電池的特性設計合適的充電邏輯（例如充電條件判斷、充電電流設定、充電時(shí)間、在汽車(chē)熄火時(shí)是否充電等），以保證電池的安全、隨時(shí)可用和壽命。如前所述，備用電池在放電過(guò)程中電壓將跨越3.8 V，所以放電電路可考慮降壓+ 升壓的方案，同時(shí)設定合適的放電終止電壓，以避免電池過(guò)放而損壞；

●   由備用電池供電的系統盡量最小化、兼顧考慮電源的轉換效率，以延長(cháng)其工作時(shí)間；

●   需具備電池的壽命檢測，通常是檢測電池內阻，當檢測值超出預設值時(shí)，需將信息發(fā)送給后臺再推送給

用戶(hù)，提醒用戶(hù)及時(shí)更換電池，以防萬(wàn)一；

● 特殊場(chǎng)景的設計考慮，例如Tier1 廠(chǎng)家完成T-box

生產(chǎn)運輸至車(chē)廠(chǎng)安裝到車(chē)上之前的運輸模式，對電池周邊電路需有合適的設計，以盡可能減少這段時(shí)間對電池電量的影響。

6）對外部的供電需具有開(kāi)路、短路等診斷功能，例如給GNSS 天線(xiàn)的供電、eCall 外接按鍵的供電，這樣，當出現開(kāi)短路故障時(shí)可將信息發(fā)送給后臺并推送給用戶(hù)，提醒用戶(hù)及時(shí)到4S 店進(jìn)行處理。

4   應用

在T-box 的實(shí)際應用中，為實(shí)現汽車(chē)熄火后的遠程控制或遠程監控等功能，在待機模式下T-box 的部分模塊供電是不能關(guān)斷的，以備隨時(shí)喚醒；當汽車(chē)長(cháng)時(shí)間例如7 天未點(diǎn)火時(shí)，為了減少對車(chē)載電池的損耗，T-box需從待機模式進(jìn)入到深睡眠模式。本電源架構對應的電路可實(shí)現上述功能并滿(mǎn)足待機模式下mA 級別、深睡眠模式下μA 級別的靜態(tài)電流要求，同時(shí)可滿(mǎn)足車(chē)載電子產(chǎn)品測試標準的其他嚴格要求，例如電氣性能、EMC、可靠性等。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年7月期）