监控 12V 汽车电池系统：负载突降、冷启动和错误复位管理

12V 铅酸电池是汽车电子系统（如汽车驾驶舱、仪表组、音响主机和信息娱乐系统）的主要部件。为了维持和支持现代车辆的电力需求，必须监控电池电压。虽然汽车电池在抛负载和冷车发动条件下可以承受超过其标称电压的宽电压瞬变，但可接受的工作电压范围会发生变化，每个汽车制造商都有自己的规范，超出了国际标准化组织的规定（ ISO) 26262 标准。在这篇技术文章中，我将介绍如何管理负载突降和冷启动条件，以及如何使用滞后来防止错误的系统重置。

在负载突降条件下管理瞬态

汽车 12V 电池的标称规定为在 9V 和 16V 之间运行。在称为负载突降和冷车发动的情况下，超出此范围的变化会增加。ISO 26262 标准是汽车电气和电子系统的功能安全标准，描述了这些电压的预期范围。

在图 1 所示的抛负载事件中，用字母 A 表示的交流发电机由于机械振动、端子松动或端子腐蚀而突然与电池断开连接。该事件可能导致电池电压瞬变高达 60 V，持续近 500 毫秒。

图 1：抛负载和瞬态特性

汽车制造商可以实施过压保护，将重要系统与抛负载事件断开；参见图 2。一旦瞬态电压稳定在正常工作范围内，设置跳变点将断开电源与电子子系统的连接，并在固定延迟后重新连接电源。LM5060-Q1 等高端保护控制器需要禁用和启用外部信号，这可能需要包括分立元件或微控制器的复杂设计。

TPS37A-Q1 和 TPS38A-Q1 等高压监控器的工作电压高达 65V，通过直接连接到电池并承受负载突降瞬态电压来简化设计。TPS37A-Q1 和 TPS38A-Q1 还通过外部电容器提供可编程复位延迟，从而延迟 LM5060-Q1 的开启，从而通过允许额外的复位帮助保护下游子系统免受过压事件的影响，从而为汽车制造商提供灵活性电源电压稳定的延迟时间。

图 2：过压保护电路

有效处理冷车发动情况

在冷车发动期间，起动器吸收更多电流并将电池电压拉低，有时低至 3 V 持续 15 毫秒。随着制造商采用启停等系统，冷启动条件在现代汽车中发生的频率更高. 启停功能需要在消耗最少电量的同时持续监控电池电压，以确保下游系统正确初始化并且设备保持有效状态。TPS37A-Q1 和 TPS38A-Q1 电压监控器非常适合冷车发动条件，因为它们的最低工作电压为 2.7V；此外，它们 2 µA 的最大静态电流有助于制造商最大限度地减少功率损耗。

使用滞后来防止系统中的错误复位

尽管标称工作范围为 9 V 至 16 V，但汽车制造商仍为汽车电池指定了自己的“超出工作电压范围”限制。大多数用于监控的电压监控器的工作范围都很窄（即 3 V 至 5 V）在这些限制内，因此需要使用多个设备或分立电路来实现能够正确检测欠压和过压限制的监控电路。

防止误复位需要在上限和下限上都有滞后；寻找具有工厂可编程电压阈值迟滞的器件，该器件可灵活地通过 VDD 引脚（或当电压轨高于或低于 VDD 时使用专用 SENSE 引脚）监控电压轨。缺乏集成电路迟滞管理将需要实施分立元件以确保系统稳健性，但这会增加系统尺寸和成本。

VDD 和 SENSE 引脚均提供迟滞以防止系统中的错误复位，在该系统中，受监控的电源轨可能会随着各种负载源的电压变化而波动。在电源电压响应车辆运行条件而出现尖峰或下降的情况下，迟滞在提供稳定系统方面起着至关重要的作用。例如，当司机打开空调时，电压可能会瞬间出现尖峰或下降，从而触发错误复位。

结论

电压监控可确保现代车辆中的关键系统安全运行。通过直接由电池供电并为保护电路提供必要的控制逻辑，高压监控器提供了许多好处，包括管理抛负载和冷车发动情况的有效方法，以及防止错误系统复位的可靠方法. 此外，它们独立的 VDD 和 SENSE 引脚有助于解决冗余问题，以创建高度可靠的系统。