基于OBD接口的低压保护电路

作者/ 杨沛 亮锐商贸(上海)有限公司(上海 200233)

摘要：本文介绍了一种带延迟功能的低压保护电路。这种电路可以提高低压保护阈值精度，减小温度对阈值的影响，降低电路的整体功耗，同时解决了某些车辆电瓶引起的误关机现象，并通过理论分析和仿真结果，给出了延迟电路设计难点的解决方法，为今后基于OBD接口的车载用品的低压保护方案提供了参考和方向。

引言

随着近年来车载用品种类的增多和功能的扩展，OBD(On Board Diagnostics，车载自动诊断系统)接口供电的车载用品的市场占有率越来越高。OBD是为汽车的故障诊断和检修提供了诸多方便^[1]，汽车配备OBD系统已经是未来汽车产业发展的一种趋势^[2]。OBD接口平时很少使用，因此，其电源管脚可以用来为车载产品供电。由于OBD接口直接连接汽车电瓶，此类产品的低压保护设计尤为重要。

目前比较简单的低压保护电路设计是通过分压电路来实现的，其原理是输入电压经过电阻分压后，其抽头电压输出给电源芯片，当低于电源芯片的低压保护值，电源芯片就自动关闭。这种OBD接口供电的车载产品的低压保护存在以下缺点:

1)设计阈值不精确。汽车电瓶的电压值受负载的影响波动很大，由此电阻分压中的输出电压也相应地产生波动，如果其值在电源芯片使能值附近，又因为使能管脚的迟滞很小，很可能造成误关机和乒乓效应。

2)温度特性差。有些设计会采用稳压二极管稳压，然而稳压二极管自身的一致性不高，且受温度范围影响较大，因此，在高低温环境中，低压保护的阈值变化很大。

以上的设计缺点都会过多消耗汽车电瓶的电量，最严重的后果是导致汽车的电瓶电量被耗尽，汽车无法启动。

1 迟滞比较器方案的原理及其实现

针对以上出现的问题，有两种解决方案，第一种是采用单片机实现，第二种是采用迟滞比较器来实现。两种方案共同的优势在于:

1)消除乒乓效应。迟滞比较器可以拉大迟滞电压，同时输出值只有高和低两个状态，解决了乒乓效应，并且克服了电源芯片使能电压存在误差的缺点。单片机的开机和关机阈值可以灵活编程设置，其效果和迟滞比较器相同。

2)保护阈值精确稳定，可以减小环境温度的影响。

这两种方案可以根据实际的应用来选择，具体到本文的应用，功耗是一个重要的指标，尤其是低压保护之后，只有保护电路耗电。如果采用单片机实现，由于单片机需要实时采集电压数据，其功耗要大于迟滞比较器的运放功耗，并且进入低压保护后，还要实时监控电压数据，以防用户发动车辆导致电压回升，保证车载产品快速启动工作。基于这些需求，采用迟滞比较器的低压保护电路设计是一种合适的方案。

迟滞比较器有两个门限值，且门限值随输出电压的变化而变化^[3]。当输入信号满足第一个门限值时，比较器的输出状态发生转变。此时比较器只有满足第二个门限值，比较器的输出状态才能发生转变。这种带有“滞回”的传输特性有效地克服了单限比较器在门限值附件存在微小干扰而出现的输出抖动的缺点。在常规监测控制电路中具有很强的抗干扰能力^[4]。只要选好迟滞比较器的电阻参数，就可以设计出满足需求的迟滞范围。具体的设计细节可以参考TI的比较器设计^[5]来实现。

图1是低压保护设计的具体方案。汽车OBD电瓶输出的12V供电电压，一路作为DC/DC的输入，另一路经过高精度电阻分压后，作为迟滞比较器模块的输入，迟滞比较器将其和设定的阈值相比较，如果12V电源输入高于启动门限，则输出相应信号使能DC/DC，反之，则不使能DC/DC。当DC/DC使能启动后，根据迟滞比较器的原理，其门限发生变化。如果在运行过程中，12V的输入电压低于此门限时，则输出相应电平，关闭DC/DC，反之，输出电平保持不变，DC/DC处于工作状态。

由于迟滞范围可以灵活调整，迟滞比较器的输出只有高低两个状态，因此，彻底解决了乒乓开关机问题。同时，迟滞比较器的温度特性更稳定，功耗很低，保护的阈值更加稳定。在进入低压保护后，整体的功耗对电瓶的影响非常小。

2 电瓶引起的误关机问题解决方案

目前，市场上的电瓶品牌很多，质量参差不齐。有些车辆在行车或者ACC档时，突然开启大负载，比如前大灯或者空调，电瓶电压会突然拉低。如果电瓶电压拉低到低压保护阈值以下，会出现关机。等到电压上升到启动阈值时，会再次上电开机。

解决这个问题需要在低压保护设计基础上，增加一个延时电路。当电瓶电压达到低压保护阈值时，关闭DC/DC的使能信号，延时一段时间，若此时间内，电瓶恢复到开启电压以上，则继续使能DC/DC，反之，则关闭DC/DC。

具体的实现方案可以采用单片机，也可采用单稳态电路。考虑到功耗问题，单稳态电路方案更为适合，此方案还需要加入逻辑门来进行延时时间内的电平逻辑判断。

单稳态电路具有稳态和暂态两种工作状态。在触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂态，并能在一段时间后自动返回稳态，且暂态维持的时间长短与触发脉冲无关，只取决于电路本身^[6]。采用外接RC的充放电来实现单稳态触发器，具有电路简单，外接器件少的优点^[7]。具体的框图如图2。

电瓶电压正常时，单稳态电路处于稳态;当电瓶电压拉低到低压保护门限时，比较器输出由低电平切换到高电平，单稳态电路进入暂态，此时会输出一个高脉冲，这个高脉冲与比较器的输出反向状态取或非后，输出给DC/DC，通过设置RC参数，可以设计出需要的暂态时间，即高脉冲的持续时间。进入暂态后，如果比较器输出恢复到低电平，则或非门A的输出为高，或非门B的输出必为低，从而打开DC/DC。这个延时设计解决大负载引起的低压保护问题。

这种设计的难点在于要考虑逻辑门自身的传输延时，如果处理不好，会出现竞争冒险问题，造成最终输出的误翻转。假设TB~B是或非门B的传输延时，TBQ是单稳态电路传输延时，TQw是暂态的时间，TBW是误关机的时间长度，利用Matlab仿真分析这三者的关系：

1)TB~B<tbq时，输出会有短暂的高电平，导致dc p="" dc关闭，如图3所示;

2)当TB~B>TBQ，TBW >TQW时，输出会有短暂的高电平，导致DC/DC关闭，如图4所示;

3)当TB~B>TBQ，TBW <tqw时，尽管电压拉低，但是输出一直为低，dc p="" dc一直工作，克服了打火后且电瓶拉低之后，电压缓慢上升造成的重启问题，如图5所示。

这种条件下，如果电瓶电压拉低到低压保护点后依然不上升，即电瓶电量确实被消耗到低压保护时，延迟一段时间后，将DC/DC关闭。即低压保护时，关闭DC/DC需要一个延时，其大小为TQW+TBQ，如图6所示。

从以上分析可以看出，只要将单稳态电路的输出高脉冲的宽度大于比较器的脉冲宽度(暂态时间大于误关机时间)，并且单稳态电路的输入输出延迟时间小于或非门的延迟，就能够完成延迟功能要求，脉冲宽度可通过调整RC来实现。延迟时间可以通过电容来调整。这样就可以解决误关机问题。

3 结论

本文介绍了带延迟功能的低压保护电路，对其原理和实现进行了详细的阐述，并且对设计难点进行了理论分析和仿真。本方案可以满足大多数OBD车载用品的低压保护需求，为今后OBD供电的车载用品的低压保护设计方案提供了一个参考和方向。

参考文献：

[1]曹云建,唐耀庚,谢宇希.基于OBD的汽车远程检测系统设计[J].工业控制计算机,2012,25(12):95-96.

[2]何龙文,徐建闽,徐鑫龙.基于OBD接口的危险驾驶报警与记录系统设计[J].信息技术,2013(5):16-23.

[3]康华光.电子技术基础:模拟部分[M].北京:高等教育出版社,2000.

[4]高锦秀,翟俊祥,周晓华,等.迟滞比较器在蓄电池备用电源中的应用[J].半导体技术,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.数字电路与数字电子技术[M].西安:西北工业大学出版社,2004.

[7]王金花,姚宏宝.用可编程逻辑器件实现单稳态触发器[J].红外与激光工程,2002,31(2):185-186.

本文来源于《电子产品世界》2017年第1期第63页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。