一種具有eCall功能的T-box電源架構設計

0   引言

隨著汽車網聯化的發展，作為網聯終端設備的T-box 在汽車上的裝配率不斷提高，結合移動通信網絡，T-box 可提供如遠程控制、防盜、數據路由、緊急呼救（即常說的eCall）等功能；由于eCall 在出現交通事故后對人員的及時救援有非常重要的作用，所以俄羅斯、歐盟等地區的新車強制安裝具備eCall 功能的設備，目前我國的eCall 相關標準也在制訂中。

1   車載設備電源要求

由于車載電子設備對可靠性、壽命、電磁兼容、功耗等要求非常高，這些在設計車載設備的電源時必須要考慮，例如功耗，由于設備在汽車熄火后由電池供電，所以對設備的靜態電流要求很高，有的廠商要求單一設備的靜態電流在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；其次是車載設備的電源環境非常惡劣，例如汽車點火時的電池電壓跌落、車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，要有專門的電池管理電路，由于目前使用的網聯模塊處理器典型工作電壓是3.8 V，在備用電池供電時，在大多數情況下，處于滿電狀態的電池在給T-box 供電的放電過程中，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足車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電池的電壓，當汽車電池電壓出現異常，例如出現車載設備拋負載或汽車長期放置未點火導致電池無法充電等情況下，微控制器需要根據電壓檢測模塊反饋的過壓、欠壓信號關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電池的損耗。

2）第一級降壓模塊直接連接到車載電池（在電池狀況較好且未點火時約12.6 V）并進行降壓，例如降至5 V，一般情況下這個輸出電壓和第二、三級電源輸出為常電，用于設備在待機模式下的供電，只要車載電池不斷開，其輸出就一直存在，主要給微控制器和總線收發器電路供電。由于這級電源在整個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，對能否通過電源相關的很多測試有重要作用。

3）總線收發器用于微控制器和汽車CAN 總線之間的信號收發等，微控制器根據總線上的汽車點火、熄火消息等控制電源各模塊的工作狀態，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，既能滿足峰值電流的要求，也要避免過度設計帶來的成本浪費；

●   關聯模塊（例如與eCall 功能相關的模塊）多路電源的控制策略，以達到低功耗的要求，也使控制策略不過于復雜；

●   滿足一些模塊的上電時序/ 掉電時序要求；

●   滿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的測試指標超標。

5）T-box 內置的備用電池主要應用場景是汽車在發生碰撞等事故，導致汽車電池損壞或電池連接線斷開而無法給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間，以完成車輛呼救信息的上傳、與后臺的呼救通話等。eCall 可通過手動按鍵或碰撞時安全氣囊等信號自動激活，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，也要避免汽車點火時因車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：由于車載產品的工作環境惡劣且要求高可靠和長壽命，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、充電時間、在汽車熄火時是否充電等），以保證電池的安全、隨時可用和壽命。如前所述，備用電池在放電過程中電壓將跨越3.8 V，所以放電電路可考慮降壓+ 升壓的方案，同時設定合適的放電終止電壓，以避免電池過放而損壞；

●   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，以延長其工作時間；

●   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，需將信息發送給后臺再推送給

用戶，提醒用戶及時更換電池，以防萬一；

● 特殊場景的設計考慮，例如Tier1 廠家完成T-box

生產運輸至車廠安裝到車上之前的運輸模式，對電池周邊電路需有合適的設計，以盡可能減少這段時間對電池電量的影響。

6）對外部的供電需具有開路、短路等診斷功能，例如給GNSS 天線的供電、eCall 外接按鍵的供電，這樣，當出現開短路故障時可將信息發送給后臺并推送給用戶，提醒用戶及時到4S 店進行處理。

4   應用

在T-box 的實際應用中，為實現汽車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斷的，以備隨時喚醒；當汽車長時間例如7 天未點火時，為了減少對車載電池的損耗，T-box需從待機模式進入到深睡眠模式。本電源架構對應的電路可實現上述功能并滿足待機模式下mA 級別、深睡眠模式下μA 級別的靜態電流要求，同時可滿足車載電子產品測試標準的其他嚴格要求，例如電氣性能、EMC、可靠性等。

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年7月期）