CC BY
5
УДК 621.31
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-6-293-298
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ НОМИНАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ БОРТОВОЙ СЕТИ НА ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМОБИЛЬНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
У.В. Брачунова, В.Н. Козловский, М.В. Шакурский, А.В. Крицкий
В статье представлены результаты исследования влияния изменения уровня номинального напряжения на элементы бортовой электроники автомобиля.
Ключевые слова: автомобиль, электротехнический комплекс, элементы электроники.
Современная автомобильная электронная система управления является комплексом собственно электронной аппаратуры и управляемых ею вспомогательных устройств. В качестве исполнительных устройств чаще всего используют электромагнитную и электромеханическую аппаратуру различного вида. Для электронной аппаратуры повышение напряжения оказывает влияние на выбор элементной базы и схемотехнических решений электронных систем [1]. Из всех комплектующих элементов автомобильной электронной аппаратуры только такие сравнительно простые элементы, как резисторы, конденсаторы, маломощные диоды и транзисторы выпускаются отечественной промышленностью в большом разнообразии на максимальное допустимое напряжение выше 30...50 В. Для силовых транзисторов, интегральных микросхем такой выбор весьма ограничен. В связи с этим целесообразно все комплектующие электронные элементы разбить на следующие пять условных групп:
1. резисторы, конденсаторы, маломощные полупроводниковые приборы;
2. аналоговые интегральные микросхемы;
3. цифровые интегральные микросхемы;
4. микропроцессоры и микропроцессорные комплекты;
5. мощные силовые управляющие электронные элементы (транзисторы, тиристоры).
Рассмотрим отдельно влияние повышения напряжения для каждой группы. Начнем рассмотрение с пятой группы, так как мощные силовые транзисторы применяют почти во всех электронных устройствах для управления исполнительным механизмами. Для бортсети в 12 В ток нагрузки силовых цепей составляет несколько ампер. С повышением напряжения в 3-4 раза во столько же раз уменьшается ток, проходящий через транзистор, что в большинстве случаев благоприятно сказывается на его работе. Но при этом необходимо выбирать транзисторы с повышенным (во столько же раз) допустимым напряжением на коллекторе по сравнению с транзисторами, рассчитанными на 12 В, или применять специальные меры для снижения перенапряжения в силовых цепях. В некоторых случаях эта задача трудноразрешима [2].
Мощность, рассеиваемую на транзисторе, можно уменьшить только для транзисторов, работающих в ключевом режиме за счет уменьшения тока, а также за счет уменьшения напряжения насыщения икэ нас. Для транзисторов, работающих в линейном режиме, рассеиваемая мощность практически не меняется [3].
Для первой группы, как уже сказано, существует большой выбор элементов на напряжение более 40 В. Для электронной аппаратуры, выполненной на элементах этой группы, несколько изменятся схемотехнические решения отдельных узлов, снизится общий ток потребления устройства. Но в настоящее время использование таких элементов в устройствах ограничено, их используют как вспомогательные элементы для согласования, развязки, настройки в устройствах, выполненных на аналоговых и цифровых интегральных микросхемах. Для устройств, где основными элементами являют-
ся аналоговые микросхемы, повышение напряжения позволяет выбирать микросхемы с требуемыми характеристиками почти из любой серии, выпускаемой промышленностью. Для большинства аналоговых микросхем напряжение питания равно 30 В (±15 В) и поэтому их затруднительно было использовать раньше на автомобилях с бортсетью 12 В. Если учесть, что для стабильных характеристик, как правило, необходимо использовать источники стабилизированного напряжения, то с учетом режима работы минимальное напряжение бортсети должно быть не ниже 33...35 В. Таким образом, при использовании напряжения бортсети в 48 В стабилизатор напряжения работает наиболее оптимальном режиме, обеспечивая стабильность питания аналоговых микросхем при значительном колебании напряжения бортсети и сравнительно большим КПД стабилизатора (~70%). В случае использования микросхем с напряжением питания 10.20. В рассеиваемая стабилизатором мощность будет незначительной только для микросхем с малым током потребления (общий ток стабилизатора 10.50 мА). В этом случае, несмотря на низкий КПД (25%), не требуется больших радиаторов для отвода тепла от стабилизатора.
Наиболее перспективным все же является использование в электронной аппаратуре автомобиля цифровых интегральных микросхем и микропроцессоров. Большинство элементов третьей группы (цифровые интегральные микросхемы) можно разбить еще на три подгруппы по уровню питающего напряжения:
1. Микросхемы ТТЛ серий: 155, 555, 531 и т.д. (и = 5 В)
2. Микросхемы КМОП серий: 176, 561, 564 и т.д. (и = 9-15 В);
3. Микросхемы с высокопороговой логикой (и = 20-27 В).
Наибольшее распространение в электронной промышленности получили серии ТТЛ и микросхемы на КМОП структурах.
Серии с высокопороговой логикой практически не применяют из-за очень узкой номенклатуры микросхем, входящих в серию.
КМОП серии имеют небольшой ток потребления, поэтому для их питания можно использовать простые маломощные стабилитроны. Недостатки КМОП (по сравнению с ТТЛ): меньшее в несколько раз быстродействие, малая нагрузочная способность по выходу, малая степень интеграции.
Для последней четвертой группы (микропроцессоры) существуют те же проблемы, что и для ТТЛ серий (напряжение питания ип=5 В и приблизительно такой же ток потребления). В настоящее время на автомобилях с бортсетью 12 В в электронных блоках с цифровыми микросхемами (в каждом из них) применяют параметрические стабилизаторы, понижающие напряжение с 12 В до 5 В, выполненные в одном корпусе. В бортсети на 24 В и выше применение этих и подобных стабилизаторов невозможно по паспортным характеристикам и из-за низкого КПД (20%), а также из-за большой выделяемой мощности (общий ток на один электронный блок 0,5.1 А). Разработка специальных параметрических стабилизаторов на напряжение 48 В вряд ли имеет смысл. Если учесть, что разрабатывать микросхемы и микропроцессоры на повышенное напряжение - дорогостоящее дело, то остаются следующие возможности повышения бортового напряжения при существующей элементной базе:
1. Применение микромощных микросхем и микропроцессоров ТТЛ и КМОП серий (Ш=5...15 В);
2. Последовательное соединение по питающему напряжению нескольких электронных блоков с приблизительно одинаковой мощностью;
3. Использование дополнительно с основной бортсетью в 48 В еще одного напряжения (5 или 12 В);
4. Применение в каждом электронном блоке импульсных стабилизаторов напряжения или конвертеров (трансформаторные преобразователи).
Нужно заметить, что использовать эти методы (вместо параметрических стабилизаторов) можно и в устройствах, выполненных на обычных элементах и аналоговых микросхемах. Наиболее предпочтителен первый способ, но реализация его вызывает
определенные затруднения, так как микромощные серии распространены пока не так широко. В настоящее время каждый электронный блок на перспективных автомобилях ВАЗа потребляет не менее 1 Вт (Цп=5 В). Микромощные микропроцессорные комплекты с необходимыми выходными параметрами нам неизвестны.
Второй способ кажется более простым, но при его использовании должны выполняться условия:
1. Полная потенциальная развязка между электронными блоками на разных уровнях питания относительно "земли" (использование оптронных пар);
2. Потребление тока в каждой цепи каждым электронным блоком должно быть в течение времени постоянным.
Следовательно, если какой-то блок необходимо "отключить", то он все равно должен остаться включенным в цепь питания (работающим на холостом ходу) или заменен какой-либо другой балластной нагрузкой. Возможно также последовательное соединение по питанию нескольких микросхем внутри каждого электронного блока, но это слишком усложнит конструкцию.
Третий способ единственный, который позволяет наиболее безболезненно перейти на повышеннное напряжение бортсети автомобиля (дополнительная бортсеть на 12 В), так как можно применить все маломощные приборы, использовавшиеся на предыдущих моделях, включая и неэлектронные приборы (щитки приборов, релейные схемы управления, переключатели).
Бортсеть низкого напряжения можно создать трех типов:
а) использовать автономную систему со своим аккумулятором и генератором (или отдельной обмоткой и выпрямителем в основном генераторе); недостатком ее является большая стоимость, масса и т.п.;
б) сделать отвод от части банок аккумуляторной батареи, однако при этом будет неравномерная загрузка банок аккумулятора;
в) использовать один мощный преобразователь напряжения с 48 В на 12 В или 5 В (по типу двухуровневых источников питания).
Такая бортсеть имеет много общего с четверым способом снижения питающего напряжения: использование импульсных стабилизаторов (накапливающая емкость и индуктивность). В этом случае преобразователь напряжения не один, а в каждом электронном блоке устанавливается свой менее мощный преобразователь на напряжение ип = 5 В. Это позволяет не усложнять электропроводку автомобиля. В сущности при этом способе происходит замена параметрического стабилизатора (КР142ЕН5) на импульсный стабилизатор внутри каждого электронного блока. Габариты и масса электронного оборудования увеличиваются незначительно. В некоторых случаях (для обеспечения потенциальной развязки, увеличения КПД, получение нескольких напряжений, в том числе выше напряжения питания и т.д.) можно применять и конверторы, где передача мощности происходит через трансформатор на высокой частоте (преобразование постоянного тока в переменный и потом наоборот - в постоянный). Основным недостатком таких конструкций (импульсных преобразователей и конверторов) является: возможность возникновения дополнительного звукового шума и помех радиоприему, однако при правильном расчете и изготовлении преобразователей от этих помех можно избавиться.
В заключении можно сделать выводы: наиболее перспективным решением при повышении напряжения бортсети является использование импульсных стабилизаторов. Это может осуществляться либо заменой импульсным стабилизатором в каждом электронном блоке параметрического стабилизатора или установка одного мощного преобразователя напряжения на 12 В (или 5 В) для вспомогательной бортсети автомобиля с пониженным напряжением. Наилучшим является случай, когда вся электроника автомобиля сконцентрирована компактно в одном месте (один мощный центральный процессор на весь автомобиль) с общим источником питания. Необходимо заметить одна-
ко, что повышение питающего напряжения микросхем никаких преимуществ не дает. Увеличение КПД импульсных стабилизаторов по сравнению с параметрическими не значительное.
В целом для всей электронной аппаратуры автомобиля повышение напряжения бортсети до 48 В имеет ряд преимуществ:
1) уменьшение тока и, соответственно, потерь в цепи питания электронных устройств;
2) увеличение мощности исполнительных устройств электронной аппаратуры.
Но для реализации этих преимуществ необходимо выполнить ряд условий:
1) использовать транзисторы с повышенным в 3-4 раза максимальным напряжением на коллекторе, по сравнению с транзисторами, рассчитанными на 12 В или применять специальные меры по защите от перенапряжения;
2) разработать малогабаритные импульсные стабилизаторы с малым уровнем шумов (звуковых и радиочастотных);
3) объединить электронные узлы в один блок и с одним источником питания (с целью повышения КПД источников питания).
Список литературы
1. Козловский В.Н., Заятров А.В. Проблема стратегического планирования улучшения качества и надежности системы электрооборудования автомобилей // Электроника и электрооборудование транспорта. 2012. № 1. С. 44-47.
2. Строганов В.И., Козловский В.Н. Итоги и перспективы развития электромобилей и автомобилей с гибридными силовыми установками // Электроника и электрооборудование транспорта. 2012. № 2-3. С. 2-8.
3. Kozlovski V.N., Petrovski A.V., Skripnuk D.F., Schepinin V.E., Telitsyna E. Intelligent diagnostic complex of electromagnetic compatibility for automobile ignition systems // Reliability, Infocom Technologies and Optimization (Trends and Future Directions). 6th International Conference ICRITO. 2017. P. 282-288.
Брачунова Ульяна Викторовна, аспирант, aliss72@yandex.ru, Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Козловский Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, Kozlovskiy-76@mail.ru, Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Шакурский Максим Викторович, канд. техн. наук, доцент, vigorsilentium@ mail.ru, Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Крицкий Алексей Викторович, аспирант, kritskiyav@yandex.ru, Россия, Самара, Самарский государственный технический университет
STUDY OF THE INFLUENCE OF CHANGING THE RATED VOLTAGE OF THE ON-BOARD NETWORK ON THE ELEMENTS OF AUTOMOBILE ELECTRONICS
U.V. Brachunova, V.N. Kozlovsky, M.V. Shakursky, A.V. Kritsky
The article presents the results of a study of the effect of changing the level of rated voltage on the elements of the vehicle's on-board electronics.
Key words: car, electrical complex, electronics elements.
296
Brachunova Uliana Viktorovna, postgraduate, aliss72@yandex.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, Kozlovskiy-76@mail.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Shakursky Maxim Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, vigorsilenti-um@,mail.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Kritsky Alexey Viktorovich, postgraduate, kritskiyav@yandex.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University
