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开关接口电路的设计通常从数字接口电路入手，首先从低电平有效的电路开始。这种方法有助于引入一种系统化的分析和设计电路的手段。相比之下，高电平有效的电路相对简单，因为它不存在地偏移问题，因此只需简要介绍即可。整个设计过程如下图所示：

第1步是确认开关模型和线束模型。

第2步是确认模块环境和建立设计约束,这部分工作在7.3.1小节进行,这里重点是将所有的元件参数和环境参数都整理出来形成一个完整的参数的定义。

第3步是通过设计约束构建基本电路拓扑,将约束转化成与之相对应的电路的参数,并根据这些参数来实现电路的正向设计。

第4步就是对电路的验证,这可以分为电路内部参数检验和对电路能够承受外部模型的极限值进行验证。这里可以分为两种不同的验证方法:

这一步骤主要是对电路内部的各项参数进行验证，确保电路在正常工作条件下能够满足设计要求。具体包括：

电压、电流、功率等基本参数的测量：确保电路在正常工作范围内的电压、电流和功率符合设计预期。

信号完整性检查：验证信号在电路中的传输是否正常，是否存在信号衰减、反射等问题。

时序分析：对于数字电路或混合信号电路，需要验证时序是否符合设计要求，确保信号在正确的时间到达。

噪声和干扰分析：检查电路中是否存在噪声或干扰，确保电路的稳定性和可靠性。

电路承受外部模型极限值的验证：

这一步骤主要是验证电路在极端条件下的表现，确保电路能够承受外部环境或模型的极限值。具体包括：

极限温度测试：验证电路在高温或低温环境下的工作性能，确保电路在极端温度下仍能正常工作。

电压极限测试：验证电路在最高或最低工作电压下的表现，确保电路不会因电压波动而失效。

电流极限测试：验证电路在最大工作电流下的表现，确保电路不会因过流而损坏。

EMC/EMI测试：验证电路在电磁兼容性（EMC）和电磁干扰（EMI）方面的表现，确保电路在电磁干扰环境下仍能正常工作。

机械应力测试：对于某些应用场景，电路可能需要承受机械应力（如振动、冲击等），验证电路在这些条件下的可靠性。

通过这两种验证方法，可以全面评估电路的性能，确保其在实际应用中能够稳定可靠地工作。

实际中,由于开关应用的不同情况,可能几个开关串联或者并联提供给模块,也有可能个开关为很多个模块提供信号,最后根据实际应用不同来进行微调。

二：设计约束开始设计步骤如下所示：

(1)设计约束1:湿电流

    介绍了湿电流的定义和参数要求,第1个要求是需要设计的电路提供这个电流,因此设计电路时必须要有上拉电阻，

(2)设计约束2:对电源和对地短路保护

    在ISO16750中有明确的测试内容,对信号电路实施短路到电源和短路到地的测试,持续时间为60s。因此有了这样一个条款,设计就不能采用5V低压的供电。如果采用5V的电源系统,短路到电源时,12V系统对5V电源系统就形成了一个倒的形式。如果短路到地，5V系统能够负荷的电流本来就极为有限,电流如果增大,势必对低压线性稳压器产生很大的负荷。其他的如信号传导干扰也会耦合至5V系统,引起逻辑电路的混乱。以上的设计约束同时也限制了上拉电阻的散热性能不能太差,在短路时要有足够的散热功率。

(3)设计约束3:单片机电平约束

    单片机对输人电压高低状态是有一定限制的。一般有如下的参数:

①低电平电压阈值,单片机能够识别出低电平时输入I/O端口的最大电压。通常的值为0.7XVo,Vp是单片机的逻辑供电电压。

②高电平电压阈值,单片机能够识别出高电平时输入I/O端口的最小电压。通常的值为0.3XVo,Vo是单片机的逻辑供电电压。

对于高电平电压阈值和低电平电压阈值之间的电压,单片机会随机读取成高电平或者低电平,因此设计时需要避免这段区域。因此,电路就需要把12V系统的电压转化成5V系统的电压,一般采用电阻分压电路实现这个设计,为了同时满足以上两个值,需要正确地选择分压电阻的阻值比例。

(4)设计约束4:钳位和注入电流

    由于12V系统的电压范围较宽,一般的电压范围9~16V都要正常工作。这就使得电压比变得非常困难,在整个电压范围内同时满足低电平电压阈值和高电平电压阈值的要求,势必需要在高电压时对电压进行钳位。一般可以使用二极管实现,所幸的是,满足汽车电子应用的单片机几乎都有内部的钳位二极管,使得设计变得简单起来。当然单片机对内部钳位二极管注人电流是有要求的,因为电流会在二极管上发热。因此对分压电阻的阻值就有了一定的要求。

(5)设计约束5:静电和传导干扰

    由于模块需要能够承受引脚的静电实验和传导耦合实验,因此电路中需要使用静电电容和滤波电容,防止有暂态脉冲和静电时电路损坏或者单片机识别出错误的信号。增加电容后可对开关的抖动起到一定的滤波作用。但是电容如果取太大,会使得开关达到稳定状态的时间变长。根据以上的设计约束,可以得到基本的低电平有效电路结构,如图7.11所示其中上拉电阻R，需要满足设计约束1和2的要求,分压电阻Rvp和Rvme需要满足设计约束3和4的要求,电容C和C需要满足设计约束5的要求,在设计的过程需要对比约束然后进行选值。在进行设计之前,首先需要列出电路参数表,如表7.3所列,方便后面的整理和计算。

完成以上的工作,就需要把所有的模型组合起来分析,得出整个电路的模型图。需要注意的是以下几个参数。

①地偏移Vcrr:此参数表征着外部开关的地线和电子模块地线之间的压差。根据ISO16750中电压部分的规定,数值最小值为一1V,最大值为1V。

②反接保护电路压降Ve.wp:由于电子模块需要考虑反接保护,可选的方案前面已经介绍,二极管、PM()S管、NMOS管,电磁继电器都会对电压产生压降,不同的反接保护形式产生的压降不一样。

③ 电源控制开关压降Vswpp:由于模块的静态工作电流的要求,使得模块必须在睡眠模式时保持尽可能小的漏电流,因此必须要设计开关控制输人电路的电源供给,一般可采用PNP三极管或者PMOS管,在通过电流的同时都存在着电压降。

④单片机输人漏电流Icuix:单片机内部由于有钳位二极管和一堆PMOS、NMOS管的输入结构,因此在电路工作时,单片机会流入或者流出一部分电流,这部分电流也被称为单片机的输入漏电流。

以上的几个参数都是需要仔细选择的,前两个与电路的其他部分相关,下面使用最常用的二极管和PNP管的压降进行计算,漏电流也选用较为通用的取值。