- 汽車(chē)內部產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓
- 電源故障情況下的保護
- 分立保護電路的優(yōu)缺點(diǎn)
- 可變電阻器
- 分立式保護電路
汽車(chē)內部、外部各種各樣的電子及電磁干擾常常使汽車(chē)電子設備處于危險的工作狀況，降低電子設備的性能，并可能引發(fā)故障甚至損壞。最嚴重的干擾—大幅值的正向、反向過(guò)壓和瞬變—多數由汽車(chē)電子系統內部產(chǎn)生，或者是不恰當的(錯誤的)操作所致。
汽車(chē)內部產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓
在汽車(chē)電子網(wǎng)絡(luò )中，電子控制單元(ECU)通過(guò)線(xiàn)束互聯(lián)，大多數ECU直接或通過(guò)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)由汽車(chē)電池供電。即使在常規操作中也會(huì )存在電氣干擾和高頻影響，通過(guò)配線(xiàn)系統傳導，最終耦合或以輻射方式干擾到車(chē)載電子設備。干擾源包括啟動(dòng)系統、交流電機、負載切換、開(kāi)關(guān)抖動(dòng)以及“拋負載”(即直流電機運行過(guò)程中切斷電源，由此產(chǎn)生的電壓)。
這些浪涌中最具破壞性的是“拋負載”(圖1)，這種情況發(fā)生在引擎正在運轉的過(guò)程中，在交流電機正在給電池充電時(shí)斷開(kāi)電池連接。產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓幅度取決于斷開(kāi)連接時(shí)交流電機的轉速和場(chǎng)激勵的大小。這一浪涌過(guò)程可能持續幾百毫秒，產(chǎn)生100V以上的電壓，對半導體電路具有潛在的致命影響。
圖1.典型的拋負載浪涌波形：a)沒(méi)有抑制；b)提供抑制
啟動(dòng)、冷啟動(dòng)、電池反接
另外一個(gè)風(fēng)險是啟動(dòng)過(guò)程中存在的“雙電池”電壓，此時(shí)電纜跳接到另一組24V網(wǎng)絡(luò )系統的汽車(chē)電池，最終用24V電池開(kāi)啟12V系統。下面再來(lái)考慮另一情況，當啟動(dòng)引擎時(shí)，特別是在寒冷天氣，電池沒(méi)有充滿(mǎn)的情況下，機油變得非常粘稠，引擎需要提供更大的扭矩，因此，需要電池提供更大的電流，較大的電流負載會(huì )導致電源電壓跌落，從標稱(chēng)12V跌落到5V以下。這種跌落會(huì )持續數十毫秒，引起電子系統短時(shí)間掛起(圖2)。一旦引擎啟動(dòng)，電壓將返回至標稱(chēng)值。
圖2.汽車(chē)冷啟動(dòng)時(shí)的典型電壓波形
另外一個(gè)值得注意的因素是，當電池連接錯誤時(shí)，汽車(chē)電子必須能夠承受電池反接的電壓(例如-14V)。
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電源故障情況下的保護
上述異常條件促使設計人員選擇適當的保護措施，以避免電源故障造成的影響。分析顯示拋負載脈沖是能量最強的一類(lèi)干擾。為避免電子電路受此類(lèi)脈沖的破壞，目前有兩種保護措施：
在所有汽車(chē)交流電機內部采用中心電壓鉗位(中心拋負載抑制，圖1b)。為每個(gè)ECU提供保護電路。系統仍然需要第二級抑制電路，在電路板上濾除低能量脈沖，例如，正、負瞬態(tài)電壓以及電池瞬間反接導致的尖峰脈沖。這些脈沖通常通過(guò)小尺寸的大容值電容、反向保護二級管或者是與瞬態(tài)抑制二極管(TVS)或可變電阻串聯(lián)的電感進(jìn)行濾除。
中心拋負載抑制通常通過(guò)交流發(fā)電機的內部鉗位電路(二極管)實(shí)現，用于吸收拋負載能量，承受啟動(dòng)時(shí)的電池電壓。盡管采取了鉗位措施，如果將鉗位電壓設置在最大啟動(dòng)電壓以上，將無(wú)法達到鉗位的目的，汽車(chē)電壓仍會(huì )高達36V。
那些不具備中心拋負載抑制功能的汽車(chē)電子系統必須采用本地保護措施，以抑制拋負載干擾信號。通常在遠離連接器端，在ECU內部增加保護電路，整個(gè)汽車(chē)內部需要眾多的這類(lèi)保護措施，過(guò)多的元件會(huì )導致漏電流和整體成本的增加。板上拋負載保護電路通常采用TVS二極管(類(lèi)似于齊納二極管)、可變電阻、以及抑制濾波器等，這些元件應連接到電源端。
下文給出了各種傳統的板上保護電路。
標準過(guò)壓抑制器件
在板級水平有幾類(lèi)器件可用于過(guò)壓鉗位。
TVS二極管
雪崩二極管(與齊納二極管類(lèi)似，圖3)是能夠抑制所有超出其擊穿電壓的鉗位器件。它們能夠吸收較高的能量，保護電子電路免遭尖峰電壓和拋負載的破壞。這些二極管具有快速開(kāi)啟、緩慢關(guān)斷特性。與其它過(guò)壓保護器件(如：可變電阻)相比，雪崩二極管對過(guò)壓事件的響應速度更快。其性能指標不會(huì )隨著(zhù)使用壽命的延長(cháng)以及瞬態(tài)電壓作用次數的增多而降低。在其擊穿電壓附近，雪崩抑制二極管具有較大的漏電流。這類(lèi)二極管通常表示為T(mén)ransil®、TransZorb®或簡(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)VS二極管。
圖3.瞬態(tài)電壓抑制器特性(VBR=擊穿電壓，VC=峰值脈沖電流IP對應的鉗位電壓)。
可變電阻器
可變電阻是與電壓相關(guān)的電阻(VDR)。相應的，該非線(xiàn)性電阻在高于某個(gè)特定電壓后阻值會(huì )迅速降低(圖4)。在鉗位正向和負向電壓時(shí)，其功能類(lèi)似于背靠背的齊納二極管。能夠以很小的封裝尺寸和較低的成本承受相對較高的電流和能量，但當電壓接近鉗位電壓時(shí)，漏電流較大。鉗位電壓也會(huì )隨電流的增加而明顯提高?？勺冸娮杵髟谥貜褪艿嚼擞繘_擊時(shí)性能會(huì )受到一定影響，通常也具有更高的“鉗位電壓”，與TVS二極管相比，這些因素會(huì )明顯降低其響應速度。
圖4.典型的可變電阻器特性(VC=峰值脈沖電流IP對應的鉗位電壓)
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分立式保護電路
一種簡(jiǎn)單且性?xún)r(jià)比較高的保護電路是將負載與鉗位電路(如TVS二級管)并聯(lián)，在電容之前加一個(gè)保險絲(圖5)。該電路可使ECU在出現高于TVS二極管(D1)擊穿電壓的瞬態(tài)過(guò)壓以及拋負載條件下為系統提供保護。當出現負的瞬態(tài)電壓或穩定的反向電壓時(shí)，TVS正向導通，從而將負向電壓鉗位在其導通電壓(例如-1V)，為后續電路提供保護。對于能量較低的負瞬態(tài)電壓，例如：繼電器或螺線(xiàn)管開(kāi)關(guān)引入的過(guò)壓，可以通過(guò)電容(ClowE)濾除。如果持續保持正向或反向過(guò)壓狀況，保險絲將熔斷。
圖5.利用濾波電容、瞬態(tài)抑制二極管和保險絲構成的簡(jiǎn)單過(guò)壓保護電路
為了避免在難以接近的ECU部位更換保險絲，或保證ECU的連續運轉，必須采取其它技術(shù)，如額外的串聯(lián)保護。圖6電路可使ECU免遭電池反接以及瞬態(tài)負壓(D2)、高于TVS二極管(D1)擊穿電壓的正向過(guò)壓脈沖(拋負載和低能量瞬態(tài)電壓)的沖擊。所選二極管D2的反向峰值電壓必須大于可能出現的負脈沖最大值。
圖6.用二極管取代圖5中的保險絲，該電路不但提供過(guò)壓保護并且提供負向瞬態(tài)電壓保護和電池反接保護。
考慮到其小尺寸、低成本和較高的功率耗散能力，可變電阻常用于對電路板面積要求苛刻，并且后續電路對正向、反向過(guò)壓有一定容限的系統。圖7所示電路能夠對后續電路提供有效的過(guò)壓脈沖保護(正向和負向瞬態(tài)電壓，電壓高于可變電阻器的擊穿電壓)。電容有助于濾除低能量的正、負瞬態(tài)電壓。
圖7.當電路板面積受限同時(shí)又需要為后續電路提供過(guò)壓保護時(shí)，可以利用可變電阻器(示例中的VDR)取代TVS二極管，只要過(guò)壓脈沖(正或負瞬態(tài)脈沖)高于可變電阻器的擊穿電壓，發(fā)生正向或負向過(guò)壓時(shí)，后續電路必須有一定的容量。
分立保護電路的優(yōu)缺點(diǎn)
上述所有電路各有其優(yōu)缺點(diǎn)，圖5所示電路是一個(gè)簡(jiǎn)單的瞬態(tài)保護電路，只包含一個(gè)TVS管、一個(gè)濾波電容和一個(gè)保險絲，但缺點(diǎn)是必須選擇擊穿電壓大于可能出現的最大穩態(tài)電壓的TVS二極管，啟動(dòng)時(shí)該電壓通常是電池電壓的2倍(經(jīng)常>26V，持續時(shí)間超過(guò)1分鐘)。否則，如果沒(méi)有正確選用TVS，使得TVS管在較低電壓下導通，隨后會(huì )因為連續的功率耗散而燒壞。
由于VI特性已經(jīng)限定了擊穿電壓以上的電流變化斜率，TVS二極管還存在一定的內阻，該電阻會(huì )使鉗位電壓因較高電流而升高。如，28V的TVS管(例如SMBJ28)在發(fā)生拋負載時(shí)會(huì )使后續電路的電壓達到45V，這種情況下，所用后續電路必須能夠承受45V的電壓(圖3)。顯然，這將使后續ECU電路元件的選擇復雜化，而這些電路通常只能工作在汽車(chē)標稱(chēng)工作電壓的上限(大約17V)。高壓半導體器件或其它元件價(jià)格昂貴，會(huì )增加ECU的成本并占用寶貴的電路板空間。
為了盡可能降低最大過(guò)壓值，需要選擇擊穿電壓接近于穩態(tài)最高電壓(例如，啟動(dòng)電壓)的TVS管。由此可能引發(fā)在接近擊穿電壓時(shí)(甚至在12V汽車(chē)標稱(chēng)電壓下)產(chǎn)生較大的漏電流。汽車(chē)引擎停止工作時(shí)，這一漏電流使得ECU設計人員很難達到OEM(設備生產(chǎn)商)對低靜態(tài)電流的要求。
正常工作條件下，圖6中的二極管(D1)所示約有>0.7V的壓降，這會(huì )產(chǎn)生兩方面的問(wèn)題：
壓降會(huì )產(chǎn)生一定的功耗。
ECU很難工作在低壓狀態(tài)。
對于大電流應用，如汽車(chē)防抱死系統，所消耗的電流可以輕易超過(guò)10A。例如，對于系統中1V壓降的二極管將造成10W的功耗，在有限尺寸的電路板上，耗散如此大的功率幾乎是不可能的。采用單個(gè)或雙肖特基二極管在某些應用中可以減緩這個(gè)問(wèn)題。假定壓降為0.5V，在10A負載電流時(shí)，雙肖特基二極管的功耗為5W。這依然是一個(gè)難以接受的功耗，設計人員不得不使用大尺寸的散熱器。
如上所述，二極管壓降本身會(huì )產(chǎn)生一定的負面影響。例如，在一個(gè)14.4V的音頻系統中，最大輸出功率取決于所能獲得的最大揚聲器驅動(dòng)電壓。而為了避免電池反接，系統中會(huì )在電源上增加一個(gè)二極管，由此可能產(chǎn)生1V的壓降，使輸出功率損失約8.4dBW(對于2Ω的橋接揚聲器)。
汽車(chē)在寒冷環(huán)境下啟動(dòng)時(shí)，ECU必須能夠工作在低壓狀態(tài)(圖2)，任何不必要的電壓跌落都會(huì )影響系統工作。冷啟動(dòng)時(shí)，汽車(chē)制造商規定的輸入電壓為5.5V甚至更低。用來(lái)防止電池反接的二極管壓降會(huì )占用很大的裕量。例如，汽車(chē)電池電壓在ECU輸入連接器處降到5.5V，減去電池反接保護二極管的0.7V壓降，真正供給電路的電壓只有4.8V。
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假如5V微控制器通過(guò)一個(gè)壓差為500mV的線(xiàn)性穩壓器供電，這時(shí)微控制器能夠獲得的供電電壓僅為4.3V，無(wú)法支持其正常工作，有可能使其進(jìn)入復位狀態(tài)，丟失存儲器數據或導致整個(gè)ECU死機。GPS導航系統是一個(gè)比較典型的例子：汽車(chē)啟動(dòng)之前輸入目的地址，系統必須保證在以后的冷啟動(dòng)過(guò)程中不會(huì )丟失數據。
對于圖7所示包含可變電阻的應用，通常對電路板面積要求非常嚴格。與TVS管一樣，根據具體應用的最高穩態(tài)直流電壓確定可變電阻的鉗位電壓。然而，當電壓高于擊穿電壓時(shí)，可變電阻的VI特性曲線(xiàn)相對于TVS二極管要緩慢得多(圖4)。因此，可變電阻相對TVS管會(huì )使后續電路承受更高的電壓，從而提高了后續電路的器件成本、封裝尺寸以及電路板空間。
通過(guò)將鉗位電壓設置在相對較低的電平，保持盡可能低的過(guò)壓保護點(diǎn)，又會(huì )增大正常工作時(shí)的靜態(tài)電流。標稱(chēng)電壓下的靜態(tài)電流通常高于TVS管，實(shí)際效果與具體元件選擇有關(guān)。
有源瞬態(tài)保護方案
考慮到以上分立保護電路的諸多缺點(diǎn)，有源保護電路提供了一個(gè)更好的選擇。對于要求低靜態(tài)電流、低工作電壓并具有電池反接保護和過(guò)壓保護的方案，可以選擇MAX16013/MAX16014¹過(guò)壓保護/檢測電路。
此類(lèi)器件的工作原理十分簡(jiǎn)單(圖8)。IC直接監測輸入電壓，并通過(guò)控制兩個(gè)外部pFET功率開(kāi)關(guān)在故障條件下斷開(kāi)負載的連接。外部MOSFET在5.5V和所設置的上限電源電壓之間導通，上限電壓可通過(guò)連接在SET引腳的分壓電阻調節，范圍通常在20V至28V之間。
圖8.MAX16013和MAX16014可提供有源瞬態(tài)保護功能，直接監測電源電壓，當檢測到故障時(shí)，通過(guò)控制兩個(gè)外部p溝道FET開(kāi)關(guān)，斷開(kāi)負載與故障電源。
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發(fā)生故障時(shí)，FETP2有兩種不同模式。第一種模式下，P2僅僅相當于一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)，在過(guò)壓條件下斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，從而避免高壓對下游器件的破壞。第二種模式下，P2相當于可調節的瞬態(tài)抑制器，將輸出電壓鉗制在所允許的最大過(guò)壓點(diǎn)。
當輸出電壓上升到可調節的過(guò)壓門(mén)限以上時(shí)，內部比較器將GATE2上拉至VCC。監測電壓降低到過(guò)壓門(mén)限以下時(shí)，p溝道MOSFET(P2)重新導通。這種處理方式能夠使電壓穩定在輸出穩壓值的5%以?xún)?。出現瞬態(tài)過(guò)壓時(shí)能夠保證輸出穩定，MOSFET(P2)在過(guò)壓條件下保持導通，工作在開(kāi)關(guān)-線(xiàn)性穩壓模式，從而在提供過(guò)壓保護的同時(shí)維持系統繼續工作。
將SET引腳的分壓電阻連接到輸入或輸出，可以選擇相應的工作模式。例如，把分壓電阻接VCC(而不是負載)，MAX16013被配置成過(guò)壓關(guān)斷器件。MAX16014將保持MOSFET(P2)閉鎖，直到輸入電源重新上電或重新觸發(fā)EN使能。如果MAX16013長(cháng)時(shí)間工作在限壓模式，外部MOSFET的壓降會(huì )增大功耗。
圖8中的電池反接保護FET(P1，可選)取代了圖6中的串聯(lián)二極管。圖8中，正偏時(shí)P1導通，可以保持極低的正向壓降，出現負壓時(shí)關(guān)斷。關(guān)閉P2可斷開(kāi)輸入與輸出的連接(圖8和圖9)，EN引腳提供相應的關(guān)斷控制(需要注意的是EN引腳的控制信號由主系統的其它監控電路產(chǎn)生)。因此，當電路處于電池反接保護狀態(tài)時(shí)(P1)，下游電路的靜態(tài)電流可降至最小(典型<20µA)。
有源高壓瞬態(tài)保護器相對于傳統保護方案的優(yōu)勢有源過(guò)壓保護器具備以下幾個(gè)優(yōu)勢。
如上所述，分立瞬態(tài)抑制器(TVS管或可變電阻)的擊穿電壓需要高于汽車(chē)的最高穩態(tài)工作電壓(通常26V左右)。發(fā)生拋負載時(shí)，由于TVS管的內阻以及電流隨電壓劇增的VI特性曲線(xiàn)，下游電路會(huì )在瞬間承受極高電壓(大約45V)，從而提高了對下游器件額定電壓的要求。與傳統方案不同，有源瞬態(tài)保護器可將輸出電壓鉗位到分壓電阻設置的電平(例如26V)，也不存在電流隨電壓劇增問(wèn)題。這些特性允許用戶(hù)使用低成本(低電壓)的下游元器件。
該方案不同于普通的浪涌抑制器，傳統方案在發(fā)生過(guò)熱之前較短的時(shí)間內只能處理幾個(gè)焦耳的能量，而基于MAX16013/MAX16014的方案能夠在發(fā)生直流過(guò)壓時(shí)保護器件。有些應用要求工作在標稱(chēng)電壓的上限，一旦超過(guò)上限電壓則斷開(kāi)與電源的連接(以音頻系統為例，其工作電壓上限通常為17V)。這種情況下使用有源保護器件，合理設置電壓限制器/開(kāi)關(guān)的門(mén)限可以進(jìn)一步降低下游元器件的成本。
用FET取代電池反接二極管，可以將正向導通電壓降低到毫伏級水平。特別是在大電流應用中，這一舉措可以有效降低功耗，進(jìn)而降低散熱的設計難度和成本。原來(lái)二極管消耗的功率(電壓)可以供給負載(如，揚聲器)，而非消耗在二極管上，從而提高輸出功率(系統性能)。有些應用要求工作在較低的電池電壓(如，汽車(chē)冷啟動(dòng)時(shí))，同時(shí)還要求提供電池反接保護。采用有源保護器件可以使壓差降至最小，確保電路工作在較低的輸入電壓下。
可變電阻器往往表現出相對較高的靜態(tài)電流和漏電流，受脈沖電壓沖擊時(shí)會(huì )顯著(zhù)影響其使用壽命和精度。用有源保護器件取代可變電阻可以解決這一問(wèn)題。由于某些應用中可變電阻直接連接到電池上，漏電流較大。這時(shí)，可以利用有源保護器件作為主開(kāi)關(guān)，在休眠模式下斷開(kāi)(通過(guò)P2FET)所有后續負載(圖9)。
圖9.MAX16013/MAX16014用作主開(kāi)關(guān)控制，在ECU關(guān)閉時(shí)有助于降低靜態(tài)電流損耗。
有源過(guò)壓保護器在許多應用中占據一定的優(yōu)勢，這些器件能夠大大降低系統功耗、提高輸出功率(改善系統性能)、降低系統的工作電壓(冷啟動(dòng))，并具有較低的靜態(tài)電流，降低了對后續被保護電路的額定電壓要求。
