汽車電子幾種典型的瞬態(tài)保護(hù)設(shè)計(jì)方案

如今在世界的某個地方，已經(jīng)有汽車工程師開始構(gòu)想新的汽車信息娛樂系統(tǒng)，但該系統(tǒng)在未來五年或更長時間內(nèi)不會實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)?，信息娛樂系統(tǒng)應(yīng)用對電源有很多要求，而且該應(yīng)用目前僅處于概念階段。隨著信息娛樂系統(tǒng)具有日益復(fù)雜的電子功能，其所需的集成電路(IC)數(shù)量越來越多，而且這些IC都會共享12V電池的功率。

設(shè)計(jì)電源架構(gòu)時需要加入電源調(diào)節(jié)和保護(hù)功能，這樣才能確保系統(tǒng)在出現(xiàn)各種瞬態(tài)事件時良好運(yùn)行。

在這篇文章中，我將介紹應(yīng)該注意的幾種典型瞬態(tài)，以及TI如何幫助滿足瞬態(tài)保護(hù)需求。

典型瞬態(tài)

在四種常見場景中可能會發(fā)生瞬變。

圖1所示為第一種場景，即在交流發(fā)電機(jī)給電池充電的過程中，電池?cái)嚅_導(dǎo)致的負(fù)載突降事件。負(fù)載突降會導(dǎo)致電壓上升；交流發(fā)電機(jī)的集中式鉗位電路將出現(xiàn)35V的最大電壓。

圖1：12V系統(tǒng)的負(fù)載突降曲線

圖2所示為第二種場景，即電源斷開時，在與電感負(fù)載并聯(lián)的模塊中產(chǎn)生較大的負(fù)電壓峰值（如國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 [ISO]7637-2測試脈沖1）。

圖2：ISO 7637-2測試脈沖

圖3所示為第三種場景，即系統(tǒng)的大容量電容在啟動期間導(dǎo)致浪涌電流，它會在電容器充電時引發(fā)更大的電流。

圖3：啟動期間的浪涌電流曲線（具有較大的容性負(fù)載）

第四種場景是電池電壓降低。圖4所示為冷啟動，即發(fā)動機(jī)在環(huán)境溫度低的條件下啟動。

圖4：典型的冷啟動波形

瞬態(tài)保護(hù)

提供瞬態(tài)保護(hù)的一種方法是使用理想二極管控制器。如圖5所示，使用電流感應(yīng)放大器和理想二極管控制器可以實(shí)現(xiàn)額外的過流保護(hù)，從而提供優(yōu)于濾波和電源調(diào)節(jié)的全面保護(hù)解決方案。

圖5：汽車瞬態(tài)和過流保護(hù)濾波器保護(hù)方框圖

負(fù)載突降保護(hù)

LM74810-Q1 利用過壓可調(diào)節(jié)特性，可在不需要的負(fù)載突降事件中提供保護(hù)。如圖6所示，LM74810-Q1的OV引腳可使用比較器發(fā)送出現(xiàn)過壓事件的信號。這會斷開用于驅(qū)動Q2金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的HGATE電壓。額定電壓較低的下游元件沒有輸入端發(fā)生瞬變時所需的電壓范圍，而將連接至OV引腳的電阻分壓器調(diào)整至您所需的閾值，則可以使用此類下游元件。LM74810-Q1器件的額定輸入電壓最大為65V，可在發(fā)生35V峰值電壓的瞬態(tài)事件時繼續(xù)工作。

圖6：具有過壓保護(hù)功能的LM74800典型方框圖

負(fù)電壓瞬態(tài)保護(hù)

LM74810-Q1，連同適當(dāng)?shù)腗OSFET和輸入端瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)，可在發(fā)生ISO 7637-2測試脈沖1等高負(fù)電壓瞬變時為系統(tǒng)提供保護(hù)。如果輸入電壓為負(fù)，則LM74810-Q1關(guān)斷并將DGATE拉低。然后，圖6中Q1的體二極管為系統(tǒng)提供反向電壓保護(hù)，并防止產(chǎn)生負(fù)電流。一旦輸入電壓恢復(fù)標(biāo)稱值，LM74810-Q1則重新導(dǎo)通，并使MOSFET正常工作。

TVS二極管可在ISO 7637-2測試脈沖1（典型值100V或以上）產(chǎn)生較大的負(fù)電壓尖峰時保護(hù)LM74810-Q1。輸入端TVS的擊穿電壓應(yīng)在35V負(fù)載突降和LM74810-Q1的65V最大額定電壓之間。出現(xiàn)負(fù)電壓時，TVS二極管擊穿電壓應(yīng)高于電池反向連接時的電壓，同時也要低至使TVS的負(fù)鉗位電壓不超過Q1 MOSFET兩端的電壓。

浪涌電流限制

LM74810-Q1具有浪涌電流限制功能，可在啟動期間控制電流大小。輸出端電容會限制電流，從而確保元件內(nèi)不會流經(jīng)超出安全工作范圍內(nèi)的電流。

如圖7所示，向LM74810-Q1的HGATE引腳添加電阻電容(RC)可減慢啟動期間的HGATE電壓斜升，從而實(shí)現(xiàn)浪涌電流限制。

圖7：通過LM7480x-Q1提供浪涌電流限制功能

過流保護(hù)

INA302-Q1 通過兩個獨(dú)立可調(diào)的閾值比較器輸出進(jìn)行過流檢測。將低電平有效的比較器輸出連接至LM74810-Q1的使能引腳，可使 MOSFET 在出現(xiàn)過流時關(guān)斷。ALERT2比較器可靈活調(diào)節(jié)輸出信號的延遲，這在正常運(yùn)行期間出現(xiàn)電流小幅升高、但不必觸發(fā)過流保護(hù)功能時非常有用。你可以通過更改器件DELAY引腳的電容器值來調(diào)整延遲持續(xù)時間，也可以通過 INA302-Q1 的ILIM引腳來調(diào)節(jié)過流事件的電流閾值；請參閱圖8中的R5。

圖 8：實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)的過壓和過流保護(hù)

低壓瞬態(tài)保護(hù)

冷啟動和熱啟動事件會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生低壓瞬變。在這類事件中，輸入電壓低于輸出電壓，就會產(chǎn)生負(fù)電流。對于需要維持正常運(yùn)行的系統(tǒng)而言，負(fù)電流需要引起注意。由于輸出電壓會在存在輸出電容時降低，因此，要確保電流不會流回電池，需要反向電流阻斷功能。

由于LM74810-Q1可持續(xù)監(jiān)測Q1 MOSFET A引腳和C引腳之間的壓降，因此可提供低壓瞬態(tài)保護(hù)。如圖9和10所示，在正常工作期間，Q1兩端的電壓為正，電流流入負(fù)載。在輸入電壓低于輸出電壓等可能產(chǎn)生反向電流的場景中，LM74810-Q1會在Q1兩端電壓達(dá)到–4.5mV時快速響應(yīng)，并關(guān)斷MOSFET，從而防止產(chǎn)生直流反向電流。

圖9：LM74810-Q1監(jiān)測Q1 MOSFET兩端的壓降，從而確保不產(chǎn)生直流反向電流

圖10：當(dāng)MOSFET兩端的壓降達(dá)到–4.5mV時，驅(qū)動Q1邏輯門電路的DGATE將拉低，從而提供反向電流阻斷

在嚴(yán)苛的汽車環(huán)境內(nèi)實(shí)現(xiàn)靈活性

通過在輸入端提供先進(jìn)的系統(tǒng)保護(hù)，設(shè)計(jì)人員可提高設(shè)計(jì)的靈活性。這些保護(hù)器件不僅不會影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而且在汽車內(nèi)嚴(yán)苛的電氣環(huán)境中提供保護(hù)，更重要的是，還能通過更多的選擇機(jī)會，推動汽車系統(tǒng)內(nèi)其余部分的創(chuàng)新。

另外，與分立式方案相比，與上述器件類似的緊湊型雙器件保護(hù)系統(tǒng)能顯著減小總解決方案尺寸。更小的解決方案尺寸可為信息娛樂系統(tǒng)的其他部分提供更多空間，有助于實(shí)現(xiàn)更多創(chuàng)新。

我們希望此設(shè)計(jì)不僅能保護(hù)您的系統(tǒng)，還能幫助您快速升級設(shè)計(jì)方案。
編輯：hfy