符合ISO 7637-2和ISO 16750-2標準的可靠汽車電源保護

汽車電源會產(chǎn)生強大的瞬變，很容易破壞暴露的車載電子設備。隨著時間的推移，隨著電子設備在車輛中的激增，汽車制造商已經(jīng)適當?shù)刈⒁獾搅斯收希幹屏艘粋€負責任的電源瞬變的流氓畫廊。制造商獨立制定了標準和測試程序，以防止敏感電子產(chǎn)品成為這些事件的犧牲品。然而，最近，汽車制造商與國際標準化組織（ISO）合作開發(fā)了ISO 7637-2和ISO 16750-2標準，這些標準描述了可能的瞬變并指定了模擬它們的測試方法。

ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 標準

ISO7637 的標題為“道路車輛 - 傳導和耦合引起的電氣干擾”，是一項電磁兼容性 （EMC） 規(guī)范。本文介紹本文檔三個部分中的第二個部分，即ISO 7637-2“第2部分：僅沿電源線的電瞬態(tài)傳導”。

雖然ISO 7637主要是EMC規(guī)范，但在2011年之前，它還包括與電源質量相關的瞬變。2011 年，與電源質量而非 EMC 相關的部分被移至 ISO 16750，“道路車輛 - 電氣和電子設備的環(huán)境條件和測試”，在五個部分中的第二個部分“第 2 部分：電氣負載”。

雖然大多數(shù)制造商仍然保持自己的規(guī)范和要求，而不是逐字采用ISO 7637-2和ISO 16750-2，但有一種趨勢是更接近ISO標準，制造商規(guī)格遵循國際標準，只有微小的變化。

ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 提供了 12V 和 24V 系統(tǒng)的規(guī)范。為簡單起見，本文僅介紹12V規(guī)格，并介紹了一種用于保護連接到汽車12V電源的電子設備的電路。

負載突降

拋負載是電源瞬變中最具挑戰(zhàn)性的，因為事件中的能量很大。當交流發(fā)電機正在為電池充電并且電池連接丟失時，就會發(fā)生這種情況。

不帶內部電壓鉗位的交流發(fā)電機

最初，汽車中的交流發(fā)電機是松開的，在拋負載期間會產(chǎn)生非常大的電壓，對于12V系統(tǒng)約為100V。較新的交流發(fā)電機在內部箝位，以在拋負載期間將最大電壓限制為較低的值。由于較舊的交流發(fā)電機和一些現(xiàn)代交流發(fā)電機不包括內部箝位，因此ISO 16750-2中的拋負載規(guī)范分為“測試A-無集中拋負載抑制”和“測試B-具有集中式拋負載抑制”。

圖1顯示了交流發(fā)電機的三相定子繞組和將定子的交流輸出轉換為為電池充電的直流電的6二極管整流器的原理圖。當電池連接斷開時，產(chǎn)生的電流如圖2所示。如果沒有電池吸收定子的電流，輸出電壓會浪涌到未箝位拋負載期間的非常高的電壓，如ISO 16750-2規(guī)范中的圖3所示。這與“測試 A - 無集中式拋負載抑制”中的無鉗位交流發(fā)電機場景相對應。

圖1.標準交流發(fā)電機的 3 相定子繞組和 6 二極管整流器產(chǎn)生直流輸出電壓。

圖2.未鉗位負載突降：如果在充電過程中電池連接斷開，交流發(fā)電機的輸出電壓可能會浪涌至 100V。

圖3.未鉗位拋負載脈沖形狀，如 ISO 16750-2 規(guī)范（“測試 A...”）中所述。

帶內部電壓鉗位的交流發(fā)電機

較新的交流發(fā)電機使用雪崩二極管，這些二極管具有明確規(guī)定的反向擊穿電壓，可限制負載突降期間的最大電壓。圖4顯示了在六個二極管整流器中使用雪崩額定二極管的鉗位交流發(fā)電機發(fā)生拋負載故障期間的電流。當汽車制造商強制要求使用鉗位交流發(fā)電機時，“測試 B——具有集中拋負載抑制功能”適用。圖5顯示了ISO 16750-2中測試B的鉗位波形。盡管ISO 16750-2為這種鉗位情況規(guī)定了35V的最大電壓，但請注意，許多制造商通過提供自己的最大電壓規(guī)格而偏離了ISO 16750-2。

圖4.箝位拋負載：內部箝位交流發(fā)電機具有具有明確規(guī)定的反向擊穿電壓的二極管，可在負載突降期間將輸出電壓限制為 35V。

圖5.鉗位交流發(fā)電機拋負載脈沖形狀。

另外，請注意，當拋負載是ISO 7637-2的一部分時，只指定了一個脈沖，但是當拋負載規(guī)范在2011年移至ISO 16750-2時，最低測試要求增加到包括脈沖之間間隔一分鐘的多個脈沖。

TVS 保護問題

內阻，R我，在ISO 16750-2中，測試A和測試B中的交流發(fā)電機均規(guī)定在0.5Ω至4Ω之間。這限制了輸送到保護電路的最大能量。

然而，實施ISO 16750-2拋負載瞬變保護的人員經(jīng)常忽略一個事實：內阻，R我，不與35V鉗位電壓串聯(lián)出現(xiàn)。R我實際上出現(xiàn)在雪崩二極管之前，如圖6所示。

圖6.如果板載電子設備受到TVS二極管的保護，TVS二極管在低于交流發(fā)電機鉗位電壓的電壓下?lián)舸?，則TVS二極管將被迫吸收交流發(fā)電機的所有能量。

如果板載電子設備由擊穿電壓小于 35V 的 TVS（瞬態(tài)電壓抑制器）二極管等分流裝置本地保護，則 TVS 可能會被迫吸收交流發(fā)電機的能量。在這種情況下，交流發(fā)電機中的內部鉗位幾乎沒有好處。整個拋負載能量通過車載電子設備輸送到 TVS。

有時在電子設備和TVS二極管前面放置一個串聯(lián)電阻器，但不幸的是，即使在正常工作期間，電阻器中也會引入壓降和額外的功耗。

ISO 16750-2 要求

雖然拋負載通常是 ISO 16750-2 中描述的最苛刻的條件，但還有許多其他要求。

反向電池

ISO 16750-2的第4.7節(jié)描述了“反向電壓”或大多數(shù)汽車工程師簡稱為“反向電池”。如您所料，此規(guī)范涵蓋了有人將電池連接且極性反轉的人為錯誤場景。顯然，除非提供足夠的保護，否則這可能導致破壞。

ISO 16750-2要求在所有輸入端施加14V反向測試電壓60秒，以確保系統(tǒng)正常運行而不會造成任何損壞。如果交流發(fā)電機沒有串聯(lián)的保險絲，并且交流發(fā)電機的整流二極管通過傳導反向連接電池提供的大量電流來限制電壓，則ISO 16750-2還允許4V反向電壓的替代測試條件。

最小和最大電源電壓

最小和最大電源電壓在第 4.2 節(jié)“直流電源電壓”中指定。12V 系統(tǒng)的最大電源電壓為 16V，最小電源電壓低至 6V。對于無法在低至6V下工作的硬件，ISO 16750-2中分配了其他“代碼”，以對器件的最低工作電壓進行分類。對于這一要求，設備應連續(xù)運行。

電壓

ISO 16750-2 第 4.3 節(jié)描述了“過壓”要求。第一個要求模擬穩(wěn)壓器發(fā)生故障的情況。在此測試中，施加 18V 60 分鐘。根據(jù)應用的不同，在執(zhí)行測試時，設備可能不需要正常運行，但在消除測試條件后必須恢復正常運行。第二個測試條件模擬施加24V的跨接啟動60秒。同樣，在測試過程中，設備可能不需要正常運行。

疊加交流電壓

第4.4.2節(jié)提供了“模擬直流電源上的剩余交流電”的測試條件。1V、2V 或 4V（指定為“嚴重性級別”）的峰峰值交流電壓從 50Hz 多次掃描至 25kHz。電壓的上限為16V，串聯(lián)阻抗在50mΩ至100mΩ之間。

供應下降

ISO 16750-2 的第 4.5 和 4.6 節(jié)解決了輸入電源驟降的情況，這些條件是由于電池放電、汽車中的另一個設備發(fā)生故障并熔斷保險絲，或者當啟動器導致電源電壓下降時。

第4.5節(jié)“電源電壓的緩慢降低和增加”模擬電池緩慢放電然后充電。電源電壓在幾分鐘內放電至0V，然后緩慢恢復。顯然，沒有必要連續(xù)運行，但此測試驗證硬件不會以破壞性方式發(fā)生故障，并且在電源恢復時是否正常運行。

相比之下，第4.6節(jié)“電源電壓的不連續(xù)性”是一種更快的條件，它試圖模擬另一個電路中的故障，導致電源下降，直到另一個電路的保險絲熔斷。在這種情況下，電源降至4.5V持續(xù)100ms，然后以超過10ms的上升時間和下降時間恢復。

第4.6節(jié)的下一部分規(guī)定了一系列5秒的電源驟降，每個脈沖的電壓低于前一個脈沖。目的是驗證器件在電源驟降后是否正確復位。

第4.6節(jié)的第三部分也是最后一部分指定了代表車輛起始曲線的波形。它應用于被測試的設備 10 次。所需的確切電壓和持續(xù)時間取決于所需的 I、II、III 或 IV 級，具體取決于應用。I級的限制如下圖所示。

開路和短路保護

第 4.9 節(jié)介紹了“線路中斷”測試，并描述了確保設備在斷開連接然后恢復后恢復正常運行的過程。第4.10節(jié)描述了“短路保護”測試，并要求將每個輸入和輸出連接到最大電源電壓和接地60秒。

帶浪涌抑制器的主動保護的優(yōu)勢

更好的解決方案是使用串聯(lián)有源保護器件，例如 LTC4380 低靜態(tài)電流浪涌抑制器。LTC4380框圖如圖7所示。完整的汽車保護解決方案如圖8所示。

圖7.LTC4380浪涌抑制器的框圖

圖8.一個基于 LTC4380 的電路可保護下游電子器件免受 ISO 16750-2 和 ISO 7637-2 瞬變的影響，同時提供高達 4A 的輸出電流。

就其本質而言，浪涌抑制器可保護下游電子設備免受負載突降以及ISO 16750-2和ISO 7637-2中的其他條件的影響，而無需依賴交流發(fā)電機的內阻。圖8所示的浪涌抑制器解決方案在鉗位交流發(fā)電機下工作時提供不間斷電源。此外，如果它受到未夾緊的交流發(fā)電機的拋負載，它不會被損壞。在未箝位的情況下，它可能會關閉以保護自身，然后在冷卻期后自動重新為負載供電。重要的是要注意，只有在存在多個同時故障的情況下才會關閉電源：安裝了不正確的未鉗位交流發(fā)電機，并且在充電過程中電池連接丟失。

ISO 7637-2 要求

雖然ISO 7637-2的電能質量部分在2011年移至ISO 16750-2，但脈沖1，2a，2b，3a和3b仍包含在ISO 7637-2中。

脈沖 1

脈沖 1 描述了與電源的連接中斷時，與感性負載并聯(lián)的電子設備觀察到的負瞬態(tài)。脈沖 1 開始時，隨著電源電壓的移除，電源電壓崩潰至 0V。此后不久，施加?150V脈沖，衰減時間為2ms。負脈沖的能量受10Ω串聯(lián)電阻的限制。

脈沖 2a

脈沖2a描述了當電流中斷到與被測電子器件并聯(lián)的電路時可能發(fā)生的正電壓尖峰。如果線束中積聚電流，當設備突然停止吸收電流時，線束電感中存儲的能量可能會導致電壓尖峰。該正尖峰的能量受2Ω串聯(lián)電阻的限制。

脈沖 2b

脈沖 2b 定義了當點火開關關閉且直流電機充當發(fā)電機時發(fā)生的情況。例如，如果加熱器在駕駛員關閉汽車時正在運行，則鼓風機電機可以在系統(tǒng)旋轉時短時間內為系統(tǒng)提供直流電源。

脈沖 3a 和 3b

脈沖 3a 和 3b 是開關過程（包括開關和繼電器上的電?。┛赡墚a(chǎn)生的負尖峰和正尖峰。對于此規(guī)格，能量受50Ω串聯(lián)電阻的限制。

脈沖3a數(shù)字。

脈沖 3b 數(shù)字。

電涌抑制器保護解決方案的操作

圖8中的設計可保護下游電子設備免受ISO 16750-2和ISO 7637-2瞬變的影響，同時提供高達4A的輸出電流。同時，它可以保護上游系統(tǒng)免受下游電子設備短路故障等情況引起的過流事件的影響。這樣做時，它消耗了吝嗇的35μA靜態(tài)電流，這是現(xiàn)代汽車的一個重要考慮因素，在車輛不運行時具有無數(shù)的電池耗盡負載。

該保護解決方案基于 LTC4380 低電源電流浪涌抑制器，將輸出電壓限制在 22.7V，而輸入電壓高達 100V — 足以針對 ISO-16750-2 負載突降以及 ISO 7637-2 脈沖 1、2a、2b、3a 和 3b。它還可以防止反向電池條件下的電流流動，并在 ISO 16750-2 疊加交流電壓測試期間提供連續(xù)電源，其嚴重程度為 1，其中峰峰值交流電壓為 1V。 （在交流電壓較大的情況下，它可能會暫時關閉電源。當輸入電壓降至4V時，為負載提供連續(xù)電源，以滿足ISO 16750-2的最低電源電壓要求。

該電路中的MOSFET通過限制在高功率耗散條件下花費的時間來保護，例如當負載突降期間輸入電壓浪涌高電平時或輸出短路至地時。如果故障超過ISO 16750-2和ISO 7637-2中規(guī)定的條件，MOSFET M2將關閉以保護電路，并在適當?shù)难舆t后重新施加電源。

例如，持續(xù)的100V輸入電壓或下游短路故障會導致浪涌抑制器通過限制M2中的電流進行自我保護，然后在故障持續(xù)存在時完全關閉。與并聯(lián)式保護相比，這種方法具有明顯的優(yōu)勢，分流式保護必須耗散連續(xù)功率——在最佳情況下熔斷保險絲;在最壞的情況下點燃火災。

拋負載和過壓保護

為了了解圖8所示電路的工作原理，請考慮LTC4380的簡化描述。在正常工作期間，LTC4380 的內部充電泵驅動 GATE 引腳以增強 M2。GATE 上的電壓被箝位至高于地電位的最大 35V（當 SEL = 0V 時），從而將 M2 源極的輸出電壓限制在 35V 以下。

圖8中的電路進一步改善了該電壓限值，增加了一個22V雪崩二極管D3，結合R6、R7、R8和2，將輸出電壓調節(jié)到雪崩二極管電壓22V的最大值，加上Q2的基極-發(fā)射極電壓，大約0.7V。當輸出電壓超過22V + 0.7V = 22.7V時，Q2弱地下拉M2的柵極，以調節(jié)M2的源極和輸出電壓為22.7V。

反向保護

MOSFET M1 與 D1、D2、R1、R3、R4 和 Q1 結合使用，可保護電路免受反向電壓條件的影響。當輸入降至地電位以下時，Q1將M1的柵極拉低至負輸入電壓，使MOSFET保持關斷。當電池向后連接時，這可以防止反向電流流動，并保護輸出免受負輸入電壓的影響。

D2 和 R3 允許 LTC4380 的內部充電泵在輸入為正時在正常工作期間增強 M1，從而使 M1 有效地成為一個簡單的直通器件，耗散小于 I2R = （4A）2? 恩智浦PSMN4R8-100BSE中的4.1mΩ = 66mW功率。

SOA 限制

當輸入電壓較高時，通過控制MOSFET M2，將該電路的輸出電壓限制在安全水平。這會導致顯著的功耗，因為M2兩端的電壓下降，而電流被輸送到輸出端的負載。

如果輸入受到持續(xù)過壓條件的影響，或者電路輸出端的板載電子設備發(fā)生過流故障情況，則M2在由R13、R14、R15、C4、C5、C6和C14組成的定時器網(wǎng)絡配置的持續(xù)時間后關閉，從而保護M2。當 M2 處于電流限制狀態(tài)時，LTC4380 的 TMR 引腳上的輸出電流與 MOSFET M2 兩端的電壓成正比。

實際上，TMR 電流與 MOSFET M2 中的功耗成正比。TMR 引腳上的電阻/電容網(wǎng)絡類似于 MOSFET 瞬態(tài)熱阻的電氣模型。這有助于限制MOSFET的最大溫升，使其保持在額定安全工作區(qū)域內。

由于允許的MOSFET SOA電流在高漏源電壓下會下降，因此當輸入到輸出電壓超過20V加上Q3的基極-發(fā)射極電壓時，20V雪崩二極管D6與R9、R11和Q3一起向定時器網(wǎng)絡提供額外的電流。4.7V 雪崩二極管 D7 與 Q4、R12 和 C3 配合使用，以防止這些額外的電流將 TMR 引腳拉到其最大額定電壓 5V 以上。

該SOA跟蹤電路允許輸出在輸入上升到高電壓時保持安全供電。但是，如果持續(xù)的高功率故障條件持續(xù)太久，電路會通過關閉M2進行自我保護。

熱保護

LTC4380 的 TMR 引腳上的電阻器 / 電容器網(wǎng)絡可針對快于約 1 秒的事件提供保護。對于較慢的事件，M2 的外殼溫度受連接到 LTC4380 的 ON 引腳的電路的限制。

熱敏電阻，R個人通訊，是小型表面貼裝0402尺寸元件，在115°C時電阻為4.7K。 在115°C以上，其電阻隨溫度呈指數(shù)上升。為防止定時器網(wǎng)絡錯誤地在功率倍增器中積分失調，LTC4380 在 M2 的漏源電壓達到 0.7V 之前不會在 TMR 引腳上產(chǎn)生定時器電流。在 4A 和 0.7V 電壓下，MOSFET 可以連續(xù)耗散 0.7V ? 4A = 2.8W，而 TMR 網(wǎng)絡無需檢測 MOSFET 的溫升。PTC 電阻器，R個人通訊，如果 MOSFET M2 的外殼溫度超過 115°C，則與電阻 R17–R21 和晶體管 Q5A、Q5B、Q6A、Q7A 和 Q7B 配合使用，關閉電路。

不要對熱保護電路中的元件數(shù)量感到沮喪。整體解決方案相對容易實現(xiàn)，由占用電路板面積小的小組件組成。它是一個自偏置電路，當R個人通訊等于R20的4.75kΩ值。當溫度為R個人通訊，它靠近 M2，超過 115°C，其電阻增大并導致流過 Q5B 的電流比 Q5A 多。由于這會導致通過 R17 的電流多于 R18，因此 Q8A 的基極電壓上升，Q8A 的集電極將 LTC4380 的 ON 引腳拉低至低電平，從而關斷 M2。在較低溫度下，Q5A 的電流大于 Q5B，而 Q8A 保持關斷狀態(tài)，允許 ON 引腳的內部上拉以保持 ON 引腳高電平。注意，ON引腳電流用作該自偏置電路通過二極管連接器件Q8B的啟動電流。

結論

ISO 16750-2 和 ISO 7637-2 規(guī)范描述了汽車系統(tǒng)中可能發(fā)生的挑戰(zhàn)性電氣瞬變。LTC?4380 低靜態(tài)電流浪涌抑制器可用于保護板載電子器件免受這些瞬變的影響，包括箝位和未箝位的負載突降脈沖。本文介紹的電路在面對來自現(xiàn)代鉗位交流發(fā)電機的拋負載脈沖時提供不間斷運行。當面對更極端的未鉗位拋負載脈沖時，它會關斷以保護下游電子設備。其結果是符合 ISO 16750-2 和 ISO 7637-2 標準的穩(wěn)健解決方案，適用于消耗高達 4 A 電源電流的電子設備。

審核編輯：郭婷