寬電壓范圍汽車電路保護(hù)器

Albert Hinckley

啟動期間的點火起動和停機(jī)期間的負(fù)載突降是汽車電源線上電壓瞬變的常見來源。這些欠壓（UV）和過壓（OV）瞬變可能具有很大的幅度，并且會損壞未設(shè)計用于在這些極端情況下工作的電路。已經(jīng)開發(fā)出專門的紫外線和OV保護(hù)器件，用于斷開敏感電子設(shè)備與電源瞬變的聯(lián)系。

LTC?4368 是專用的 UV 和 OV 保護(hù)器件的一個示例。它利用一個窗口比較器來監(jiān)視和驗證輸入電源。電源電壓由連接到 UV 和 OV 監(jiān)視器引腳的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視。窗口比較器輸出驅(qū)動兩個 N 溝道 MOSFET 的柵極，這些 MOSFET 負(fù)責(zé)接通或斷開電源和負(fù)載之間的連接。

LTC4368的窗口比較器在其監(jiān)視器引腳上設(shè)計有25 mV遲滯，以提高抗擾度。遲滯可以防止由于電源線上的紋波或其他高頻振蕩而導(dǎo)致的假MOSFET開/關(guān)開關(guān)。LTC25的4368 mV遲滯相當(dāng)于監(jiān)控引腳閾值的5%，在UV和OV保護(hù)器件中很常見。

為了保護(hù)自身或減少點火負(fù)載，一些汽車附件電路必須在啟動或關(guān)閉期間與電源線斷開連接。由于涉及較大的瞬變，這些電路可能需要比 LTC4368 單獨提供的更多的遲滯。對于此類應(yīng)用，通過將 LTC4368 與具有可調(diào)遲滯的電源監(jiān)視器 （例如 LTC2966） 匹配，可以滿足增加的遲滯要求。圖1是一個寬電壓范圍的汽車電路保護(hù)器示例。在該電路中，LTC2966 承擔(dān)窗口比較器的角色，而 LTC4368 負(fù)責(zé)將負(fù)載連接至電源。

圖1.具有寬電壓監(jiān)視器遲滯的電源路徑控制。

帶電路保護(hù)的汽車UV/OV和過流監(jiān)控器

圖1所示的解決方案可保護(hù)對汽車電源上存在的欠壓、過壓和過流瞬變敏感的電子設(shè)備。

LTC2966 可監(jiān)視反向電壓、欠壓和過壓情況。監(jiān)控閾值和遲滯電平由 INH 和 INL 引腳上的電阻網(wǎng)絡(luò)以及 RS1 和 RS2 引腳上的電壓配置。OUTA是UV窗口比較器輸出，OUTB是OV窗口比較器輸出。這些輸出的極性可以通過PSA和PSB引腳選擇為相對于輸入的反相或同相。在圖1中，它們配置為同相。LTC2966 的 OUTA 和 OUTB 輸出被上拉至 LTC2966 的 REF 引腳，并直接饋送到 LTC4368 的 UV 和 OV 引腳。

LTC4368 提供了反向電流和過流保護(hù)。電流檢測電阻R11的大小決定了反向電流和過流水平。LTC4368 根據(jù)其過流比較器以及來自 LTC2966 的監(jiān)視信息來決定是否應(yīng)將負(fù)載連接至電源。UV、OV和SENSE（過流）引腳都參與決策過程。如果所有三個引腳都滿足條件，則柵極引腳拉力高于V外負(fù)載將通過雙通道 N 溝道 MOSFET 電源路徑連接到電源。如果三個引腳中的任何一個不滿意，GATE 引腳將拉到V 以下外并且負(fù)載與電源斷開。

直接由電池供電的汽車應(yīng)用在發(fā)動機(jī)啟動和停止期間會受到較大的電壓擺動。在該保護(hù)解決方案中，電壓監(jiān)控閾值基于標(biāo)稱工作電壓和汽車起動或拋負(fù)載情況下的預(yù)期電壓，同時確保下游電子設(shè)備受到保護(hù)。

當(dāng)汽車點火通電以啟動車輛時，會產(chǎn)生起動瞬變。在此應(yīng)用中，LTC2966 的通道 A 配置為檢測起動瞬變。

當(dāng)汽車關(guān)閉時，會產(chǎn)生拋負(fù)載瞬變。當(dāng)汽車線束中的電流突然停止時，電池總線上會出現(xiàn)高幅度電壓尖峰。在此應(yīng)用中，LTC2966 的通道 B 配置為檢測拋負(fù)載瞬變。

圖2.V外與 V在.

圖2顯示了電源路徑處于活動狀態(tài)的輸入電壓。起動監(jiān)視器通道A配置為具有7 V的下降電壓閾值和10 V的上升閾值。拋負(fù)載監(jiān)控器通道B配置為具有18 V的上升閾值和15 V的下降閾值。這些閾值是通過查看不同的起動和拋負(fù)載波形規(guī)格獲得的。如果需要，可通過調(diào)整 LTC2966 的 INL 和 INH 輸入的電阻分壓器串輕松配置不同的門限。

配置

圖3.電壓監(jiān)視器閾值的電阻分壓器確定。

圖3顯示了如何計算該應(yīng)用的電阻分壓器值。LTC2966的REF引腳為2.404 V供電。

圖4.范圍和比較器輸出極性選擇。

圖4顯示了該電路的范圍和輸出極性配置。每個通道的范圍選擇基于要監(jiān)視的特定通道的電壓范圍。范圍由 RS1A/B 和 RS2A/B 引腳配置。LTC2966 輸出引腳的極性（無論它們拉高還是拉低）均通過設(shè)置 PSA 和 PSB 引腳來確定。在此應(yīng)用中，LTC4368 的輸入引腳決定了 LTC2966 輸出引腳的極性。要將負(fù)載連接到電源，UV引腳必須大于0.5 V，OV引腳必須小于0.5 V。

反向電壓保護(hù)

在圖1所示的解決方案中，LTC2966和LTC4368均受到反向電壓保護(hù)：LTC4368具有?40 V的內(nèi)置反向電源保護(hù)，而LTC2966則需要選擇元件。

圖5.LTC2966 可能的反向電壓保護(hù)方法。

圖 5 示出了 LTC2966 的兩種可能的反向電壓保護(hù)方案 — 電阻解決方案和二極管解決方案 — 其中根據(jù)應(yīng)用在它們之間進(jìn)行選擇。

在二極管溶液中，二極管僅在正常電路（即正電壓）操作期間有效。LTC2966 的電源電流為數(shù)十微安，這意味著一個低功率二極管就足夠了，并提供了一個小占板面積的解決方案。在一個反向電壓事件期間，二極管阻止電流從 LTC2966 電源引腳流出。二極管的選擇由二極管的反向擊穿電壓驅(qū)動。為了匹配LTC4368，應(yīng)選擇40 V二極管。二極管解決方案的結(jié)果是，正向壓降可能會對欠壓鎖定閾值和電壓監(jiān)控閾值精度產(chǎn)生負(fù)面影響。

在電阻器解決方案中，電阻器選擇得足夠大，以便在反向電壓事件期間安全地限制從 LTC2966 電源線拉出的電流。但是，注意電阻尺寸可確保對欠壓鎖定和電壓監(jiān)控閾值精度的影響最小。正確的封裝尺寸選擇可確保安全的電阻器功耗。

對于此應(yīng)用，監(jiān)控電壓足夠低，以至于與輸入串聯(lián)的二極管正向電壓會顯著降低電壓監(jiān)控閾值的精度。使用該電阻解決方案時，選擇1.96 kΩ限流電阻器來保護(hù)LTC2966免受反向電壓事件的影響。如果輸入電壓下拉至?20 V，電阻的尺寸可將輸入引腳的電流限制為40 mA。低阻值電阻僅產(chǎn)生幾毫伏的壓降，因此電阻對閾值精度的影響可以忽略不計。

過流和浪涌電流保護(hù)

圖6.應(yīng)用過流和浪涌電流保護(hù)。

LTC4368 負(fù)責(zé)為該應(yīng)用提供過流和浪涌電流保護(hù)。圖 6 顯示了負(fù)責(zé)的組件。LTC4368 內(nèi)部的比較器監(jiān)視電流檢測電阻器 R11 兩端的壓降。在向前方向，V在到 V外，過流比較器在SENSE至V時會跳閘外電壓超過 50 mV。在負(fù)方向上，V外到 V在，過流比較器在SENSE至V時會跳閘外電壓超過 –3 mV。該應(yīng)用采用20 mΩ檢測電阻，將電流限值設(shè)置為+2.5 A和–150 mA。

浪涌電流限制允許應(yīng)用在不置位正向過流保護(hù)的情況下上電。R10和C1是浪涌電流限制元件。

對于此應(yīng)用，浪涌電流限制為 1 A，遠(yuǎn)低于 2.5 A 的正向電流限制。C1 的選擇基于所需的浪涌電流限制和 C2 的大小。R10可防止C1減慢反極性保護(hù)的速度，穩(wěn)定快速下拉電路，并防止故障條件下的顫振。

C4是在正過流事件后設(shè)置重試延遲的電容器。重試延遲是檢測到過流事件后MOSFET柵極保持低電平的時間。在此應(yīng)用程序中，重試延遲為 250 毫秒。MOSFET 柵極增加了 10 個Ω電阻 R14 和 R15，以防止 PCB 布局寄生效應(yīng)引起的電路振蕩。

功能演示

曲柄事件

圖7.完整的起動波形。

對原型進(jìn)行了臺架表征，結(jié)果如圖7所示。在點火啟動之前，V在大于為通道A配置的10 V上升監(jiān)視器閾值。LTC4368的OUTA引腳將LTC2-500 UV引腳拉至其2966 mV閾值以上，從而使電源路徑變?yōu)榛顒与娖讲外= V在.

在起動事件期間，12 V總線被下拉至6 V。超過7 V下降電壓監(jiān)視器閾值，OUTA立即下拉LTC4368-2的UV引腳。LTC4368-2 通過將其 GATE 引腳拉低來對此做出響應(yīng)，從而使開關(guān)元件和 V外降至 0 V。由電壓監(jiān)視器電阻分壓器設(shè)置的3 V遲滯允許LTC2966在啟動期間忽略總線上的紋波。因此，開關(guān)元件將保持關(guān)閉狀態(tài)，直到起動周期完成。當(dāng)啟動周期完成后，電池電壓恢復(fù)到其標(biāo)稱值，大于10 V閾值。OUTA 引腳將 LTC4368-2 UV 引腳拉高，開關(guān)元件重新通電。

圖8.擴(kuò)展起動恢復(fù)。

圖 8 顯示了啟動恢復(fù)行為。圖中顯示了LTC4368-2的內(nèi)部恢復(fù)定時器（典型值為36 ms），該定時器在開關(guān)元件重新通電之前得到滿足。還要觀察到，一旦開關(guān)元件重新通電，V在瞬間被拉低。這是由于對電路的負(fù)載電容和串聯(lián)輸入電感進(jìn)行充電。這表明需要寬電壓監(jiān)控閾值遲滯。LTC2966 忽略了此負(fù)載電容器的充電瞬態(tài)。

負(fù)載突降事件

圖9.完整的負(fù)載突降波形。

圖9顯示了電路的拋負(fù)載行為。在點火停用之前，V在是其標(biāo)稱值。電源路徑處于活動狀態(tài)且 V外= V在.在拋負(fù)載事件期間，電池電壓拉高至100 V。超過18 V上升電壓監(jiān)視器閾值，OUTB立即拉起LTC0-4368的2 V引腳。LTC4368-2 通過將其 GATE 引腳拉低來對此做出響應(yīng)，從而打開電源路徑和 V外降至 0 V。開關(guān)元件保持打開狀態(tài)，直到拋負(fù)載放電至15 V。一旦超過15 V下降閾值，LTC2966的OUTB將下拉LTC0-4368的2 V引腳，在LTC4368-2內(nèi)部恢復(fù)定時器到期后，LTC4368-2再次為開關(guān)元件通電。

反向電壓保護(hù)

圖 10.反向電壓保護(hù)測量。

圖10顯示了1.96 kΩ電阻，用于在反向電壓事件期間限制LTC2966電源引腳流出的電流。應(yīng)用的輸入電壓從0 V斜坡上升至–40 V。電流出V型伊納和 V國際投資銀行引腳限制為 20 mA，電壓為 V伊納和 V國際投資銀行引腳保持在地以下幾百毫伏。LTC2966 可安全地承受反向電壓事件。

正向過流保護(hù)

圖11顯示了由R10和C1確定的浪涌電流限制。正如預(yù)期的那樣，浪涌電流限制在 1 A 和 V外干凈利落地上拉至12 V，無需置位過流限值。

圖 11.浪涌電流限制。

圖 12.正向過流保護(hù)和重試延遲的斷言。

圖 12 示出了 LTC4368 對正過流事件的響應(yīng)。LTC4368 中的正過流比較器在 SENSE 和 V 之間的電壓觸發(fā)時跳閘外引腳超過50 mV。電流檢測電阻R11為20 mΩ，可將應(yīng)用中的電流限值設(shè)置為2.5 A。

在本演示中，電流斜坡上升，直到過流保護(hù)置位。正如預(yù)期的那樣，過流保護(hù)在2.5 A時激活。LTC4368 從電源 V 中移除負(fù)載外負(fù)載電流降至0 V。在滿足 LTC4368 重試定時器要求后，LTC4368 將電源重新連接至負(fù)載。如果過流條件消失，則負(fù)載仍連接到電源。否則，LTC4368 將從電源中移除負(fù)載。通過向 RETRY 引腳添加電容，可以增加重試延遲量。如果需要，V外可以通過將 RETRY 引腳接地來閉鎖。在此電路中，重試計時器設(shè)置為 250 ms。重試定時器配置在 LTC4368 的產(chǎn)品手冊中進(jìn)行了說明。

反向過流保護(hù)

圖 13.反向過流保護(hù)的斷位。

圖 13 示出了 LTC4368 對反向過流瞬變的響應(yīng)。反向過流比較器檢測 V 之間的電壓外和感應(yīng)引腳。反向過流置位的電壓閾值取決于版本。LTC4368-1的置位電壓為50 mV，LTC4368-2的置位電壓為3 mV。此應(yīng)用采用 LTC4368-2 版本設(shè)計。電流檢測電阻R11為20 mΩ。這將反向過流限值設(shè)置為150 mA。

在本例中，當(dāng)電源為負(fù)載提供100 mA電流時，V引入電壓階躍。外，使 V外大于 V在.作為 V外增加，我負(fù)荷減少。電壓階躍足夠大，足以迫使電流從負(fù)載流向電源。這種情況一直持續(xù)到反向電流達(dá)到150 mA，反向過流比較器跳閘。當(dāng)反向過流比較器跳閘時，GATE引腳被拉低。這樣可以從電源中移除負(fù)載，并防止負(fù)載進(jìn)一步向后驅(qū)動電源。LTC4368 將保持柵極低電平，直到它檢測出 V外降 100 mV 低于 V在.

結(jié)論

本文開發(fā)的汽車應(yīng)用表明，使用專用保護(hù)器件可以簡化汽車保護(hù)電路的實現(xiàn)。LTC2966 和 LTC4368-2 采用極少的額外電路，以提供準(zhǔn)確、穩(wěn)健和全面的瞬態(tài)保護(hù)。這些器件的靈活性使其能夠配置為用于眾多應(yīng)用。

審核編輯：gt