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用有源高壓瞬態(tài)保護(hù)器替代傳統(tǒng)的汽車電子無源保護(hù)器件
大多數(shù)汽車電子系統(tǒng)需要過壓、電池反接和瞬態(tài)保護(hù)，在這些保護(hù)電路中使用有源保護(hù)器件能夠獲得低功耗、最佳工作電壓門限、降低器件成本、降低靜態(tài)電流等諸多優(yōu)勢(shì)。本文詳細(xì)討論了有源方案相對(duì)于傳統(tǒng)保護(hù)電路的優(yōu)勢(shì)。
引言
汽車內(nèi)部、外部各種各樣的電子及電磁干擾常常使汽車電子設(shè)備處于危險(xiǎn)的工作狀況，降低電子設(shè)備的性能，并可能引發(fā)故障甚至損壞。最嚴(yán)重的干擾—大幅值的正向、反向過壓和瞬變—多數(shù)由汽車電子系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生，或者是不恰當(dāng)?shù)?錯(cuò)誤的)操作所致。
汽車內(nèi)部產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓
在汽車電子網(wǎng)絡(luò)中，電子控制單元(ECU)通過線束互聯(lián)，大多數(shù)ECU直接或通過啟動(dòng)開關(guān)由汽車電池供電。即使在常規(guī)操作中也會(huì)存在電氣干擾和高頻影響，通過配線系統(tǒng)傳導(dǎo)，最終耦合或以輻射方式干擾到車載電子設(shè)備。干擾源包括啟動(dòng)系統(tǒng)、交流電機(jī)、負(fù)載切換、開關(guān)抖動(dòng)以及“拋負(fù)載” (即直流電機(jī)運(yùn)行過程中切斷電源，由此產(chǎn)生的電壓)。
這些浪涌中最具破壞性的是“拋負(fù)載” (圖1)，這種情況發(fā)生在引擎正在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，在交流電機(jī)正在給電池充電時(shí)斷開電池連接。產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓幅度取決于斷開連接時(shí)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和場(chǎng)激勵(lì)的大小。這一浪涌過程可能持續(xù)幾百毫秒，產(chǎn)生100V以上的電壓，對(duì)半導(dǎo)體電路具有潛在的致命影響。
圖1. 典型的拋負(fù)載浪涌波形：a)沒有抑制；b)提供抑制。
啟動(dòng)、冷啟動(dòng)、電池反接
另外一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)是啟動(dòng)過程中存在的“雙電池”電壓，此時(shí)電纜跳接到另一組24V網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的汽車電池，最終用24V電池開啟12V系統(tǒng)。下面再來考慮另一情況，當(dāng)啟動(dòng)引擎時(shí)，特別是在寒冷天氣，電池沒有充滿的情況下，機(jī)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(fù)載會(huì)導(dǎo)致電源電壓跌落，從標(biāo)稱12V跌落到5V以下。這種跌落會(huì)持續(xù)數(shù)十毫秒，引起電子系統(tǒng)短時(shí)間掛起(圖2)。一旦引擎啟動(dòng)，電壓將返回至標(biāo)稱值。
圖2. 汽車?yán)鋯?dòng)時(shí)的典型電壓波形
另外一個(gè)值得注意的因素是，當(dāng)電池連接錯(cuò)誤時(shí)，汽車電子必須能夠承受電池反接的電壓(例如-14V)。
電源故障情況下的保護(hù)
上述異常條件促使設(shè)計(jì)人員選擇適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，以避免電源故障造成的影響。分析顯示拋負(fù)載脈沖是能量最強(qiáng)的一類干擾。為避免電子電路受此類脈沖的破壞，目前有兩種保護(hù)措施：
- 在所有汽車交流電機(jī)內(nèi)部采用中心電壓鉗位(中心拋負(fù)載抑制，圖1b)。
- 為每個(gè)ECU提供保護(hù)電路。
系統(tǒng)仍然需要第二級(jí)抑制電路，在電路板上濾除低能量脈沖，例如，正、負(fù)瞬態(tài)電壓以及電池瞬間反接導(dǎo)致的尖峰脈沖。這些脈沖通常通過小尺寸的大容值電容、反向保護(hù)二級(jí)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(fù)載抑制通常通過交流發(fā)電機(jī)的內(nèi)部鉗位電路(二極管)實(shí)現(xiàn)，用于吸收拋負(fù)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(shè)置在最大啟動(dòng)電壓以上，將無法達(dá)到鉗位的目的，汽車電壓仍會(huì)高達(dá)36V。
那些不具備中心拋負(fù)載抑制功能的汽車電子系統(tǒng)必須采用本地保護(hù)措施，以抑制拋負(fù)載干擾信號(hào)。通常在遠(yuǎn)離連接器端，在ECU內(nèi)部增加保護(hù)電路，整個(gè)汽車內(nèi)部需要眾多的這類保護(hù)措施，過多的元件會(huì)導(dǎo)致漏電流和整體成本的增加。板上拋負(fù)載保護(hù)電路通常采用TVS二極管(類似于齊納二極管)、可變電阻、以及抑制濾波器等，這些元件應(yīng)連接到電源端。
下文給出了各種傳統(tǒng)的板上保護(hù)電路。
標(biāo)準(zhǔn)過壓抑制器件
在板級(jí)水平有幾類器件可用于過壓鉗位。
TVS二極管
雪崩二極管(與齊納二極管類似，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(hù)電子電路免遭尖峰電壓和拋負(fù)載的破壞。這些二極管具有快速開啟、緩慢關(guān)斷特性。與其它過壓保護(hù)器件(如：可變電阻)相比，雪崩二極管對(duì)過壓事件的響應(yīng)速度更快。其性能指標(biāo)不會(huì)隨著使用壽命的延長以及瞬態(tài)電壓作用次數(shù)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。這類二極管通常表示為Transil?、TransZorb?或簡稱為TVS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(duì)應(yīng)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(yīng)的，該非線性電阻在高于某個(gè)特定電壓后阻值會(huì)迅速降低(圖4)。在鉗位正向和負(fù)向電壓時(shí)，其功能類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(duì)較高的電流和能量，但當(dāng)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。可變電阻器在重復(fù)受到浪涌沖擊時(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(yīng)速度。
圖4. 典型的可變電阻器特性(VC = 峰值脈沖電流IP對(duì)應(yīng)的鉗位電壓)
分立式保護(hù)電路
一種簡單且性價(jià)比較高的保護(hù)電路是將負(fù)載與鉗位電路(如TVS二級(jí)管)并聯(lián)，在電容之前加一個(gè)保險(xiǎn)絲(圖5)。該電路可使ECU在出現(xiàn)高于TVS二極管(D1)擊穿電壓的瞬態(tài)過壓以及拋負(fù)載條件下為系統(tǒng)提供保護(hù)。當(dāng)出現(xiàn)負(fù)的瞬態(tài)電壓或穩(wěn)定的反向電壓時(shí)，TVS正向?qū)?，從而將?fù)向電壓鉗位在其導(dǎo)通電壓(例如-1V)，為后續(xù)電路提供保護(hù)。對(duì)于能量較低的負(fù)瞬態(tài)電壓，例如：繼電器或螺線管開關(guān)引入的過壓，可以通過電容(ClowE)濾除。如果持續(xù)保持正向或反向過壓狀況，保險(xiǎn)絲將熔斷。
圖5. 利用濾波電容、瞬態(tài)抑制二極管和保險(xiǎn)絲構(gòu)成的簡單過壓保護(hù)電路
為了避免在難以接近的ECU部位更換保險(xiǎn)絲，或保證ECU的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須采取其它技術(shù)，如額外的串聯(lián)保護(hù)。圖6電路可使ECU免遭電池反接以及瞬態(tài)負(fù)壓(D2)、高于TVS二極管(D1)擊穿電壓的正向過壓脈沖(拋負(fù)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(xiàn)的負(fù)脈沖最大值。
圖6. 用二極管取代圖5中的保險(xiǎn)絲，該電路不但提供過壓保護(hù)并且提供負(fù)向瞬態(tài)電壓保護(hù)和電池反接保護(hù)。
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(duì)電路板面積要求苛刻，并且后續(xù)電路對(duì)正向、反向過壓有一定容限的系統(tǒng)。圖7所示電路能夠?qū)罄m(xù)電路提供有效的過壓脈沖保護(hù)(正向和負(fù)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(fù)瞬態(tài)電壓。
圖7. 當(dāng)電路板面積受限同時(shí)又需要為后續(xù)電路提供過壓保護(hù)時(shí)，可以利用可變電阻器(示例中的VDR)取代TVS二極管，只要過壓脈沖(正或負(fù)瞬態(tài)脈沖)高于可變電阻器的擊穿電壓，發(fā)生正向或負(fù)向過壓時(shí)，后續(xù)電路必須有一定的容量。
分立保護(hù)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)簡單的瞬態(tài)保護(hù)電路，只包含一個(gè)TVS管、一個(gè)濾波電容和一個(gè)保險(xiǎn)絲，但缺點(diǎn)是必須選擇擊穿電壓大于可能出現(xiàn)的最大穩(wěn)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(xù)時(shí)間超過1分鐘)。否則，如果沒有正確選用TVS，使得TVS管在較低電壓下導(dǎo)通，隨后會(huì)因?yàn)檫B續(xù)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(nèi)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(fù)載時(shí)會(huì)使后續(xù)電路的電壓達(dá)到45V，這種情況下，所用后續(xù)電路必須能夠承受45V的電壓(圖3)。顯然，這將使后續(xù)ECU電路元件的選擇復(fù)雜化，而這些電路通常只能工作在汽車標(biāo)稱工作電壓的上限(大約17V)。高壓半導(dǎo)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壓值，需要選擇擊穿電壓接近于穩(wěn)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汽車標(biāo)稱電壓下)產(chǎn)生較大的漏電流。汽車引擎停止工作時(shí)，這一漏電流使得ECU設(shè)計(jì)人員很難達(dá)到OEM (設(shè)備生產(chǎn)商)對(duì)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(duì)于大電流應(yīng)用，如汽車防抱死系統(tǒng)，所消耗的電流可以輕易超過10A。例如，對(duì)于系統(tǒng)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(yīng)用中可以減緩這個(gè)問題。假定壓降為0.5V，在10A負(fù)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(shè)計(jì)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(fù)面影響。例如，在一個(gè) 14.4V的音頻系統(tǒng)中，最大輸出功率取決于所能獲得的最大揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電壓。而為了避免電池反接，系統(tǒng)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(duì)于2Ω的橋接揚(yáng)聲器)。
汽車在寒冷環(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(tǒng)工作。冷啟動(dòng)時(shí)，汽車制造商規(guī)定的輸入電壓為5.5V甚至更低。用來防止電池反接的二極管壓降會(huì)占用很大的裕量。例如，汽車電池電壓在ECU輸入連接器處降到5.5V，減去電池反接保護(hù)二極管的0.7V壓降，真正供給電路的電壓只有4.8V。
假如5V微控制器通過一個(gè)壓差為500mV的線性穩(wěn)壓器供電，這時(shí)微控制器能夠獲得的供電電壓僅為4.3V，無法支持其正常工作，有可能使其進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，丟失存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)或?qū)е抡麄€(gè)ECU死機(jī)。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)是一個(gè)比較典型的例子：汽車啟動(dòng)之前輸入目的地址，系統(tǒng)必須保證在以后的冷啟動(dòng)過程中不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。
對(duì)于圖7所示包含可變電阻的應(yīng)用，通常對(duì)電路板面積要求非常嚴(yán)格。與TVS管一樣，根據(jù)具體應(yīng)用的最高穩(wěn)態(tài)直流電壓確定可變電阻的鉗位電壓。然而，當(dāng)電壓高于擊穿電壓時(shí)，可變電阻的VI特性曲線相對(duì)于TVS二極管要緩慢得多(圖4)。因此，可變電阻相對(duì)TVS管會(huì)使后續(xù)電路承受更高的電壓，從而提高了后續(xù)電路的器件成本、封裝尺寸以及電路板空間。
通過將鉗位電壓設(shè)置在相對(duì)較低的電平，保持盡可能低的過壓保護(hù)點(diǎn)，又會(huì)增大正常工作時(shí)的靜態(tài)電流。標(biāo)稱電壓下的靜態(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(hù)方案
考慮到以上分立保護(hù)電路的諸多缺點(diǎn)，有源保護(hù)電路提供了一個(gè)更好的選擇。對(duì)于要求低靜態(tài)電流、低工作電壓并具有電池反接保護(hù)和過壓保護(hù)的方案，可以選擇MAX16013/MAX160141過壓保護(hù)/檢測(cè)電路。
此類器件的工作原理十分簡單(圖8)。IC直接監(jiān)測(cè)輸入電壓，并通過控制兩個(gè)外部pFET功率開關(guān)在故障條件下斷開負(fù)載的連接。外部MOSFET在5.5V和所設(shè)置的上限電源電壓之間導(dǎo)通，上限電壓可通過連接在SET引腳的分壓電阻調(diào)節(jié)，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(hù)功能，直接監(jiān)測(cè)電源電壓，當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，通過控制兩個(gè)外部p溝道FET開關(guān)，斷開負(fù)載與故障電源。
發(fā)生故障時(shí)，F(xiàn)ET P2有兩種不同模式。第一種模式下，P2僅僅相當(dāng)于一個(gè)簡單的開關(guān)，在過壓條件下斷開開關(guān)，從而避免高壓對(duì)下游器件的破壞。第二種模式下，P2相當(dāng)于可調(diào)節(jié)的瞬態(tài)抑制器，將輸出電壓鉗制在所允許的最大過壓點(diǎn)。
當(dāng)輸出電壓上升到可調(diào)節(jié)的過壓門限以上時(shí)，內(nèi)部比較器將GATE2上拉至VCC。監(jiān)測(cè)電壓降低到過壓門限以下時(shí)，p溝道MOSFET (P2)重新導(dǎo)通。這種處理方式能夠使電壓穩(wěn)定在輸出穩(wěn)壓值的5%以內(nèi)。出現(xiàn)瞬態(tài)過壓時(shí)能夠保證輸出穩(wěn)定，MOSFET (P2)在過壓條件下保持導(dǎo)通，工作在開關(guān)-線性穩(wěn)壓模式，從而在提供過壓保護(hù)的同時(shí)維持系統(tǒng)繼續(xù)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(yīng)的工作模式。例如，把分壓電阻接VCC (而不是負(fù)載)，MAX16013被配置成過壓關(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(hù)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(dǎo)通，可以保持極低的正向壓降，出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)關(guān)斷。關(guān)閉P2可斷開輸入與輸出的連接(圖8和圖9)，EN引腳提供相應(yīng)的關(guān)斷控制(需要注意的是EN引腳的控制信號(hào)由主系統(tǒng)的其它監(jiān)控電路產(chǎn)生)。因此，當(dāng)電路處于電池反接保護(hù)狀態(tài)時(shí)(P1)，下游電路的靜態(tài)電流可降至最小(典型值< 20μA)。
有源高壓瞬態(tài)保護(hù)器相對(duì)于傳統(tǒng)保護(hù)方案的優(yōu)勢(shì)
有源過壓保護(hù)器具備以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。
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的最高穩(wěn)態(tài)工作電壓(通常26V左右)。發(fā)生拋負(fù)載時(shí)，由于TVS管的內(nèi)阻以及電流隨電壓劇增的VI特性曲線，下游電路會(huì)在瞬間承受極高電壓(大約45V)，從而提高了對(duì)下游器件額定電壓的要求。與傳統(tǒng)方案不同，有源瞬態(tài)保護(hù)器可將輸出電壓鉗位到分壓電阻設(shè)置的電平(例如26V)，也不存在電流隨電壓劇增問題。這些特性允許用戶使用低成本(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(tǒng)方案在發(fā)生過熱之前較短的時(shí)間內(nèi)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)生直流過壓時(shí)保護(hù)器件。有些應(yīng)用要求工作在標(biāo)稱電壓的上限，一旦超過上限電壓則斷開與電源的連接(以音頻系統(tǒng)為例，其工作電壓上限通常為17V)。這種情況下使用有源保護(hù)器件，合理設(shè)置電壓限制器/開關(guān)的門限可以進(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?qū)妷航档偷胶练?jí)水平。特別是在大電流應(yīng)用中，這一舉措可以有效降低功耗，進(jìn)而降低散熱的設(shè)計(jì)難度和成本。原來二極管消耗的功率(電壓)可以供給負(fù)載(如，揚(yáng)聲器)，而非消耗在二極管上，從而提高輸出功率(系統(tǒng)性能)。有些應(yīng)用要求工作在較低的電池電壓(如，汽車?yán)鋯?dòng)時(shí))，同時(shí)還要求提供電池反接保護(hù)。采用有源保護(hù)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(xiàn)出相對(duì)較高的靜態(tài)電流和漏電流，受脈沖電壓沖擊時(shí)會(huì)顯著影響其使用壽命和精度。用有源保護(hù)器件取代可變電阻可以解決這一問題。由于某些應(yīng)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(hù)器件作為主開關(guān)，在休眠模式下斷開(通過P2 FET)所有后續(xù)負(fù)載(圖9)。
圖9. MAX16013/MAX16014用作主開關(guān)控制，在ECU關(guān)閉時(shí)有助于降低靜態(tài)電流損耗。
總結(jié)
有源過壓保護(hù)器在許多應(yīng)用中占據(jù)一定的優(yōu)勢(shì)，這些器件能夠大大降低系統(tǒng)功耗、提高輸出功率(改善系統(tǒng)性能)、降低系統(tǒng)的工作電壓(冷啟動(dòng))，并具有較低的靜態(tài)電流，降低了對(duì)后續(xù)被保護(hù)電路的額定電壓要求。
1相關(guān)器件：MAX6397/MAX6398/MAX6399，MAX6495–MAX6499。
MAX6397/MAX6398/MAX6399 pdf:http://www.ttokpm.com/soft/39/2009/2009012216255.html
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