大多數(shù)車輛電子系統(tǒng)需要過壓、電池反接和瞬態(tài)保護(hù)。將有源保護(hù)器用于這些目的在功耗、優(yōu)化工作電壓限制、節(jié)省器件成本和降低靜態(tài)電流方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。本文詳細(xì)介紹了有源保護(hù)電路相對(duì)于傳統(tǒng)保護(hù)電路的優(yōu)勢(shì)。

介紹

汽車內(nèi)外產(chǎn)生的各種電氣和電磁干擾可能對(duì)車輛電子設(shè)備造成危險(xiǎn)。它們會(huì)降低性能，導(dǎo)致故障，甚至損壞電子設(shè)備。最嚴(yán)重的干擾 - 大的正負(fù)過電壓和瞬變 - 可以在車輛的電氣系統(tǒng)本身產(chǎn)生，或者由于（錯(cuò)誤的）人為交互而從外部來源施加到車輛上。

車內(nèi)產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓

在汽車網(wǎng)絡(luò)中，電子控制單元（ECU）通過線束互連。大多數(shù)ECU由汽車電池直接或通過點(diǎn)火開關(guān)供電。即使在正常運(yùn)行期間，也可能發(fā)生電氣干擾和高頻效應(yīng)，并通過傳導(dǎo)和電容或電感耦合通過線束分布到板載電子設(shè)備。干擾源包括點(diǎn)火系統(tǒng)、交流發(fā)電機(jī)、負(fù)載開關(guān)、開關(guān)反彈和“拋負(fù)載”效應(yīng)，即直流電機(jī)產(chǎn)生的電壓在運(yùn)行時(shí)與其電源斷開。

這些浪涌中最具侵略性的是所謂的“拋負(fù)載脈沖”（圖 1）。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)且電池引線斷開時(shí)，由于連接不良或交流發(fā)電機(jī)為電池充電時(shí)意外，會(huì)發(fā)生這種瞬態(tài)。瞬態(tài)的大小取決于交流發(fā)電機(jī)在斷開時(shí)的轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁。浪涌可以持續(xù)數(shù)百毫秒，并達(dá)到超過100V的水平，這對(duì)半導(dǎo)體電路可能是致命的。

圖1.典型的拋負(fù)載浪涌形狀：a） 無抑制;b） 抑制。

跨接啟動(dòng)、冷啟動(dòng)和電池反轉(zhuǎn)

另一個(gè)危險(xiǎn)是在跨接啟動(dòng)期間可以施加的“雙電池”電壓，即當(dāng)使用跨接電纜連接到具有 24V 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的另一輛車的電池時(shí)，因此您最終使用 24V 電池啟動(dòng) 12V 系統(tǒng)。考慮以下情況：您啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是在寒冷的天氣和部分充電的電池下，發(fā)動(dòng)機(jī)油變得非常濃稠。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)需要啟動(dòng)器提供更大的扭矩，這反過來又需要來自電池的更多電流。這種大電流負(fù)載會(huì)導(dǎo)致電源電壓短暫“下降”，這種下降可能會(huì)將電壓從標(biāo)稱值12V壓低至5V以下。這種減少可能持續(xù)幾十毫秒，導(dǎo)致電子系統(tǒng)暫時(shí)停止運(yùn)行（圖2）。一旦發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，電壓就會(huì)恢復(fù)到其標(biāo)稱值。

圖2.典型的車輛冷啟動(dòng)電壓形狀。

車輛電子設(shè)備必須承受的另一個(gè)危險(xiǎn)是電池極性反轉(zhuǎn)，當(dāng)電池錯(cuò)誤地連接到電氣系統(tǒng)（例如，-14V）時(shí)，可能會(huì)發(fā)生這種情況。

防止功率水平不當(dāng)

上述干擾需要防止不當(dāng)電壓。分析表明，拋負(fù)載脈沖是能量最豐富的擾動(dòng)類型。為了保護(hù)電子模塊免受該脈沖的破壞，目前使用兩種保護(hù)方法：

將所有模塊的電壓集中箝位在車輛交流發(fā)電機(jī)上（中央拋負(fù)載抑制，圖 1b）。

在每個(gè)ECU上提供保護(hù)電路。

然而，仍然需要二次抑制，以防止其他局部產(chǎn)生的低能量脈沖，如短的正負(fù)瞬變和電池反轉(zhuǎn)。這些脈沖通常僅由小型高值電容器、反極性二極管或由瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管或壓敏電阻增強(qiáng)的串聯(lián)電感在板級(jí)進(jìn)行濾波。

集中拋負(fù)載抑制通常通過交流發(fā)電機(jī)內(nèi)部的箝位電路（二極管）來實(shí)現(xiàn)。這種方法旨在吸收拋負(fù)載能量并承受全跳接啟動(dòng)電壓。因此，箝位電壓設(shè)置為高于可能發(fā)生的最大跨接啟動(dòng)電壓。在這種情況下，車輛電壓仍然可以高達(dá)36V。

不具有中央拋負(fù)載抑制功能的車輛電氣系統(tǒng)必須包括針對(duì)該拋負(fù)載脈沖的本地保護(hù)。本地保護(hù)通常通過ECU內(nèi)部的保護(hù)電路完成，就在連接器端子之外。汽車內(nèi)的許多位置都需要這種保護(hù)，因此需要大量組件，從而影響總泄漏電流和總成本。板載拋負(fù)載保護(hù)通常通過TVS二極管（類似于齊納二極管）、壓敏電阻和靜噪濾波器來實(shí)現(xiàn)，這些二極管應(yīng)連接到電源端子。

下面顯示了顯示經(jīng)典板載保護(hù)的各種示例電路。

標(biāo)準(zhǔn)過壓抑制器件

多個(gè)器件可以在板級(jí)箝位過壓。

TVS 二極管

雪崩二極管（與齊納二極管非常相似，圖3）用作箝位器件，以抑制高于其擊穿電壓的所有過電壓。其特別高的能量吸收能力可保護(hù)電子電路免受過壓尖峰和負(fù)載突降的影響。這些二極管具有非常快的導(dǎo)通時(shí)間，但關(guān)斷時(shí)間較慢。雪崩二極管對(duì)過電壓的響應(yīng)速度比其他常見的過壓保護(hù)元件（如壓敏電阻）更快。它們的性能不會(huì)隨著壽命和施加瞬變的數(shù)量而降低。當(dāng)接近其擊穿電壓時(shí)，雪崩抑制二極管表現(xiàn)出明顯的漏電流。通常這些二極管被稱為Transil，TransZorb或簡(jiǎn)稱TVS二極管。??

圖3.瞬態(tài)電壓抑制器特性（VBR= 擊穿電壓，VC= 鉗位電壓 @ 峰值脈沖電流，IP).

壓 敏 電阻

壓敏電阻是電壓相關(guān)電阻（VDR）。它們是對(duì)稱的非線性電阻元件，其電阻在超過一定電壓時(shí)會(huì)突然減小（圖 4）。在鉗位正電壓和負(fù)電壓時(shí)，它們的行為類似于兩個(gè)背靠背齊納二極管。它們以小尺寸和成本處理高水平電流和能量，但當(dāng)施加的電壓接近鉗位電壓時(shí)，它們表現(xiàn)出相對(duì)較高的漏電流。箝位電壓也隨著施加的電流而顯著增加。壓敏電阻會(huì)因反復(fù)暴露于浪涌而退化，與TVS二極管相比，通常具有更高的“鉗位電壓”和明顯較慢的反應(yīng)時(shí)間。

圖4.典型壓敏電阻特性（VC= 鉗位電壓 @ 峰值脈沖電流，IP).

分立式保護(hù)電路

保護(hù)敏感電路的一種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效的方法是將負(fù)載與箝位（如 TVS 二極管和電容器）并聯(lián)，前面有一個(gè)保險(xiǎn)絲（圖 5）。該電路可保護(hù)ECU免受高于TVS二極管（D1）擊穿電壓的瞬態(tài)過壓和拋負(fù)載電壓的影響。當(dāng)暴露于高能量負(fù)瞬變或穩(wěn)態(tài)反向電壓時(shí)，TVS在正向偏置方向上偏置，從而通過將負(fù)電壓限制在其正向偏置電壓（例如-1V）來保護(hù)下游電路。重復(fù)的低能量負(fù)瞬變，例如由繼電器或螺線管開關(guān)引起的，由電容器濾波（C羅 威).如果負(fù)或正過電壓持續(xù)存在，保險(xiǎn)絲將熔斷。

圖5.使用濾波電容器、瞬態(tài)抑制二極管和保險(xiǎn)絲的簡(jiǎn)單過壓保護(hù)電路。

為了避免更換車輛保險(xiǎn)絲盒或無法接近的ECU中的保險(xiǎn)絲，并確保ECU連續(xù)運(yùn)行，必須采用其他技術(shù)，例如額外的串聯(lián)保護(hù)。圖6所示電路可保護(hù)ECU免受電池反接條件以及大于TVS二極管（D2）擊穿電壓的瞬態(tài)負(fù)電壓（D1）和脈沖正過壓（拋負(fù)載和低能量瞬變）的影響。請(qǐng)注意，對(duì)于D2，必須選擇大于最大可能負(fù)瞬變的峰值反向電壓。

圖6.通過用二極管代替圖5中使用的保險(xiǎn)絲，該電路可提供過壓保護(hù)。它還可以防止負(fù)瞬變和反向電池連接。

由于其尺寸小、成本低、能量吸收能力強(qiáng)，壓敏電阻通常用于電路板空間至關(guān)重要且下游電路對(duì)正負(fù)過壓有一定容差的應(yīng)用。圖7所示電路保護(hù)下游電路免受大于壓敏電阻擊穿電壓的過壓脈沖（正瞬變和負(fù)瞬變）的影響。電容器有助于濾除低能量正負(fù)瞬變。

圖7.當(dāng)電路板空間有限時(shí)，如果要保護(hù)下游電路免受大于壓敏電阻擊穿電壓的過壓脈沖（正瞬變和負(fù)瞬變）的影響，可以使用壓敏電阻（在本例中為VDR）代替TVS二極管。在這種情況下，下游電路必須對(duì)正負(fù)過壓事件具有一定的容差。

分立式保護(hù)電路的優(yōu)缺點(diǎn)

上述所有電路都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。圖5所示為一個(gè)簡(jiǎn)單的瞬態(tài)保護(hù)器電路，僅由TVS、濾波電容和保險(xiǎn)絲組成。然而，這種電路有幾個(gè)缺點(diǎn)。TVS二極管的擊穿電壓必須大于現(xiàn)有的最高穩(wěn)態(tài)電壓，通常是在跳接啟動(dòng)期間施加的雙電池電壓（通常>26V，大于1分鐘）。如果使用了錯(cuò)誤的TVS二極管，TVS開始以較低的電平電壓導(dǎo)通，并被產(chǎn)生的功率破壞。

由于VI特性在擊穿電壓之上具有預(yù)定義的斜率，TVS二極管表現(xiàn)出一定的內(nèi)阻，這導(dǎo)致箝位電壓在大電流下顯著增加。例如，28V TVS二極管（如SMBJ28）允許下游電路在拋負(fù)載期間暴露在高達(dá)45V的電壓下。因此，暴露在如此高的電壓下需要使用容限為 45V 的下游電路（圖 3）。顯然，這一要求使下游ECU電路的組件選擇變得復(fù)雜，這些電路只需要在車輛正常工作電壓范圍的上限（通常約為17V）工作。最后，更高電壓的半導(dǎo)體和其他器件更大、更昂貴，增加了ECU的成本并消耗了寶貴的電路板空間。

為了保持盡可能低的最大過電壓，應(yīng)使用擊穿電壓接近盡可能高穩(wěn)態(tài)電壓（例如跨接啟動(dòng)電壓）的TVS。反過來，這種選擇會(huì)影響接近擊穿電壓的電壓下的漏電流，甚至在車輛的正常工作電壓（12V）下。這種漏電流會(huì)使ECU設(shè)計(jì)人員更難滿足OEM（原始設(shè)備制造商）在車輛發(fā)動(dòng)機(jī)不運(yùn)行時(shí)對(duì)低靜態(tài)電流的要求。

在正常工作期間，圖6（D2）中的二極管表現(xiàn)出0.7V>壓降，這在兩個(gè)方面是一個(gè)缺點(diǎn)：

壓降意味著一些功耗。

ECU的低電壓操作變得更加困難。

對(duì)于大電流應(yīng)用，例如汽車的防抱死制動(dòng)系統(tǒng)，消耗的電流很容易超過10A。例如，該系統(tǒng)中1V的二極管壓降消耗10W，這幾乎不可能在電路板的有限幾何形狀上耗散。在某些應(yīng)用中，使用單肖特基或雙肖特基二極管可以緩解這個(gè)問題。假設(shè)壓降為0.5V，雙肖特基二極管在5A負(fù)載電流下的功耗為10W。然而，這個(gè)值仍然很高，并且可能迫使設(shè)計(jì)人員使用大散熱器。

如上所述，二極管壓降的電壓損失本身就是一個(gè)問題。例如，在 14.4V 音頻系統(tǒng)中，通過最大化可用于驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的電壓來最大化輸出功率。因此，電池反接二極管引起的電源損耗為1V，相當(dāng)于輸出功率損耗約為8.4dBW（對(duì)于2Ω橋接揚(yáng)聲器）。

當(dāng)ECU必須在低溫環(huán)境溫度下啟動(dòng)車輛時(shí)低至低電壓水平時(shí)（圖2）時(shí)，任何電壓的損失都可能至關(guān)重要。在冷啟動(dòng)期間，5.5V或更低的輸入電壓在汽車制造商規(guī)格中很常見。電池反接二極管的正向壓降會(huì)消耗寶貴的裕量。例如，如果ECU輸入連接器處的汽車電池電壓降至5.5V，減去電池反接二極管的0.7V二極管壓降，則其余電路的剩余電壓僅為4.8V。

如果5V微控制器由壓差為500mV的線性穩(wěn)壓器供電，則微控制器僅接收4.3V電壓，這可能不足以保持其工作電壓。微控制器可能會(huì)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)、丟失內(nèi)存或?qū)е抡麄€(gè)ECU暫時(shí)暫停操作。這個(gè)問題的一個(gè)例子可以用GPS導(dǎo)航系統(tǒng)看到——如果你在啟動(dòng)汽車之前輸入目的地的坐標(biāo)，那么在隨后的冷啟動(dòng)過程中，數(shù)據(jù)不會(huì)丟失是至關(guān)重要的。

對(duì)于包含壓敏電阻的應(yīng)用，如圖7所示，電路板空間通常至關(guān)重要。與TVS二極管一樣，壓敏電阻鉗位電壓必須根據(jù)存在的最高穩(wěn)態(tài)直流電壓進(jìn)行選擇。然而，壓敏電阻高于其擊穿電壓的VI特性上升速度比TVS二極管慢得多（圖4）。因此，壓敏電阻向后續(xù)電路傳遞的電壓比TVS二極管高得多。下游電路應(yīng)相應(yīng)地設(shè)計(jì)，這可能需要增加元件成本、封裝尺寸和電路板空間消耗。

通過將鉗位電壓設(shè)置為相對(duì)較低的水平來最小化過壓，會(huì)降低正常工作條件下消耗的靜態(tài)電流。正常工作電壓下的靜態(tài)電流通常高于同類TVS二極管，但這種影響取決于所選的元件。

有源瞬態(tài)保護(hù)替代方案

鑒于分立保護(hù)電路的上述缺點(diǎn)，主動(dòng)保護(hù)可能是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。適用于需要低靜態(tài)電流、低電壓工作、電池反接和過壓保護(hù)以及高效率的應(yīng)用，以及MAX16013/MAX16014等過壓保護(hù)電路1都是不錯(cuò)的選擇。

這些器件的工作原理非常簡(jiǎn)單（圖 8）。這些IC監(jiān)視電源軌上的輸入電壓，并通過控制兩個(gè)外部pFET調(diào)整開關(guān)將負(fù)載與故障隔離開來。外部 MOSFET 在 5.5V 和設(shè)定的上軌之間導(dǎo)通，可通過 SET 引腳上的電阻分壓器調(diào)節(jié)至 20V 至 28V 之間的值（通常）。

圖8.MAX16013和MAX16014通過監(jiān)測(cè)電源軌上的輸入電壓提供有源瞬態(tài)保護(hù)。當(dāng)它們檢測(cè)到故障時(shí)，它們通過控制兩個(gè)外部p溝道FET調(diào)整開關(guān)將負(fù)載與故障隔離開來。

在故障條件下，F(xiàn)ET P2可以以兩種不同的方式工作。在第一種模式下，P2只是一個(gè)開關(guān)，只要過壓條件持續(xù)存在，它就會(huì)關(guān)閉，從而防止高電壓損壞任何下游設(shè)備。在第二種模式下，P2充當(dāng)可調(diào)瞬態(tài)抑制器，將輸出電壓調(diào)節(jié)到允許的最大過壓。

當(dāng)輸出電壓上升到超過調(diào)整后的過壓門限時(shí)，內(nèi)部比較器將GATE2拉至V抄送.當(dāng)監(jiān)控電壓低于過壓門限時(shí)，p溝道MOSFET （P2）再次導(dǎo)通。此過程繼續(xù)將輸出端的電壓調(diào)節(jié)到大約 5% 的窗口內(nèi)。輸出電壓在過壓瞬變期間得到調(diào)節(jié);MOSFET （P2） 在過壓事件期間繼續(xù)導(dǎo)通，以開關(guān)線性模式工作，從而允許連續(xù)工作，同時(shí)提供過壓保護(hù)。

通過將SET引腳上的電阻分壓器連接到輸入或輸出來選擇工作模式。例如，MAX16013配置為過壓關(guān)斷器件，將電阻分壓器連接至V。抄送而不是負(fù)載。然而，MAX16014保持MOSFET （P2）閉鎖，直到輸入電源循環(huán)或EN切換。MAX16013長(zhǎng)時(shí)間在限壓器模式下工作，由于外部MOSFET兩端的壓降，會(huì)提高其功耗。

圖1中的電池反接FET（P8，可選）取代了圖6中建議的串聯(lián)二極管。在圖8中，P1在正向偏置條件下導(dǎo)通，以最大限度地減小正向壓降;它在負(fù)電壓時(shí)關(guān)閉。EN引腳通過關(guān)斷P2并斷開輸入與輸出的連接來提供關(guān)斷控制（圖8和圖9）。（注意：EN引腳的信號(hào)可以由主機(jī)系統(tǒng)中的其他監(jiān)控電路產(chǎn)生。因此，下游電路中的靜態(tài)電流降至最小值（典型值<20μA），同時(shí)電路保持電池反接保護(hù)（P1）。

有源高壓瞬態(tài)保護(hù)器與傳統(tǒng)方法相比具有優(yōu)勢(shì)

有源過壓保護(hù)器具有多種優(yōu)勢(shì)。

如上所述，分立瞬態(tài)抑制器（TVS二極管或壓敏電阻）的擊穿電壓應(yīng)高于車輛中的最高穩(wěn)態(tài)電壓（通常約為26V）。在拋負(fù)載事件期間，由于TVS的內(nèi)阻和VI上升特性，下游電路暫時(shí)看到更高的電壓（估計(jì)為45V）。因此，必須選擇能夠承受更高電壓的下游器件。與傳統(tǒng)方法相比，有源瞬態(tài)保護(hù)器將輸出電壓限制在電阻分壓器設(shè)定的水平（例如26V），并且沒有上升特性。這些功能允許您使用成本更低（電壓更低）的下游組件。

普通浪涌抑制器在過熱前只能短時(shí)間處理幾焦耳，而基于MAX16013/MAX16014的解決方案可防止直流過壓。某些應(yīng)用只需工作到正常工作電壓范圍的上限，然后關(guān)閉。 （例如，音頻系統(tǒng)可能只能工作到17V。在這種情況下，使用有源保護(hù)器并將電壓限制器/開關(guān)的閾值設(shè)置為此電平，可以進(jìn)一步降低下游器件的成本。

用FET代替標(biāo)準(zhǔn)電池反接二極管可以將正向偏置的壓降降低到毫伏級(jí)。特別是在大電流應(yīng)用中，這種替代可以降低功耗，從而減少冷卻工作量并節(jié)省成本。此外，原本會(huì)在二極管中損失的功率（電壓）被輸送到負(fù)載（例如揚(yáng)聲器）。通過這種方式可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的輸出功率（性能）。一些應(yīng)用必須在低電池電壓下運(yùn)行（例如，當(dāng)汽車?yán)鋯?dòng)時(shí)），并且仍然保持電池反接保護(hù)。使用有源保護(hù)器將壓降降至最低對(duì)于保持電路在低輸入電壓下工作至關(guān)重要。

壓敏電阻往往表現(xiàn)出相對(duì)較高的靜態(tài)或漏電流，并且由于脈沖暴露，其壽命和精度會(huì)顯著降低。用有源保護(hù)器代替壓敏電阻可以避免這個(gè)問題。由于連接到電池軌的設(shè)備中的漏電流，某些應(yīng)用具有高靜態(tài)電流。在這些情況下，有源保護(hù)器可以用作主開關(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)，以降低ECU處于關(guān)斷模式時(shí)的靜態(tài)電流消耗。

總結(jié)

在某些應(yīng)用中，使用有源過壓保護(hù)器可能是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。這些器件在降低功耗、輸出功率增益（性能）、低電壓操作（冷啟動(dòng)）、降低靜態(tài)電流和降低下游電路成本方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

審核編輯：郭婷