汽車系統(tǒng)電源監(jiān)控器的選擇和使用

汽車電源面臨的挑戰(zhàn)

汽車電源系統(tǒng)面臨著諸多的挑戰(zhàn)，這使得汽車電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)變得更加困難。在這些挑戰(zhàn)中，首屈一指的就是電池系統(tǒng)有可能使由其供電的電子元件承受非常寬的電壓和動(dòng)態(tài)范圍。根據(jù)環(huán)境的不同，一個(gè)電子元件可能要承受從 -14 V(如果電池極性倒置)到 60V(負(fù)載突降過(guò)程中)的電源電壓，而且經(jīng)歷這些電源電壓后，電子元件要完好無(wú)損。而當(dāng)需要考慮成本和效率時(shí)，這將成為一個(gè)難以實(shí)現(xiàn)的要求。

汽車電源監(jiān)控系統(tǒng)

電源監(jiān)控器集成電路可成為許多汽車電源系統(tǒng)的一個(gè)有用組成部分。雖然人們?cè)谠O(shè)計(jì)監(jiān)控器時(shí)為其賦予了面向各種潛在應(yīng)用的眾多功能，但是，其功能基本上可以歸結(jié)為：一旦IC的某個(gè)被監(jiān)視的電壓輸入超出了其正常工作范圍，則立即檢測(cè)出來(lái)并通知其他的電路，以便這些電路根據(jù)所提供的信息采取相應(yīng)的行動(dòng)。汽車電源環(huán)境對(duì)監(jiān)控器的選擇有特殊的限制。下面將深入分析這些要求。

監(jiān)控器應(yīng)盡可能直接由電池電壓供電。

監(jiān)控器至少應(yīng)能夠監(jiān)控像電池電壓一樣高的電壓，而且在滿足應(yīng)用容差性的條件下報(bào)告欠壓或過(guò)壓故障。

監(jiān)控器必須能正常處理汽車系統(tǒng)中比較高的干擾和其他高頻含量。

另一方面，汽車系統(tǒng)通常不像其他應(yīng)用（如手持設(shè)備）那樣受到功率的限制，所以監(jiān)控器的選擇稍微容易一些。這意味著，如果可提供更適合應(yīng)用的特性和性能，一個(gè)具有較高靜態(tài)電流的監(jiān)控器能被使用。 當(dāng)使用高可用的電源供電時(shí)，監(jiān)控器將最有效地工作。監(jiān)控器需要確保將其監(jiān)控的所有電源中發(fā)生的任何異常情況通知給系統(tǒng)中的所有其他電路。很顯然，如果監(jiān)控器本身不能供電，就無(wú)法滿足這個(gè)要求。因此，為獲得最好的可靠性，監(jiān)控器應(yīng)該由一種在所有條件下都可工作的電源供電。在汽車?yán)?，這種電源就是電池。

相對(duì)來(lái)說(shuō)，很少有監(jiān)控器可在 12V電源下直接工作（大部分應(yīng)該是5V），幾乎沒(méi)有監(jiān)控器可在電源發(fā)生 60V 負(fù)載突降的情況下幸免于難。某種類型的電源穩(wěn)壓器可以用來(lái)使監(jiān)控器避免受到高電源電壓的影響。理想的情況是，這個(gè)穩(wěn)壓器本身包括在監(jiān)控器內(nèi)，以減少監(jiān)控器解決方案所使用的元件數(shù)量和占板空間。由于很難（最好條件下）找到一種可承受負(fù)載突降的內(nèi)置穩(wěn)壓器，所以具有分流調(diào)節(jié)電源功能的元件是最好的選擇。這些元件通常在電源引腳上有一個(gè)內(nèi)置的齊納二極管（或相等的器件），可保持電源電壓處于合理狀態(tài)，并且在電池和電源引腳之間需要一個(gè)串聯(lián)降壓電阻器。該方案具有雙重優(yōu)勢(shì)，可在任意高的電源電壓下工作，而且可固有地保護(hù)監(jiān)控器免受電池反向的影響。

監(jiān)控方式

在許多汽車系統(tǒng)中，監(jiān)控器的一個(gè)重要功能就是監(jiān)控電池電壓，使電池電壓維持在系統(tǒng)電路可接受的工作范圍內(nèi)。監(jiān)控器可監(jiān)控來(lái)自兩方面的輸入：內(nèi)部設(shè)置或外部調(diào)整。內(nèi)置門限允許用戶可直接將監(jiān)控輸入引腳與被監(jiān)控的電源連接起來(lái)，而無(wú)需任何外部元件。但是，監(jiān)控門限必須選擇內(nèi)置形式。這些選擇幾乎常?；跇?biāo)準(zhǔn)邏輯電源（5V 以下），因此常常不適合電池監(jiān)控。此外，如果把監(jiān)控輸入引腳直接連接到電池上，就必須承受 60V 的尖峰電壓。

因?yàn)檫@些原因，外部可調(diào)整輸入通常是一種更好的選擇。調(diào)整輸入的固定門限比較低，大約為 0.5V，但卻是高阻抗輸入，所以可與被監(jiān)控電源的一個(gè)電阻分壓器進(jìn)行連接。這個(gè)分壓器中的這些電阻器可以設(shè)置在任意高的電壓監(jiān)控門限值。外部分壓器還提供了一種靈活性，即能夠?qū)ｉT與所研究系統(tǒng)的特性（例如：無(wú)論其最低工作電壓可至9.5V還是僅可至10V）相匹配來(lái)選擇可接受的電源范圍。分壓器中比較大的電阻也會(huì)保護(hù)監(jiān)控輸入，使其在負(fù)載突降或其他異常事件條件下免受破壞電流的影響。

過(guò)壓與欠壓監(jiān)控

電池監(jiān)控輸入也可能需要檢測(cè)電池的過(guò)壓或欠壓情況。這兩種情況很容易發(fā)生，而且都會(huì)削弱系統(tǒng)的功能?；镜谋O(jiān)控器常常只提供欠壓監(jiān)控。如果過(guò)壓監(jiān)控門限的設(shè)置獨(dú)立于欠壓門限，則兩個(gè)具有獨(dú)立電阻分壓器的外部可調(diào)整輸入通常就必須用來(lái)檢測(cè)欠壓或過(guò)壓。 即使在正常運(yùn)行期間，汽車電源電壓也有可能具有大量的高頻分量，它們來(lái)自諸如時(shí)通時(shí)斷的雨刮器馬達(dá)和車前燈等負(fù)載、交流發(fā)電機(jī)輸出所產(chǎn)生的紋波以及各種形式的EMI。監(jiān)控器處理高頻含量的形式可嚴(yán)重影響該監(jiān)控器的有效性。例如，接近工作范圍邊緣電源電壓的交流發(fā)電機(jī)波紋就是不受歡迎的方式，因?yàn)樗蓪?dǎo)致微處理器復(fù)位引腳以幾千赫的頻率跳變。從某種程度上說(shuō)，利用監(jiān)控門限的遲滯可以解決這個(gè)問(wèn)題。這常常并不是一種理想的解決方案，因?yàn)檫t滯等于門限準(zhǔn)確度的下降，這將縮短系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間或要求放寬元件的工作電源范圍。

波紋問(wèn)題也可通過(guò)復(fù)位超時(shí)方法來(lái)緩解，這是監(jiān)控器常有的。當(dāng)一個(gè)電源從工作范圍之外轉(zhuǎn)換到工作范圍之內(nèi)時(shí)，在指示電源良好之前，監(jiān)控器會(huì)等待一段預(yù)定的時(shí)間。如果電源在該超時(shí)周期中的任何時(shí)點(diǎn)再次脫離工作范圍，則超時(shí)將被復(fù)位，并在下一次電壓進(jìn)入工作范圍時(shí)重新開(kāi)始。定時(shí)器可避免來(lái)自輸出端的低于超時(shí)的任何高頻行為。另一方面，定時(shí)器也可通過(guò)超時(shí)周期而延遲系統(tǒng)的啟動(dòng)和恢復(fù)，因此要想取得平衡就必須發(fā)揮電源和微處理器的特性。一些監(jiān)控器可提供可調(diào)整的超時(shí)周期，以實(shí)現(xiàn)給定系統(tǒng)優(yōu)化的折衷，而其他則來(lái)自工廠編程和固定超時(shí)（一般為 200ms），這可節(jié)省用戶外部元件的設(shè)置時(shí)間。

最后，大多數(shù)模塊都將繼續(xù)通過(guò)短暫的電壓瞬變?cè)诔^(guò)其正常工作范圍的條件下工作，這主要取決于本地電源旁路電容器。此外，這個(gè)瞬變的可接受周期常常隨振幅而改變。例如，一個(gè)系統(tǒng)可能要在 2V干擾條件下運(yùn)行 50 s，或者在1V干擾下運(yùn)行100 s。因?yàn)檫@個(gè)原因，許多監(jiān)控器可提供某種輸入干擾過(guò)濾，以響應(yīng)電源干擾中的能量，而不僅僅是它的振幅。

LTC2909 監(jiān)控器

作為一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，考慮一下凌力爾特公司非常適合汽車環(huán)境要求的 LTC2909 監(jiān)控器。它有一個(gè)分流調(diào)節(jié)的電源引腳，以及為 UV 和 OV 檢測(cè)配置的外部可調(diào)輸入、多種超時(shí)選項(xiàng)和輸入干擾過(guò)濾。圖 1 是一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用。在這個(gè)應(yīng)用中，不論電池電壓下降到 10V 以下還是升到 16V 以上，該元件都可提供一個(gè)低態(tài)有效的故障信號(hào)，使系統(tǒng)避免因這些情況而受到影響。這些電壓由電阻器R1～R3來(lái)設(shè)定，并可以容易地進(jìn)行調(diào)整，這樣，雙電池跳變起動(dòng)（在此期間VCC有可能為28V）就不會(huì)被認(rèn)為是一種故障條件。超時(shí)周期可以由電容器 CTMR 確定為 20ms，有助于實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)并抑制高于 50Hz 頻率的周期性干擾。改變電容值可以獲得更多干擾免疫性和更快速的啟動(dòng)。如果需要獨(dú)立的過(guò)壓和欠壓故障輸出，LTC2913 可提供類似的特性但有獨(dú)立的輸出，這也可以承受較高的電壓。

當(dāng)任何一個(gè)電源電壓出現(xiàn)過(guò)壓，或者溫度傳感器的溫度高于 85℃時(shí)，兩個(gè) LTC2909 中的一個(gè)就會(huì)拉低共享RST引腳。這將使 LT1641-2 ON 輸入降低，斷開(kāi)電源開(kāi)關(guān)。與此同時(shí)，通過(guò)Q2獲得電流，接通Q1，這將觸發(fā)2N6507 SCR，并由此把12V電源放電至系統(tǒng)，從而消除過(guò)壓條件。在故障條件消失后，在 LTC2909 再次連接到 12V 輸入之前會(huì)施加一個(gè) 200ms 的超時(shí)。

第三個(gè)LTC2909負(fù)責(zé)在三個(gè)電源中的任何一個(gè)處于欠壓狀態(tài)時(shí)向系統(tǒng)提供一個(gè)主控器復(fù)位信號(hào)，而不管這種欠壓狀態(tài)是由于輸入電壓不足還是由于其中某個(gè)保護(hù)故障發(fā)生跳變所致。第三個(gè)電源監(jiān)視器門限由VCC欠壓閉鎖比較器提供，該門限與可調(diào)輸入具有相似的準(zhǔn)確度。

一個(gè)在室溫下 100k 阻值的 Dale NTHS-1206N01 NTC 熱敏電阻可用來(lái)檢測(cè)溫度，實(shí)際上它可以放置在任何需要監(jiān)控溫度的地方。這個(gè)熱敏電阻是接地的緩沖基準(zhǔn)輸出電阻分壓器的一部分。只要溫度低于85℃，熱敏電阻的阻值就比 RREF 大很多，所以 ADJ1 就會(huì)超過(guò)其門限，而且使RST升高。但是，如果溫度升高，熱敏電阻的阻抗就會(huì)下降，直到低至 ADJ1，在 85℃(或更高)時(shí)，其阻抗等于 RREF 就會(huì)引起復(fù)位。

電源監(jiān)控器對(duì)汽車電子系統(tǒng)是非常有用的。監(jiān)控器的正確使用能夠避免監(jiān)控器的異常電源條件處理這一難題，從而使得系統(tǒng)其余部分的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單、迅速和經(jīng)濟(jì)劃算。汽車電源的挑戰(zhàn)需要考慮監(jiān)控器的選擇和應(yīng)用的一些特殊問(wèn)題：大多數(shù)監(jiān)控器根本不適合汽車環(huán)境。但是，也有一些非常適合汽車應(yīng)用的監(jiān)控器。知道如何選擇和使用這些監(jiān)控器可使設(shè)計(jì)者的工作更加容易。