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態(tài)范圍。根據(jù)環(huán)境的不同，一個電子元件可能要承受從 -14 V(如果電池極性倒置)到 60V(負載突降過程中)的電源電壓，而且經(jīng)歷這些電源電壓后，電子元件要完好無損。而當(dāng)需要考慮成本和效率時，這將成為一個難以實現(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)的一個有用組成部分。雖然人們在設(shè)計監(jiān)控器時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的某個被監(jiān)視的電壓輸入超出了其正常工作范圍，則立即檢測出來并通知其他的電路，以便這些電路根據(jù)所提供的信息采取相應(yīng)的行動。汽車電源環(huán)境對監(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告欠壓或過壓故障。

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，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，就無法滿足這個要求。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。在汽車里，這種電源就是電池。

相對來說，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），幾乎沒有監(jiān)控器可在電源發(fā)生 60V 負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串聯(lián)降壓電阻器。該方案具有雙重優(yōu)勢，可在任意高的電源電壓下工作，而且可固有地保護監(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，而無需任何外部元件。但是，監(jiān)控門限必須選擇內(nèi)置形式。這些選擇幾乎常常基于標準邏輯電源（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。

因為這些原因，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)控電源的一個電阻分壓器進行連接。這個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：無論其最低工作電壓可至9.5V還是僅可至10V）相匹配來選擇可接受的電源范圍。分壓器中比較大的電阻也會保護監(jiān)控輸入，使其在負載突降或其他異常事件條件下免受破壞電流的影響。

過壓與欠壓監(jiān)控

電池監(jiān)控輸入也可能需要檢測電池的過壓或欠壓情況。這兩種情況很容易發(fā)生，而且都會削弱系統(tǒng)的功能?；镜谋O(jiān)控器常常只提供欠壓監(jiān)控。如果過壓監(jiān)控門限的設(shè)置獨立于欠壓門限，則兩個具有獨立電阻分壓器的外部可調(diào)整輸入通常就必須用來檢測欠壓或過壓。 即使在正常運行期間，汽車電源電壓也有可能具有大量的高頻分量，它們來自諸如時通時斷的雨刮器馬達和車前燈等負載、交流發(fā)電機輸出所產(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)電機波紋就是不受歡迎的方式，因為它可導(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，利用監(jiān)控門限的遲滯可以解決這個問題。這常常并不是一種理想的解決方案，因為遲滯等于門限準確度的下降，這將縮短系統(tǒng)的啟動時間或要求放寬元件的工作電源范圍。

波紋問題也可通過復(fù)位超時方法來緩解，這是監(jiān)控器常有的。當(dāng)一個電源從工作范圍之外轉(zhuǎn)換到工作范圍之內(nèi)時，在指示電源良好之前，監(jiān)控器會等待一段預(yù)定的時間。如果電源在該超時周期中的任何時點再次脫離工作范圍，則超時將被復(fù)位，并在下一次電壓進入工作范圍時重新開始。定時器可避免來自輸出端的低于超時的任何高頻行為。另一方面，定時器也可通過超時周期而延遲系統(tǒng)的啟動和恢復(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)整的超時周期，以實現(xiàn)給定系統(tǒng)優(yōu)化的折衷，而其他則來自工廠編程和固定超時（一般為 200ms），這可節(jié)省用戶外部元件的設(shè)置時間。

最后，大多數(shù)模塊都將繼續(xù)通過短暫的電壓瞬變在超過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，這個瞬變的可接受周期常常隨振幅而改變。例如，一個系統(tǒng)可能要在 2V干擾條件下運行 50 s，或者在1V干擾下運行100 s。因為這個原因，許多監(jiān)控器可提供某種輸入干擾過濾，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

作為一個應(yīng)用實例，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。它有一個分流調(diào)節(jié)的電源引腳，以及為 UV 和 OV 檢測配置的外部可調(diào)輸入、多種超時選項和輸入干擾過濾。圖 1 是一個簡單的應(yīng)用。在這個應(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低態(tài)有效的故障信號，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來設(shè)定，并可以容易地進行調(diào)整，這樣，雙電池跳變起動（在此期間VCC有可能為28V）就不會被認為是一種故障條件。超時周期可以由電容器 CTMR 確定為 20ms，有助于實現(xiàn)快速啟動并抑制高于 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。如果需要獨立的過壓和欠壓故障輸出，LTC2913 可提供類似的特性但有獨立的輸出，這也可以承受較高的電壓。

當(dāng)任何一個電源電壓出現(xiàn)過壓，或者溫度傳感器的溫度高于 85℃時，兩個 LTC2909 中的一個就會拉低共享RST引腳。這將使 LT1641-2 ON 輸入降低，斷開電源開關(guān)。與此同時，通過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)，從而消除過壓條件。在故障條件消失后，在 LTC2909 再次連接到 12V 輸入之前會施加一個 200ms 的超時。

第三個LTC2909負責(zé)在三個電源中的任何一個處于欠壓狀態(tài)時向系統(tǒng)提供一個主控器復(fù)位信號，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保護故障發(fā)生跳變所致。第三個電源監(jiān)視器門限由VCC欠壓閉鎖比較器提供，該門限與可調(diào)輸入具有相似的準確度。

一個在室溫下 100k 阻值的 Dale NTHS-1206N01 NTC 熱敏電阻可用來檢測溫度，實際上它可以放置在任何需要監(jiān)控溫度的地方。這個熱敏電阻是接地的緩沖基準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 就會超過其門限，而且使RST升高。但是，如果溫度升高，熱敏電阻的阻抗就會下降，直到低至 ADJ1，在 85℃(或更高)時，其阻抗等于 RREF 就會引起復(fù)位。

電源監(jiān)控器對汽車電子系統(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)計更加簡單、迅速和經(jīng)濟劃算。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)計者的工作更加容易。