用有源高壓瞬態(tài)保護器替代傳統(tǒng)的汽車電子無源保護

圖5. 利用濾波電容、瞬態(tài)抑制二極管和保險絲構成的簡單過壓保護電路

為了避免在難以接近的ECU部位更換保險絲，或保證ECU的連續(xù)運轉，必須采取其它技術，如額外的串聯(lián)保護。圖6電路可使ECU免遭電池反接以及瞬態(tài)負壓(D2)、高于TVS二極管(D1)擊穿電壓的正向過壓脈沖(拋負載和低能量瞬態(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)的負脈沖最大值。

圖6. 用二極管取代圖5中的保險絲，該電路不但提供過壓保護并且提供負向瞬態(tài)電壓保護和電池反接保護。

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考慮到其小尺寸、低成本和較高的功率耗散能力，可變電阻常用于對電路板面積要求苛刻，并且后續(xù)電路對正向、反向過壓有一定容限的系統(tǒng)。圖7所示電路能夠對后續(xù)電路提供有效的過壓脈沖保護(正向和負向瞬態(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、負瞬態(tài)電壓。

圖7. 當電路板面積受限同時又需要為后續(xù)電路提供過壓保護時，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(正或負瞬態(tài)脈沖)高于可變電阻器的擊穿電壓，發(fā)生正向或負向過壓時，后續(xù)電路必須有一定的容量。

分立保護電路的優(yōu)缺點

上述所有電路各有其優(yōu)缺點，圖5所示電路是一個簡單的瞬態(tài)保護電路，只包含一個TVS管、一個濾波電容和一個保險絲，但缺點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，啟動時該電壓通常是電池電壓的2倍(經(jīng)常> 26V，持續(xù)時間超過1分鐘)。否則，如果沒有正確選用TVS，使得TVS管在較低電壓下導通，隨后會因為連續(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)生拋負載時會使后續(xù)電路的電壓達到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電路元件的選擇復雜化，而這些電路通常只能工作在汽車標稱工作電壓的上限(大約17V)。高壓半導體器件或其它元件價格昂貴，會增加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，啟動電壓)的TVS管。由此可能引發(fā)在接近擊穿電壓時(甚至在12V汽車標稱電壓下)產(chǎn)生較大的漏電流。汽車引擎停止工作時，這一漏電流使得ECU設計人員很難達到OEM (設備生產(chǎn)商)對低靜態(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，這會產(chǎn)生兩方面的問題： 壓降會產(chǎn)生一定的功耗。 ECU很難工作在低壓狀態(tài)。

對于大電流應用，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。采用單個或雙肖特基二極管在某些應用中可以減緩這個問題。假定壓降為0.5V，在10A負載電流時，雙肖特基二極管的功耗為5W。這依然是一個難以接受的功耗，設計人員不得不使用大尺寸的散熱器。

如上所述，二極管壓降本身會產(chǎn)生一定的負面影響。例如，在一個 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聲器驅動電壓。而為了避免電池反接，系統(tǒng)中會在電源上增加一個二極管，由此可能產(chǎn)生1V的壓降，使輸出功率損失約8.4dBW (對于2Ω的橋接揚聲器)。

汽車在寒冷環(huán)境下啟動時，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影響系統(tǒng)工作。冷啟動時，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微控制器通過一個壓差為500mV的線性穩(wěn)壓器供電，這時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，有可能使其進入復位狀態(tài)，丟失存儲器數(shù)據(jù)或導致整個ECU死機。GPS導航系統(tǒng)是一個比較典型的例子：汽車啟動之前輸入目的地址，系統(tǒng)必須保證在以后的冷啟動過程中不會丟失數(shù)據(jù)。

對于圖7所示包含可變電阻的應用，通常對電路板面積要求非常嚴格。與TVS管一樣，根據(jù)具體應用的最高穩(wěn)態(tài)直流電壓確定可變電阻的鉗位電壓。然而，當電壓高于擊穿電壓時，可變電阻的VI特性曲線相對于TVS二極管要緩慢得多(圖4)。因此，可變電阻相對TVS管會使后續(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。

通過將鉗位電壓設置在相對較低的電平，保持盡可能低的過壓保護點，又會增大正常工作時的靜態(tài)電流。標稱電壓下的靜態(tài)電流通常高于TVS管，實際效果與具體元件選擇有關。

有源瞬態(tài)保護方案

考慮到以上分立保護電路的諸多缺點，有源保護電路提供了一個更好的選擇。對于要求低靜態(tài)電流、低工作電壓并具有電池反接保護和過壓保護的方案，可以選擇MAX16013/MAX16014¹過壓保護/檢測電路。

此類器件的工作原理十分簡單(圖8)。IC直接監(jiān)測輸入電壓，并通過控制兩個外部pFET功率開關在故障條件下斷開負載的連接。外部MOSFET在5.5V和所設置的上限電源電壓之間導通，上限電壓可通過連接在SET引腳的分壓電阻調節(jié)，范圍通常在20V至28V之間。

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圖8. MAX16013和MAX16014可提供有源瞬態(tài)保護功能，直接監(jiān)測電源電壓，當檢測到故障時，通過控制兩個外部p溝道FET開關，斷開負載與故障電源。