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，在這些保護電路中使用有源保護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。本文詳細(xì)討論了有源方案相對于傳統(tǒng)保護電路的優(yōu)勢。
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直接或通過啟動開關(guān)由汽車電池供電。即使在常規(guī)操作中也會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。干擾源包括啟動系統(tǒng)、交流電機、負(fù)載切換、開關(guān)抖動以及“拋負(fù)載” (即直流電機運行過程中切斷電源，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)生在引擎正在運轉(zhuǎn)的過程中，在交流電機正在給電池充電時斷開電池連接。產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓幅度取決于斷開連接時交流電機的轉(zhuǎn)速和場激勵的大小。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、冷啟動、電池反接

另外一個風(fēng)險是啟動過程中存在的“雙電池”電壓，此時電纜跳接到另一組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)啟動引擎時，特別是在寒冷天氣，電池沒有充滿的情況下，機油變得非常粘稠，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。這種跌落會持續(xù)數(shù)十毫秒，引起電子系統(tǒng)短時間掛起(圖2)。一旦引擎啟動，電壓將返回至標(biāo)稱值。


圖2. 汽車?yán)鋯訒r的典型電壓波形

另外一個值得注意的因素是，當(dāng)電池連接錯誤時，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

上述異常條件促使設(shè)計人員選擇適當(dāng)?shù)谋Ｗo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，目前有兩種保護措施：

• 在所有汽車交流電機內(nèi)部采用中心電壓鉗位(中心拋負(fù)載抑制，圖1b)。
• 為每個ECU提供保護電路。

系統(tǒng)仍然需要第二級抑制電路，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、反向保護二級管或者是與瞬態(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)電機的內(nèi)部鉗位電路(二極管)實現(xiàn)，用于吸收拋負(fù)載能量，承受啟動時的電池電壓。盡管采取了鉗位措施，如果將鉗位電壓設(shè)置在最大啟動電壓以上，將無法達(dá)到鉗位的目的，汽車電壓仍會高達(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)必須采用本地保護措施，以抑制拋負(fù)載干擾信號。通常在遠(yuǎn)離連接器端，在ECU內(nèi)部增加保護電路，整個汽車內(nèi)部需要眾多的這類保護措施，過多的元件會導(dǎo)致漏電流和整體成本的增加。板上拋負(fù)載保護電路通常采用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)的板上保護電路。

標(biāo)準(zhǔn)過壓抑制器件

在板級水平有幾類器件可用于過壓鉗位。