【導(dǎo)讀】汽車行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè),是當(dāng)今世界衡量一個(gè)國家發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。汽車的發(fā)展給整個(gè)人類帶來了巨大的變化,汽車技術(shù)也取得了令人矚目的進(jìn)步。本文主要從汽車電路的特點(diǎn)入手,設(shè)計(jì)一款能夠保護(hù)汽車用電設(shè)備的保護(hù)電路,以便使汽車用電設(shè)備工作在額定電壓下,保證汽車電器正常運(yùn)行。
車環(huán)境對電子產(chǎn)品而言是非常苛刻的：任何連接到12V電源上的電路都必須工作在9V至16V的標(biāo)稱電壓范圍內(nèi)，其它需要迫切應(yīng)對的問題包括負(fù)載突降、冷車發(fā)動(dòng)、電池反向、雙電池助推、尖峰信號、噪聲和極寬的溫度范圍。在負(fù)載突降時(shí)，交流發(fā)電機(jī)的輸出電壓迅速升高到60V或更高的電壓；冷車發(fā)動(dòng)指的是在低溫時(shí)起動(dòng)汽車，這會(huì)引起電池電壓下降至6V或更低；電池反向是在激活一個(gè)沒電的電池時(shí)，由于粗心地將電纜極性接反造成的。很多牽引車都配備兩個(gè)串聯(lián)起來的12V電池，以在寒冷的天氣中幫助起動(dòng)一個(gè)電池沒電的汽車。這將使電氣系統(tǒng)的電壓范圍提高到了28V，直到汽車起動(dòng)且牽引車司機(jī)斷開跨接電纜為止。
無源保護(hù)電路
用于汽車電子產(chǎn)品的無源保護(hù)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。與此相同或類似的電路廣泛用于保護(hù)與汽車 12V 總線連接的各種系統(tǒng)。這種網(wǎng)絡(luò)防止高壓尖峰、持續(xù)過壓、電池反向和電流過度消耗造成損害。圖1的電流保護(hù)作用很明顯，如果負(fù)載電流超過1A的時(shí)間很長，保險(xiǎn)絲F1就會(huì)熔化。D1與F1結(jié)合防止電池反向連接造成損害，大電流流經(jīng)正向偏置的D1并燒斷保險(xiǎn)絲。電解電容器大約在額定電壓的150%時(shí)有一個(gè)有趣的特性：隨著終端電壓的提高，這種電容消耗的電流也越來越大，就C1而言，它在輸入持續(xù)升高時(shí)起箝位作用（最終燒斷保險(xiǎn)絲）。雙電池助推時(shí)的電壓為28V左右，這不會(huì)燒斷保險(xiǎn)絲，因?yàn)镃1 25V的額定值足夠高，額外消耗的電流很少。電感器增加了很小的電阻，以限制峰值故障電流以及輸入瞬態(tài)的轉(zhuǎn)換率，從而在存在尖峰時(shí)幫助C1實(shí)現(xiàn)箝位。
圖 1：以簡單性為特點(diǎn)的無源保護(hù)網(wǎng)絡(luò)
無源網(wǎng)絡(luò)的主要缺點(diǎn)是它依靠燒斷保險(xiǎn)絲來防止過流、過壓和電池反向造成的損害。還有一個(gè)缺點(diǎn)是，它是依靠電解電容實(shí)現(xiàn)箝位的。這種電容器老化以后，電解質(zhì)會(huì)變干，等效串聯(lián)電阻（ESR）提高的特性也就消失了，這會(huì)損害箝位效果。有時(shí)D1采用大的齊納二極管以幫助這個(gè)電容器發(fā)揮作用。人們已經(jīng)設(shè)計(jì)出了有源電路來克服這些缺點(diǎn)。
有源電路
圖2顯示了一個(gè)有源解決方案，該方案用于屏蔽敏感電路，使其免受變化不定的12V汽車系統(tǒng)的影響。采用LT1641來驅(qū)動(dòng)輸入N溝道 MOSFET，而上述提供無源解決方案就不具備這種附加保護(hù)：首先，LT1641在輸入低于9V時(shí)斷開負(fù)載，以防在低輸入電壓時(shí)系統(tǒng)失靈，并在起動(dòng)時(shí)或充電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，減少系統(tǒng)向非關(guān)鍵負(fù)載提供寶貴的電流的機(jī)會(huì)；其次，LT1641在首次加電時(shí)逐漸升高輸出電壓，對負(fù)載實(shí)行軟啟動(dòng)；第三，通過限流和定時(shí)斷路器保護(hù)輸出免受過載和短路影響。如果發(fā)生電流故障，斷路器就以1至2Hz的速率自動(dòng)重新嘗試建立連接，可以設(shè)定保護(hù)電路上行線路保險(xiǎn)絲的容限，讓它在LT1641的下行線路出現(xiàn)電流故障時(shí)不熔化；最后，圖2所示電路隔離出現(xiàn)在輸入端的過壓狀態(tài)，同時(shí)提供箝位輸出，以便負(fù)載電路在出現(xiàn)過壓時(shí)能繼續(xù)正常工作。
在12V輸入的通常情況下，LT1641將MOSFET的柵極充電至大約20V以充分提升MOSFET的電壓，并向負(fù)載提供電源。27V齊納二極管D1的兩端分別連接?xùn)艠O與地，但是在9至16V的工作電壓范圍內(nèi)不起作用。當(dāng)輸入升高到超過16V時(shí)，LT1641繼續(xù)給MOSFET的柵極充電，試圖保持MOSFET完全接通。如果輸入升得太高，齊納二極管就會(huì)對MOSFET的柵極箝位，并將輸出電壓限制在大約24V。LT1641本身在其輸入端能夠處理高達(dá)100V的電壓，而且不受柵極箝位動(dòng)作的影響。柵極箝位電路比無源解決方案的箝位電路精確得多，而且簡單地通過選擇一個(gè)具有合適擊穿電壓的D1，就可以輕松調(diào)整柵極箝位電路以滿足負(fù)載要求。
圖2所示電路在負(fù)載電流高達(dá)1A左右時(shí)工作得很好，但是就更高的負(fù)載電流而言，推薦使用圖3所示電路來防止MOSFET過度消耗功率。如果過壓狀態(tài)持續(xù)存在，如電氣系統(tǒng)由兩個(gè)串聯(lián)電池供電的時(shí)間超過通常所需時(shí)間，或負(fù)載突降后電流慢速上升以及MOSFET較小時(shí)，那么過度消耗功率是有風(fēng)險(xiǎn)的。輸出由D1和D2取樣，如果輸入超過16.7V，那么就向“SENSE”引腳反饋一個(gè)信號，以將輸出穩(wěn)定在16.7V。這里的調(diào)節(jié)比圖1所示電路的調(diào)節(jié)更精確，并且可以通過選擇合適的齊納二極管輕松定制，以滿足負(fù)載的需求。
圖 2：過壓瞬態(tài)保護(hù)器將輸出箝位在24V左右，如果輸入降至低于9V就斷接
總的功耗由“TIMER”引腳限制，這個(gè)引腳記錄MOSFET調(diào)節(jié)輸出所用的總時(shí)長。如果過壓狀態(tài)持續(xù)超過15ms，那么 LT1641就停機(jī)并允許MOSFET停止輸出調(diào)節(jié)。在大約半秒鐘以后，該電路嘗試重新啟動(dòng)。這種重啟周期一直持續(xù)，直到過壓狀態(tài)消失并恢復(fù)正常工作為止。處理過流故障的方法與圖2描述的方法相同。
電池反向保護(hù)
簡單地增加一個(gè)串聯(lián)二極管，就可以給圖2或圖3所示電路增加電池反向保護(hù)功能。
圖 3：調(diào)整箝位電壓以在輸入浪涌上升時(shí)箝位，保護(hù)MOSFET免受功率過度消耗的影響
在大多數(shù)情況下，采用普通p-n二極管就可以，如果正向壓降很重要，可以選擇肖特基二極管。在隔離二極管中的功耗不可接受的關(guān)鍵應(yīng)用中，圖4所示的簡單電路就可以解決這個(gè)問題。
圖 4：用于圖2和圖3的電池反向保護(hù)
在正常工作情況下，MOSFET Q2的體二極管正向偏置，并傳送功率至LT1641。LT1641接通時(shí)，Q2柵極獲得驅(qū)動(dòng)，從而完全接通。如果輸入反向，那么Q3的射極就被拉低至低于地電平，Q3接通，從而將Q2的柵極拉低并保持其接近Q2的源極電平。在這種情況下，Q2保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，并隔離反向輸入，使其不能到達(dá)LT1641和負(fù)載電路。微安級電流流經(jīng)1MΩ電阻，到達(dá)LT1641的“GATE”引腳。
高壓LDO用作電壓限幅器
最高輸入電壓額定值為25V或更低的降壓穩(wěn)壓器（如LT1616一般不考慮用于汽車應(yīng)用。然而，如果與LT3012B/LT3013B等低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器結(jié)合使用，在輸入電壓上的缺點(diǎn)就可以輕松克服。這種尺寸小、效率高的組合如圖5所示，可以在汽車環(huán)境中提供3.3V輸出。
圖 5：LT3013B用作電壓限幅器
LT3013B擁有4V至80V的寬輸入電壓范圍，并集成了電池反向保護(hù)功能，無需特殊電壓限制或箝位電路，因此節(jié)省了成本和電路板面積。在以適中的負(fù)載電流工作時(shí)，LDO穩(wěn)壓器的效率近似等于VOUT/VIN。如果VOUT比VIN低得多，那么LDO的效率就會(huì)下降。例如，將12V 輸入降至3.3V輸出時(shí)，效率僅為28%。
在圖5中，通過讓LT3013B在正常輸入電壓范圍內(nèi)以低壓差方式工作實(shí)現(xiàn)更高的效率。在這種情況下，LT3013B的輸出電壓設(shè)定為 24V。該LDO的輸出電壓僅比VIN低400mV，它以97%的效率為LT1616降壓型穩(wěn)壓器供電，而且電壓恰好在正常工作電壓范圍的中間。在負(fù)載突降情況下，VIN可能迅速升至高達(dá)80V，但是在VIN超過24.4V時(shí)，LT3013B將調(diào)整它的輸出，并將其有效地“限制”在24V，這剛好在 LT1616開關(guān)的額定電壓范圍內(nèi)。如果VIN上升至高于24.4V，該LDO的效率會(huì)下降，但是這種情況持續(xù)時(shí)間很短，不會(huì)產(chǎn)生什么不良后果。LT1616將LT3013B受到限制的輸出轉(zhuǎn)換為3.3V。在12V輸入時(shí)，該開關(guān)的效率大約為80%。在冷車發(fā)動(dòng)時(shí)，汽車的電壓可能降低至5V。在這種情況下，LT1616的輸入電壓為4.6V，恰好處于它的工作電壓范圍之內(nèi)。LT3013B LDO穩(wěn)壓器與LT1616開關(guān)結(jié)合，在不犧牲效率的前提下，可在12V汽車電氣系統(tǒng)典型的寬工作電壓范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的3.3V輸出。
一個(gè)集成度更高的解決方案是LT3437。LT3437是一個(gè)200kHz的單片降壓型穩(wěn)壓器，它的輸入電壓范圍為3.3V至80V。其在無負(fù)載時(shí)的100uA低靜態(tài)電流是今天始終保持接通系統(tǒng)所必需的?？梢栽贚T3437的輸入端串聯(lián)一個(gè)低成本的二極管以提供電池反向保護(hù)。
總結(jié)
電路保護(hù)往往不僅僅是選一、兩個(gè)合適的器件那么簡單。在設(shè)計(jì)中，首先要對可能出現(xiàn)的異常情況逐一分析，選擇合適的保護(hù)方案。合適是指在滿足保護(hù)要求的條件下，均衡成本、風(fēng)險(xiǎn)、工藝、品質(zhì)以及空間諸因素所得到的優(yōu)化方案。好的保護(hù)方案既能提高產(chǎn)品的可靠性，又能降低總體成本。合理的硬件保護(hù)，是提高汽車質(zhì)量,保障汽車安全運(yùn)行的有力保證。
