有源高壓瞬態(tài)保護(hù)器設(shè)計(jì)

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

為了避免在難以接近的ECU部位更換保險(xiǎn)絲，或保證ECU的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須采取其它技術(shù)，如額外的串聯(lián)保護(hù)。圖6電路可使ECU免遭電池反接以及瞬態(tài)負(fù)壓(D2)、高于TVS二極管(D1)擊穿電壓的正向過壓脈沖(拋負(fù)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(fù)脈沖最大值。

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

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(duì)電路板面積要求苛刻，并且后續(xù)電路對(duì)正向、反向過壓有一定容限的系統(tǒng)。圖7所示電路能夠?qū)罄m(xù)電路提供有效的過壓脈沖保護(hù)(正向和負(fù)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(fù)瞬態(tài)電壓。

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

分立保護(hù)電路的優(yōu)缺點(diǎn)

上述所有電路各有其優(yōu)缺點(diǎn)，圖5所示電路是一個(gè)簡單的瞬態(tài)保護(hù)電路，只包含一個(gè)TVS管、一個(gè)濾波電容和一個(gè)保險(xiǎn)絲，但缺點(diǎn)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(dòng)時(shí)該電壓通常是電池電壓的2倍(經(jīng)常>26V，持續(xù)時(shí)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(dǎo)通，隨后會(huì)因?yàn)檫B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(huì)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(fù)載時(shí)會(huì)使后續(xù)電路的電壓達(dá)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(fù)雜化，而這些電路通常只能工作在汽車標(biāo)稱工作電壓的上限(大約17V)。高壓半導(dǎo)體器件或其它元件價(jià)格昂貴，會(huì)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(dòng)電壓)的TVS管。由此可能引發(fā)在接近擊穿電壓時(shí)(甚至在12V汽車標(biāo)稱電壓下)產(chǎn)生較大的漏電流。汽車引擎停止工作時(shí)，這一漏電流使得ECU設(shè)計(jì)人員很難達(dá)到OEM(設(shè)備生產(chǎn)商)對(duì)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(huì)產(chǎn)生兩方面的問題：

壓降會(huì)產(chǎn)生一定的功耗。

ECU很難工作在低壓狀態(tài)。

對(duì)于大電流應(yīng)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(duì)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(gè)或雙肖特基二極管在某些應(yīng)用中可以減緩這個(gè)問題。假定壓降為0.5V，在10A負(fù)載電流時(shí)，雙肖特基二極管的功耗為5W。這依然是一個(gè)難以接受的功耗，設(shè)計(jì)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(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。例如，在一個(gè)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(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電壓。而為了避免電池反接，系統(tǒng)中會(huì)在電源上增加一個(gè)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(duì)于2Ω的橋接揚(yáng)聲器)。

汽車在寒冷環(huán)境下啟動(dòng)時(shí)，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(huì)影響系統(tǒng)工作。冷啟動(dòng)時(shí)，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(huì)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(hù)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(gè)壓差為500mV的線性穩(wěn)壓器供電，這時(shí)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(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，丟失存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)或?qū)е抡麄€(gè)ECU死機(jī)。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)是一個(gè)比較典型的例子：汽車啟動(dòng)之前輸入目的地址，系統(tǒng)必須保證在以后的冷啟動(dòng)過程中不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。

對(duì)于圖7所示包含可變電阻的應(yīng)用，通常對(duì)電路板面積要求非常嚴(yán)格。與TVS管一樣，根據(jù)具體應(yīng)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(dāng)電壓高于擊穿電壓時(shí)，可變電阻的VI特性曲線相對(duì)于TVS二極管要緩慢得多(圖4)。因此，可變電阻相對(duì)TVS管會(huì)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(shè)置在相對(duì)較低的電平，保持盡可能低的過壓保護(hù)點(diǎn)，又會(huì)增大正常工作時(shí)的靜態(tài)電流。標(biāo)稱電壓下的靜態(tài)電流通常高于TVS管，實(shí)際效果與具體元件選擇有關(guān)。

有源瞬態(tài)保護(hù)方案

考慮到以上分立保護(hù)電路的諸多缺點(diǎn)，有源保護(hù)電路提供了一個(gè)更好的選擇。對(duì)于要求低靜態(tài)電流、低工作電壓并具有電池反接保護(hù)和過壓保護(hù)的方案，可以選擇MAX16013/MAX16014¹過壓保護(hù)/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(gè)外部pFET功率開關(guān)在故障條件下斷開負(fù)載的連接。外部MOSFET在5.5V和所設(shè)置的上限電源電壓之間導(dǎo)通，上限電壓可通過連接在SET引腳的分壓電阻調(diào)節(jié)，范圍通常在20V至28V之間。

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

發(fā)生故障時(shí)，F(xiàn)ETP2有兩種不同模式。第一種模式下，P2僅僅相當(dāng)于一個(gè)簡單的開關(guān)，在過壓條件下斷開開關(guān)，從而避免高壓對(duì)下游器件的破壞。第二種模式下，P2相當(dāng)于可調(diào)節(jié)的瞬態(tài)抑制器，將輸出電壓鉗制在所允許的最大過壓點(diǎn)。