汽車電子電源保護電路設計攻略 —電路圖天天讀（143）

　　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的標稱電壓范圍內(nèi)，其它需要迫切應對的問題包括負載突降、冷車發(fā)動、電池反向、雙電池助推、尖峰信號、噪聲和極寬的溫度范圍。在負載突降時，交流發(fā)電機的輸出電壓迅速升高到60V或更高的電壓；冷車發(fā)動指的是在低溫時起動汽車，這會引起電池電壓下降至6V或更低；電池反向是在激活一個沒電的電池時，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串聯(lián)起來的12V電池，以在寒冷的天氣中幫助起動一個電池沒電的汽車。這將使電氣系統(tǒng)的電壓范圍提高到了28V，直到汽車起動且牽引車司機斷開跨接電纜為止。

　　無源保護電路

　　用于汽車電子產(chǎn)品的無源保護網(wǎng)絡如圖1所示。與此相同或類似的電路廣泛用于保護與汽車 12V 總線連接的各種系統(tǒng)。這種網(wǎng)絡防止高壓尖峰、持續(xù)過壓、電池反向和電流過度消耗造成損害。圖1的電流保護作用很明顯，如果負載電流超過1A的時間很長，保險絲F1就會熔化。D1與F1結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并燒斷保險絲。電解電容器大約在額定電壓的150%時有一個有趣的特性：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)升高時起箝位作用（最終燒斷保險絲）。雙電池助推時的電壓為28V左右，這不會燒斷保險絲，因為C1 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)的轉換率，從而在存在尖峰時幫助C1實現(xiàn)箝位。

　　圖 1：以簡單性為特點的無源保護網(wǎng)絡

　　無源網(wǎng)絡的主要缺點是它依靠燒斷保險絲來防止過流、過壓和電池反向造成損害。另一個缺點是，它依靠電解電容實現(xiàn)箝位。這種電容器老化以后，電解質(zhì)會變干，等效串聯(lián)電阻（ESR）提高的特性也就消失了，這會損害箝位效果。有時D1采用大的齊納二極管以幫助這個電容器發(fā)揮作用。人們已經(jīng)設計出了有源電路來克服這些缺點。

　　有源電路

　　圖2顯示了一個有源解決方案，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來驅動輸入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：首先，LT1641在輸入低于9V時斷開負載，以防在低輸入電壓時系統(tǒng)失靈，并在起動時或充電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，減少系統(tǒng)向非關鍵負載提供寶貴的電流的機會；其次，LT1641在首次加電時逐漸升高輸出電壓，對負載實行軟啟動；第三，通過限流和定時斷路器保護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的速率自動重新嘗試建立連接，可以設定保護電路上行線路保險絲的容限，讓它在LT1641的下行線路出現(xiàn)電流故障時不熔化；最后，圖2所示電路隔離出現(xiàn)在輸入端的過壓狀態(tài)，同時提供箝位輸出，以便負載電路在出現(xiàn)過壓時能繼續(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，并向負載提供電源。27V齊納二極管D1的兩端分別連接柵極與地，但是在9至16V的工作電壓范圍內(nèi)不起作用。當輸入升高到超過16V時，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100V的電壓，而且不受柵極箝位動作的影響。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載要求。

　　圖2所示電路在負載電流高達1A左右時工作得很好，但是就更高的負載電流而言，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)由兩個串聯(lián)電池供電的時間超過通常所需時間，或負載突降后電流慢速上升以及MOSFET較小時，那么過度消耗功率是有風險的。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，以滿足負載的需求。

　　圖 2：過壓瞬態(tài)保護器將輸出箝位在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，這個引腳記錄MOSFET調(diào)節(jié)輸出所用的總時長。如果過壓狀態(tài)持續(xù)超過15ms，那么 LT1641就停機并允許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。這種重啟周期一直持續(xù)，直到過壓狀態(tài)消失并恢復正常工作為止。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

　　簡單地增加一個串聯(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功能。

　　圖 3：調(diào)整箝位電壓以在輸入浪涌上升時箝位，保護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鍵應用中，圖4所示的簡單電路就可以解決這個問題。

　　圖 4：用于圖2和圖3的電池反向保護

　　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，Q2柵極獲得驅動，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保持斷開狀態(tài)，并隔離反向輸入，使其不能到達LT1641和負載電路。微安級電流流經(jīng)1MΩ電阻，到達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用。然而，如果與LT3012B/LT3013B等低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器結合使用，在輸入電壓上的缺點就可以輕松克服。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。在以適中的負載電流工作時，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的效率就會下降。例如，將12V 輸入降至3.3V輸出時，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現(xiàn)更高的效率。在這種情況下，LT3013B的輸出電壓設定為 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。在負載突降情況下，VIN可能迅速升至高達80V，但是在VIN超過24.4V時，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的效率會下降，但是這種情況持續(xù)時間很短，不會產(chǎn)生什么不良后果。LT1616將LT3013B受到限制的輸出轉換為3.3V。在12V輸入時，該開關的效率大約為80%。在冷車發(fā)動時，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開關結合，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。

　　一個集成度更高的解決方案是LT3437。LT3437是一個200kHz的單片降壓型穩(wěn)壓器，它的輸入電壓范圍為3.3V至80V。其在無負載時的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)一個低成本的二極管以提供電池反向保護。