高頻汽車電源設(shè)計(jì)
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瞬態(tài)過壓保護(hù)
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/83730.htm汽車系統(tǒng)中，大多數(shù)過壓條件都是由感性負(fù)載的開關(guān)操作引起的瞬態(tài)過壓，這類負(fù)載包括啟動(dòng)電機(jī)、燃油泵、車窗電機(jī)、繼電器線圈、螺線管、點(diǎn)火器件和分布電感等。任何感性負(fù)載上的脈沖電流都會(huì)產(chǎn)生過壓脈沖。根據(jù)幅度、持續(xù)時(shí)間的要求，可以選擇濾波器、金屬氧化物可變電阻、瞬態(tài)電壓抑制器等抑制這類瞬態(tài)過壓。圖1至圖4說明了ISO7637對過壓抑制的要求，表1是對ISO7637規(guī)定的總結(jié)。
圖1. 周期性的開關(guān)操作會(huì)產(chǎn)生周期性的負(fù)脈沖，幅度在(80V至-150V，持續(xù)時(shí)間1ms至140ms，典型源阻抗為5Ω至25Ω。
圖2. 周期性的開關(guān)操作使電路產(chǎn)生正向脈沖電壓，幅度在+75V至+150V，典型持續(xù)時(shí)間50μs。典型源阻抗為2Ω至10Ω。
圖3. 周期性開關(guān)操作在電路中產(chǎn)生-150V、100ns的負(fù)脈沖(3a)和100V、100ns的正脈沖(3b)，源阻抗典型值為50Ω。
圖4. 交流電機(jī)以大電流給放電電池充電時(shí)突然中斷，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)甩負(fù)載脈沖。電流突降會(huì)在電機(jī)輸出端產(chǎn)生一個(gè)高壓，以保持系統(tǒng)內(nèi)部的總能量。瞬態(tài)持續(xù)過程取決于電機(jī)勵(lì)磁電路的時(shí)間常數(shù)和調(diào)節(jié)器的響應(yīng)時(shí)間。
表1. 來自不同OEM的傳導(dǎo)抑制測試*
| Pulse Type | OEM#1 | OEM#2 | OEM#3 | OEM#4 | OEM#5 | OEM#6 | OEM#7 | OEM#8 | |
| Pulse 1 | Td | 2ms | 2ms | 2ms | 2ms | 5ms | 50µs | 140ms | 46ms |
| Vp | -100V | -100V | -100V | -150V | -100V | -100V | -80V | -80V | |
| Rs | 10Ω | 10Ω | 10Ω | 10Ω | 25Ω | 10Ω | 5Ω | 20Ω | |
| Pulse 2 | Td | 50µs | 50µs | 50µs | 50µs | 2ms | 5.7µs | ||
| Vp | 150V | 50V | 100V | 75V | 200V | 110V | |||
| Rs | 4Ω | 2Ω | 10Ω | 2Ω | 10Ω | 0.24Ω | |||
| Pulse 3a | Td | 100ns | 100ns | 100ns | 100ns | 100ns | 4.6ms | ||
| Vp | -150V | -150V | -150V | -112V | -150V | -260V | |||
| Rs | 50Ω | 50Ω | 50Ω | 50Ω | 50Ω | 34Ω | |||
| Pulse 3b | Td | 100ns | 100ns | 100ns | 100ns | 100ns | |||
| Vp | 100V | 100V | 100V | 75V | 100V | ||||
| Rs | 50Ω | 50Ω | 50Ω | 50Ω | 50Ω | ||||
| Pulse 5 | Td | 300ms | 400ms | 300ms | 120ms | 500ms | 380ms | ||
| Vp | 50V | 100V | 43.5V | 80V | 70V | 60V | |||
| Rs | 0.5Ω | 2Ω | 0.5Ω | 2.5Ω | 0.5Ω | 0.75Ω | |||
如上所述，電池電壓不能直接供給低電壓、高性能開關(guān)轉(zhuǎn)換器，而是將電池連接到瞬態(tài)電壓抑制起，如MOV或旁路電容及其后續(xù)的傳統(tǒng)限幅電路。這些簡單電路一般采用p溝道MOSFET構(gòu)成(圖5a)。p溝道MOSFET的額定電壓為50V至100V，具體取決于VBAT輸入端的瞬態(tài)電壓。
利用12V齊納二極管(Z1)保護(hù)MOSFET的柵-源極，防止柵-源電壓超過VGSMAX, 當(dāng)輸入電壓(VBAT)低于齊納管Z2的擊穿電壓時(shí)，MOSFET處于飽和狀態(tài)。輸入電壓發(fā)生瞬變時(shí)，MOSFET將阻止高于Z2擊穿電壓的電壓通過。這個(gè)電路的缺點(diǎn)是使用了一個(gè)昂貴的p溝道MOSFET和許多外圍元件。
圖5a. 輸入限幅電路(保護(hù)電路)采用了一個(gè)p溝道MOSFET。
另一方案是使用NPN晶體管，NPN管的基極電壓嵌位在VZ3, 將發(fā)射極電壓調(diào)整在(VZ3 - VBE)。這個(gè)方案成本較低，但VBE壓降產(chǎn)生一定的損耗：PLOSS = IIN x VBE。另外，VBE壓降也增加對電池最小工作電壓的要求，尤其是在冷啟動(dòng)情況(圖5b)。第三個(gè)方案是使用n溝道MOSFET，n溝道MOSFET的選擇范圍較廣，而且便宜，可以作為隔離元件使用。其柵極驅(qū)動(dòng)比較復(fù)雜，要求VG高于源極電壓。
圖5b. 輸入限幅電路(保護(hù)電路)采用了一個(gè)NPN晶體管。
圖5c. 輸入限幅電路(保護(hù)電路)采用了一個(gè)n溝道MOSFET。
評(píng)論