汽車(chē)電源產(chǎn)生可怕的瞬態(tài)，可以輕而易舉地摧毀遭遇瞬態(tài)的車(chē)載電子組件。隨著時(shí)間推移，汽車(chē)中的電子組件迅速增多，對(duì)于各種已注意到的故障，汽車(chē)制造商該遇到的都遇到了，因此編輯了一份導(dǎo)致這些已注意到的故障之電源瞬態(tài)目錄。制造商已經(jīng)獨(dú)立制定了標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試程序，以防止敏感電子組件受瞬態(tài)事件損害。不過(guò)，汽車(chē)制造商最近又與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 合作制定了 ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)描述了可能發(fā)生的瞬態(tài)，并規(guī)定了測(cè)試方法以模擬這些瞬態(tài)。

ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 標(biāo)準(zhǔn)

ISO 7637 名為 “公路車(chē)輛 ─ 來(lái)自傳導(dǎo)及耦合的電氣干擾”，是一種電磁干擾兼容性 (EMC) 規(guī)范。本文探討這個(gè)文件 3 個(gè)組成部分的第二部分 ISO 7637-2，標(biāo)題為 “第二部分：僅沿電源線傳導(dǎo)的電氣瞬態(tài)”。

盡管 ISO 7637 主要是一種 EMC 規(guī)范，但是 2011 年之前，該規(guī)范也包括與電源質(zhì)量有關(guān)的瞬態(tài)部分。2011 年，與電源質(zhì)量而不是 EMC 有關(guān)的那些部分轉(zhuǎn)移到了 ISO 16750 “公路車(chē)輛 ─ 電氣與電子設(shè)備的環(huán)境條件與測(cè)試” 中，成為 ISO 16750 5 個(gè)組成部分的第二部分：“第二部分：電氣負(fù)載”。

盡管大多數(shù)制造商仍然遵循自己的規(guī)范和要求而不是嚴(yán)格遵循 ISO 7637-2 和 ISO 16750-2，但發(fā)展趨勢(shì)是，制造商的規(guī)范更加嚴(yán)格地遵循 ISO 標(biāo)準(zhǔn)，與 ISO 標(biāo)準(zhǔn)相比僅有微小變化。

ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 提供面向 12V 和 24V 系統(tǒng)的規(guī)范。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本文僅討論 12V 規(guī)范，并針對(duì)連接到汽車(chē) 12V 電源的電子組件提供一種保護(hù)電路。

負(fù)載突降

負(fù)載突降是最具挑戰(zhàn)性的電源瞬態(tài)，因?yàn)檫@一瞬態(tài)事件中涉及很高的能量。當(dāng)交流發(fā)電機(jī)給電池充電，以及電池連接缺失時(shí)，就發(fā)生負(fù)載突降事件。

沒(méi)有內(nèi)部電壓箝位的交流發(fā)電機(jī)

最初，汽車(chē)中的交流發(fā)電機(jī)是沒(méi)有箝位的，在負(fù)載突降時(shí)可能產(chǎn)生異常高的電壓，對(duì) 12V 系統(tǒng)而言大約為 100V。較新的交流發(fā)電機(jī)從內(nèi)部箝位，以在負(fù)載突降時(shí)，將最高電壓限制到較低的值。因?yàn)榇嬖谳^老的交流發(fā)電機(jī)，而一些新的交流發(fā)電機(jī)也不包含內(nèi)部箝位，所以 ISO 16750-2 中的負(fù)載突降規(guī)范分成了 “測(cè)試 A ─ 沒(méi)有集中式負(fù)載突降抑制” 和 “測(cè)試 B ─ 有集中式負(fù)載突降抑制”。

圖 1 所示原理圖顯示了一個(gè)由交流發(fā)電機(jī)的 3 相定子繞組和 6 個(gè)二極管組成的整流器構(gòu)成之電路，該電路將定子的 AC 輸出轉(zhuǎn)換成 DC，以給電池充電。當(dāng)電池連接缺失時(shí)，所產(chǎn)生的電流如圖 2 所示。因?yàn)闆](méi)有電池吸收定子的電流，所以輸出電壓會(huì)像未箝位負(fù)載突降時(shí)所能看到的那樣，急劇上升至非常高的值，如 ISO 16750-2 規(guī)范中給出的圖 3 所示。這種情況對(duì)應(yīng)于 “測(cè)試 A — 沒(méi)有集中式負(fù)載突降抑制” 中未箝位的交流發(fā)電機(jī)的情況。

圖 1：標(biāo)準(zhǔn)交流發(fā)電機(jī)的 3 相定子繞組和 6 個(gè)二極管組成的整流器產(chǎn)生一個(gè) DC 輸出電壓

圖 2：未箝位負(fù)載突降：如果充電時(shí)電池連接缺失，交流發(fā)電機(jī)的輸出電壓可能迅速上升至 100V。

圖 3：ISO 16750-2 規(guī)范 (“測(cè)試 A”) 中描述的未箝位負(fù)載突降脈沖波形

具內(nèi)部電壓箝位的交流發(fā)電機(jī)

較新的交流發(fā)電機(jī)使用雪崩二極管，這種二極管很好地規(guī)定了反向擊穿電壓，可在負(fù)載突降時(shí)限制最高電壓。圖 4 顯示，在使用 6 個(gè)雪崩二極管整流器的箝位交流發(fā)電機(jī)中，出現(xiàn)負(fù)載突降故障時(shí)的電流流動(dòng)情況。如果汽車(chē)制造商強(qiáng)制采用箝位的交流發(fā)電機(jī)，那么 “測(cè)試 B — 有集中式負(fù)載突降抑制” 就適用。圖 5 顯示了 ISO 16750-2 中 “測(cè)試 B” 的箝位波形。盡管 ISO 16750-2 針對(duì)箝位情況規(guī)定了 35V 最高電壓，但是要知道，很多制造商在這一點(diǎn)上偏離了 ISO 16750-2，而提供自己的最高電壓規(guī)范。

圖 4：箝位負(fù)載突降：內(nèi)部箝位的交流發(fā)電機(jī)使用之二極管很好地規(guī)定了反向擊穿電壓，可在負(fù)載突降時(shí)將輸出電壓限制到 35V。

圖 5：箝位的交流發(fā)電機(jī)負(fù)載突降脈沖波形

另外要知道，當(dāng)負(fù)載突降規(guī)范屬于 ISO 7637-2 的組成部分時(shí)，僅規(guī)定了一個(gè)脈沖。但是當(dāng)負(fù)載突降規(guī)范 2011 年轉(zhuǎn)移到 ISO 16750-2 中時(shí)，最低測(cè)試要求增加到包括多個(gè)脈沖，且脈沖之間的時(shí)間間隔為 1 分鐘。

TVS (瞬態(tài)電壓抑制器) 保護(hù)問(wèn)題

在 ISO 16750-2 中，“測(cè)試 A” 和 “測(cè)試 B” 中交流發(fā)電機(jī)的內(nèi)部電阻 R_i 規(guī)定為 0.5Ω 至 4Ω。這限制了提供給保護(hù)電路的最大能量。

不過(guò)，針對(duì) ISO 16750-2 負(fù)載突降瞬態(tài)實(shí)施保護(hù)的人常常忽視的一個(gè)事實(shí)是：內(nèi)部電阻 R_i 不是與 35V 箝位電壓串聯(lián)的。R_i 實(shí)際上出現(xiàn)在雪崩二極管之前，如圖 6 所示。

圖 6：如果車(chē)載電子組件由擊穿電壓低于交流發(fā)電機(jī)箝位電壓的 TVS 二極管保護(hù)，那么 TVS 二極管將被迫吸收交流發(fā)電機(jī)的所有能量。

如果車(chē)載電子組件局部上由并聯(lián)器件保護(hù)，例如擊穿電壓低于 35V 的 TVS 二極管，那么 TVS 也許會(huì)被迫吸收交流發(fā)電機(jī)的能量。在這種情況下，交流發(fā)電機(jī)的內(nèi)部箝位幾乎沒(méi)什么用處。負(fù)載突降的全部能量都傳遞給了車(chē)載電子組件的 TVS。有時(shí)在電子組件和 TVS 二極管之前放置一個(gè)串聯(lián)電阻器，但不幸的是，即使在正常運(yùn)行時(shí)，電阻器也會(huì)引入壓降和額外的功耗。

采用浪涌抑制器的有源保護(hù)之優(yōu)勢(shì)

一種更好的解決方案是使用一個(gè)串聯(lián)的有源保護(hù)器件，例如 LTC4380 低靜態(tài)電流浪涌抑制器。LTC4380 的方框圖如圖 7 所示。完整的汽車(chē)保護(hù)解決方案如圖 8 所示。

圖 7：LTC4380 浪涌抑制器的方框圖

圖 8：基于 LTC4380 的電路針對(duì) ISO 16750-2 和 ISO 7637-2 瞬態(tài)保護(hù)下游電子組件，同時(shí)提供高達(dá) 4A 的輸出電流。

從本質(zhì)上看，浪涌抑制器無(wú)需依靠交流發(fā)電機(jī)的內(nèi)部電阻，就可針對(duì)負(fù)載突降以及 ISO 16750-2 和 ISO 7637-2 中規(guī)定的其他情況保護(hù)下游電子組件。圖 8 所示浪涌抑制器解決方案提供不間斷電源，同時(shí)依靠箝位的交流發(fā)電機(jī)運(yùn)行。此外，如果遭遇未箝位的交流發(fā)電機(jī)導(dǎo)致的負(fù)載突降情況，這個(gè)解決方案不會(huì)被損壞。在未箝位的情況下，浪涌抑制器可以關(guān)斷，以保護(hù)自身，然后在冷卻期之后自動(dòng)重新向負(fù)載供電。需要提到的重要一點(diǎn)是，電源僅在存在多個(gè)同時(shí)發(fā)生的故障時(shí)才關(guān)斷：不恰當(dāng)?shù)匕惭b了未箝位的交流發(fā)電機(jī)和充電時(shí)電池連接缺失。

浪涌抑制器保護(hù)方案的運(yùn)行

圖 8 中的設(shè)計(jì)針對(duì) ISO 16750-2 和 ISO 7637-2 瞬態(tài)保護(hù)下游電子組件，同時(shí)提供高達(dá) 4A 的輸出電流。同時(shí)，該設(shè)計(jì)還保護(hù)上游系統(tǒng)免受過(guò)流事件影響，例如下游電子組件中的短路故障等情況引起的過(guò)流事件。做到這些的同時(shí)，該解決方案還消耗極小的 35µA 靜態(tài)電流。新式汽車(chē)即使未運(yùn)行時(shí)，也有無(wú)數(shù)負(fù)載消耗著電池電量，因此極小的靜態(tài)電流是一個(gè)重要的考慮因素。

這一保護(hù)解決方案基于 LTC4380 低電源電流浪涌抑制器，在輸入電壓最高達(dá) 100V 時(shí)，可將輸出電壓限制到 22.7V，因此可針對(duì) ISO 16750-2 負(fù)載突降以及 ISO 7637-2 脈沖 1、2a、2b、3a 和 3b 提供充分的保護(hù)。該解決方案還在電池反向的情況下防止電流流動(dòng)，并在 ISO 16750-2 附加的 1 級(jí)嚴(yán)重性情況下之交流電壓測(cè)試中，提供連續(xù)供電，在 1 級(jí)嚴(yán)重性時(shí)，峰值至峰值 AC 電壓為 1V。(存在較高的 AC 電壓時(shí)，也許暫時(shí)關(guān)斷電源。) 當(dāng)輸入電壓降至 4V 時(shí)，會(huì)向負(fù)載連續(xù)供電，以滿足 ISO 16750-2 的最低電源電壓要求。

在這個(gè)電路中，通過(guò)限制功耗較大情況的持續(xù)時(shí)間來(lái)保護(hù) MOSFET，例如輸入電壓在負(fù)載突降時(shí)迅速升高或輸出短路至地的情況。如果故障超出 ISO 16750-2 和 ISO 7637-2 中規(guī)定的條件范圍，MOSFET M2 就關(guān)斷，以保護(hù)電路，并在恰當(dāng)?shù)难舆t時(shí)間后重新加電。

例如，一個(gè)持續(xù)的 100V 輸入電壓或下游短路故障會(huì)導(dǎo)致浪涌抑制器通過(guò)限制 M2 中的電流來(lái)進(jìn)行自我保護(hù)，然后如果故障持續(xù)，就徹底關(guān)斷 M2。與分流型保護(hù)相比，這種方法有顯著優(yōu)勢(shì)，分流型保護(hù)必須連續(xù)消耗功率，最好情況下會(huì)熔斷保險(xiǎn)絲，而最壞情況下會(huì)著火。

負(fù)載突降和過(guò)壓保護(hù)

為了理解圖 8 所示電路的運(yùn)行，我們對(duì) LTC4380 進(jìn)行一下簡(jiǎn)化描述。在正常工作時(shí)，LTC4380 的內(nèi)部充電泵驅(qū)動(dòng) GATE 引腳以提高 M2 的電平。GATE 端的電壓被箝位到高于地電平最多 35V (當(dāng) SEL = 0V)，因此將 M2 的源極輸出電壓限制到低于 35V。

圖 8 所示電路進(jìn)一步改進(jìn)了這個(gè)電壓限制，通過(guò)增加一個(gè) 22V 雪崩二極管 D3，結(jié)合 R6、R7、R8 和 Q2，就可將輸出電壓穩(wěn)定為雪崩二極管電壓的最大值 22V 加上 Q2 約為 0.7V 的基極-射極電壓。當(dāng)輸出電壓超過(guò) 22V + 0.7V = 22.7V 時(shí)，Q2 略微下拉 M2 的 GATE，以將 M2 的源極和輸出電壓穩(wěn)定在 22.7V 上。

反向保護(hù)

MOSFET M1 與 D1、D2、R1、R3、R4 和 Q1 相結(jié)合，保護(hù)電路免受反向電壓情況影響。當(dāng)輸入降至低于地時(shí)，Q1 將 M1 的柵極下拉至負(fù)輸入電壓，保持 MOSFET 處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)電池反向連接時(shí)，這可防止出現(xiàn)反向電流，并保護(hù)輸出免受負(fù)輸入電壓影響。

當(dāng)輸入為正時(shí)，D2 和 R3 允許 LTC4380 的內(nèi)部充電泵在正常工作時(shí)提高 M1 的電平，以便 M1 有效地成為一個(gè)簡(jiǎn)單的通過(guò)器件，從而在 NXP PSMN4R8-100BSE 中消耗低于 I²R = (4A)² • 4.1mΩ = 66mW 的功率。

SOA 限制

當(dāng)輸入電壓為高電平時(shí)，通過(guò)控制 MOSFET M2 將這個(gè)電路的輸出電壓限制到安全水平。這會(huì)產(chǎn)生很大的功耗，因?yàn)?M2 兩端的電壓下降了，同時(shí)在輸出端還要向負(fù)載提供電流。

如果輸入遭遇了持續(xù)的過(guò)壓情況，或者在電路輸出端的車(chē)載電子組件中發(fā)生了過(guò)流故障，那么經(jīng)過(guò)定時(shí)器網(wǎng)絡(luò)配置的時(shí)間間隔后，就通過(guò)關(guān)斷來(lái)保護(hù) M2，定時(shí)器網(wǎng)絡(luò)由 R13、R14、R15、C4、C5、C6 和 C14 組成。當(dāng) M2 處于電流限制狀態(tài)時(shí)，LTC4380 TMR 引腳的輸出電流與 MOSFET M2 兩端的電壓成比例。

實(shí)際上，TMR 電流與 MOSFET M2 中消耗的功率成比例。TMR 引腳端的電阻器 / 電容器網(wǎng)絡(luò)與 MOSFET 的瞬態(tài)熱阻電氣模型類似。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)用來(lái)限制 MOSFET 溫度上升的最大值，以使 MOSFET 保持在規(guī)定的安全工作區(qū)之內(nèi)。

因?yàn)樵诼?源電壓很高時(shí)，可允許的 MOSFET SOA 電流降低，所以當(dāng) IN 至 OUT 電壓超過(guò) 20V 加上 Q3 的基-射電壓時(shí)，20V 雪崩二極管 D6 與 R9、R11 和 Q3 一起為定時(shí)器網(wǎng)絡(luò)提供額外的電流。4.7V 雪崩二極管 D7 與 Q4、R12 和 C3 一起，防止這一額外的電流將 TMR 引腳拉至高于規(guī)定的 5V 最高電壓。

當(dāng)輸入上升至高電壓時(shí)，這個(gè) SOA 跟蹤電路允許仍然給輸出安全供電。不過(guò)，如果大功率故障情況持續(xù)太長(zhǎng)時(shí)間，該電路就通過(guò)關(guān)斷 M2 實(shí)行自我保護(hù)。

過(guò)熱保護(hù)

LTC4380 TMR 引腳端的電阻器 / 電容器網(wǎng)絡(luò)針對(duì)快于約 1 秒的事件提供保護(hù)。就較慢速的事件而言，連接到 LTC4380 ON 引腳的電路限制 M2 的外殼溫度。

熱敏電阻器 R_PTC 是一種小型表面貼裝 0402 尺寸的組件，在 115°C 時(shí)電阻為 4.7k。高于 115°C 時(shí)，其電阻隨溫度變化呈指數(shù)上升。為了防止定時(shí)器網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤地對(duì)這個(gè)功率倍增器的偏移進(jìn)行積分，在 M2 的漏-源電壓達(dá)到 0.7V 之前，LTC4380 在 TMR 引腳端不產(chǎn)生定時(shí)器電流。在 4A、0.7V 時(shí)，MOSFET 可能連續(xù)消耗 0.7V x 4A = 2.8W 功率，而 TMR 網(wǎng)絡(luò)不會(huì)檢測(cè)到 MOSFET 的溫度上升。如果 MOSFET M2 的外殼溫度超過(guò) 115°C，PTC 電阻器 R_PTC 就與電阻器 R17 至 R21 以及晶體管 Q5A、Q5B、Q6A、Q7A 和 Q7B 一起關(guān)斷電路。

不必因過(guò)熱保護(hù)電路中的組件數(shù)量而感到沮喪�？傮w解決方案相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，由占用很少電路板面積的小型組件組成。這個(gè)電路是自偏置的，當(dāng) R_PTC 等于 R20 的 4.75kΩ 電阻值時(shí)，電路是平衡的。當(dāng)靠近 M2 放置的 R_PTC 之溫度超過(guò) 115°C 時(shí)，其電阻增大，并導(dǎo)致流經(jīng) Q5B 的電流大于流經(jīng) Q5A 的電流。因?yàn)檫@導(dǎo)致經(jīng)過(guò) R17 的電流大于經(jīng)過(guò) R18 的電流，所以 Q8A 的基極電壓上升，Q8A 的集電極將 LTC4380 的 ON 引腳拉低，從而關(guān)斷 M2。在較低溫度時(shí)，Q5A 的電流大于 Q5B 的電流，Q8A 仍然保持關(guān)斷，從而允許 ON 引腳的內(nèi)部上拉電路保持 ON 引腳為高電平。請(qǐng)注意，通過(guò)連接成二極管的器件 Q8B，ON 引腳的電流被用作這個(gè)自偏置電路的啟動(dòng)電流。

結(jié)論

ISO 16750-2 和 ISO 7637-2 規(guī)范描述了汽車(chē)系統(tǒng)中可能發(fā)生的富挑戰(zhàn)性之電氣瞬態(tài)。LTC4380 低靜態(tài)電流浪涌抑制器可用來(lái)針對(duì)這類瞬態(tài)保護(hù)車(chē)載電子組件，這類瞬態(tài)包括箝位和未箝位的負(fù)載突降脈沖。面對(duì)來(lái)自新式箝位交流發(fā)電機(jī)的負(fù)載突降脈沖時(shí)，本文給出的電路提供不間斷運(yùn)行。面對(duì)更加極端的未箝位負(fù)載突降脈沖時(shí)，該電路關(guān)斷以保護(hù)下游電子組件。結(jié)果是，為吸取高達(dá) 4A 電源電流的電子組件提供了一款符合 ISO 16750-2 和 ISO 7637-2 要求的堅(jiān)固型解決方案。