【導(dǎo)讀】汽車電源產(chǎn)生的瞬態(tài)可輕而易舉地摧毀車載電子器件，因此汽車制造商編輯了一份導(dǎo)致這些故障的電源瞬態(tài)目錄。制造商已為此制定了標(biāo)準(zhǔn)和測試程序，但最近又與ISO組織合作制定了ISO 7637-2和ISO 16750-2標(biāo)準(zhǔn)，描述了可能發(fā)生的瞬態(tài)，并規(guī)定了測試方法以模擬這些瞬態(tài)。
汽車電源產(chǎn)生可怕的瞬態(tài)，可以輕而易舉地摧毀遭遇瞬態(tài)的車載電子器件。隨著時(shí)間推移，汽車中的電子器件迅速增多，對于各種已注意到的故障，汽車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)和測試程序，以防止敏感電子器件受瞬態(tài)事件損害。不過，汽車制造商最近又與國際標(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)定了測試方法以模擬這些瞬態(tài)。
ISO 7637-2和ISO 16750-2標(biāo)準(zhǔn)
ISO7637名為“公路車輛——來自傳導(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“公路車輛——電氣與電子設(shè)備的環(huán)境條件與測試”中，成為ISO 16750五個(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。為簡單起見，本文僅討論12V規(guī)范，并針對連接到汽車12V電源的電子器件提供一種保護(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。
沒有內(nèi)部電壓箝位的交流發(fā)電機(jī)
最初，汽車中的交流發(fā)電機(jī)是沒有箝位的，在負(fù)載突降時(shí)可能產(chǎn)生異常高的電壓，對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“測試A——沒有集中式負(fù)載突降抑制”和“測試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]有電池吸收定子的電流，所以輸出電壓會像未箝位負(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。這種情況對應(yīng)于“測試A——沒有集中式負(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)的電流流動情況。如果汽車制造商強(qiáng)制采用箝位的交流發(fā)電機(jī)，那么“測試B——有集中式負(fù)載突降抑制”就適用。圖5顯示了ISO 16750-2中“測試B”的箝位波形。盡管ISO 16750-2針對箝位情況規(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)問題
在ISO 16750-2中，“測試A”和“測試B”中交流發(fā)電機(jī)的內(nèi)部電阻Ri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，針對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Ri不是與35V箝位電壓串聯(lián)的。Ri實(shí)際上出現(xiàn)在雪崩二極管之前，如圖6所示。
圖6：如果車載電子器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。
如果車載電子器件局部上由并聯(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)部箝位幾乎沒什么用處。負(fù)載突降的全部能量都傳遞給了車載電子器件的TVS。有時(shí)在電子器件和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
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ISO 16750-2和ISO 7637-2瞬態(tài)保護(hù)下游電子器件，同時(shí)提供高達(dá)4A的輸出電流。
從本質(zhì)上看，浪涌抑制器無需依靠交流發(fā)電機(jī)的內(nèi)部電阻，就可針對負(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)下游電子器件。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ISO 16750-2和ISO 7637-2瞬態(tài)保護(hù)下游電子器件，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)免受過流事件影響，例如下游電子器件中的短路故障等情況引起的過流事件。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。新式汽車即使未運(yùn)行時(shí)，也有無數(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，并在ISO 16750-2附加的1級嚴(yán)重性情況下之交流電壓測試中，提供連續(xù)供電，在1級嚴(yán)重性時(shí)，峰值至峰值A(chǔ)C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，通過限制功耗較大情況的持續(xù)時(shí)間來保護(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導(dǎo)致浪涌抑制器通過限制M2中的電流來進(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，分流型保護(hù)必須連續(xù)消耗功率，最好情況下會熔斷保險(xiǎn)絲，而最壞情況下會著火。
負(fù)載突降和過壓保護(hù)
為了理解圖8所示電路的運(yùn)行，我們對LTC4380進(jìn)行一下簡化描述。在正常工作時(shí)，LTC4380的內(nèi)部充電泵驅(qū)動GATE引腳以提高M(jìn)2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的基射電壓。當(dāng)輸出電壓超過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M(jìn)1的電平，以便M1有效地成為一個(gè)簡單的通過器件，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)，通過控制MOSFET M2將這個(gè)電路的輸出電壓限制到安全水平。這會產(chǎn)生很大的功耗，因?yàn)镸2兩端的電壓下降了，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)的過壓情況，或者在電路輸出端的車載電子器件中發(fā)生了過流故障，那么經(jīng)過定時(shí)器網(wǎng)絡(luò)配置的時(shí)間間隔后，就通過關(guān)斷來保護(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┰措妷汉芨邥r(shí)，可允許的MOSFET SOA電流降低，所以當(dāng)IN至OUT電壓超過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，如果大功率故障情況持續(xù)太長時(shí)間，該電路就通過關(guān)斷M2實(shí)行自我保護(hù)。
過熱保護(hù)
LTC4380 TMR引腳端的電阻器/電容器網(wǎng)絡(luò)針對快于約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RPTC是一種小型表面貼裝0402尺寸的器件，在115℃時(shí)電阻為4.7k。高于115℃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)不會檢測到MOSFET的溫度上升。如果MOSFET M2的外殼溫度超過115℃，PTC電阻器RPTC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。
不必因過熱保護(hù)電路中的器件數(shù)量而感到沮喪?？傮w解決方案相對容易實(shí)現(xiàn)，由占用很少電路板面積的小型器件組成。這個(gè)電路是自偏置的，當(dāng)RPTC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RPTC之溫度超過115℃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R17的電流大于經(jīng)過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。請注意，通過連接成二極管的器件Q8B，ON引腳的電流被用作這個(gè)自偏置電路的啟動電流。
結(jié)論
ISO 16750-2和ISO 7637-2規(guī)范描述了汽車系統(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針對這類瞬態(tài)保護(hù)車載電子器件，這類瞬態(tài)包括箝位和未箝位的負(fù)載突降脈沖。面對來自新式箝位交流發(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)下游電子器件。結(jié)果是，為吸取高達(dá)4A電源電流的電子器件提供了一款符合ISO 16750-2和ISO 7637-2要求的堅(jiān)固型解決方案。
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