用有源高壓瞬態(tài)保護器替代傳統的汽車(chē)電子無(wú)源保護

大多數汽車(chē)電子系統需要過(guò)壓、電池反接和瞬態(tài)保護，在這些保護電路中使用有源保護器件能夠獲得低功耗、最佳工作電壓門(mén)限、降低器件成本、降低靜態(tài)電流等諸多優(yōu)勢。本文詳細討論了有源方案相對于傳統保護電路的優(yōu)勢。

引言

汽車(chē)內部、外部各種各樣的電子及電磁干擾常常使汽車(chē)電子設備處于危險的工作狀況，降低電子設備的性能，并可能引發(fā)故障甚至損壞。最嚴重的干擾D大幅值的正向、反向過(guò)壓和瞬變D多數由汽車(chē)電子系統內部產(chǎn)生，或者是不恰當的(錯誤的)操作所致。

汽車(chē)內部產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓

在汽車(chē)電子網(wǎng)絡(luò )中，電子控制單元(ECU)通過(guò)線(xiàn)束互聯(lián)，大多數ECU直接或通過(guò)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)由汽車(chē)電池供電。即使在常規操作中也會(huì )存在電氣干擾和高頻影響，通過(guò)配線(xiàn)系統傳導，最終耦合或以輻射方式干擾到車(chē)載電子設備。干擾源包括啟動(dòng)系統、交流電機、負載切換、開(kāi)關(guān)抖動(dòng)以及“拋負載” (即直流電機運行過(guò)程中切斷電源，由此產(chǎn)生的電壓)。

這些浪涌中最具破壞性的是“拋負載” (圖1)，這種情況發(fā)生在引擎正在運轉的過(guò)程中，在交流電機正在給電池充電時(shí)斷開(kāi)電池連接。產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓幅度取決于斷開(kāi)連接時(shí)交流電機的轉速和場(chǎng)激勵的大小。這一浪涌過(guò)程可能持續幾百毫秒，產(chǎn)生100V以上的電壓，對半導體電路具有潛在的致命影響。

圖1. 典型的拋負載浪涌波形：a)沒(méi)有抑制;b)提供抑制。

啟動(dòng)、冷啟動(dòng)、電池反接

另外一個(gè)風(fēng)險是啟動(dòng)過(guò)程中存在的“雙電池”電壓，此時(shí)電纜跳接到另一組24V網(wǎng)絡(luò )系統的汽車(chē)電池，最終用24V電池開(kāi)啟12V系統。下面再來(lái)考慮另一情況，當啟動(dòng)引擎時(shí)，特別是在寒冷天氣，電池沒(méi)有充滿(mǎn)的情況下，機油變得非常粘稠，引擎需要提供更大的扭矩，因此，需要電池提供更大的電流，較大的電流負載會(huì )導致電源電壓跌落，從標稱(chēng)12V跌落到5V以下。這種跌落會(huì )持續數十毫秒，引起電子系統短時(shí)間掛起(圖2)。一旦引擎啟動(dòng)，電壓將返回至標稱(chēng)值。

圖2. 汽車(chē)冷啟動(dòng)時(shí)的典型電壓波形

另外一個(gè)值得注意的因素是，當電池連接錯誤時(shí)，汽車(chē)電子必須能夠承受電池反接的電壓(例如-14V)。

電源故障情況下的保護

上述異常條件促使設計人員選擇適當的保護措施，以避免電源故障造成的影響。分析顯示拋負載脈沖是能量最強的一類(lèi)干擾。為避免電子電路受此類(lèi)脈沖的破壞，目前有兩種保護措施： 在所有汽車(chē)交流電機內部采用中心電壓鉗位(中心拋負載抑制，圖1b)。 為每個(gè)ECU提供保護電路。

系統仍然需要第二級抑制電路，在電路板上濾除低能量脈沖，例如，正、負瞬態(tài)電壓以及電池瞬間反接導致的尖峰脈沖。這些脈沖通常通過(guò)小尺寸的大容值電容、反向保護二級管或者是與瞬態(tài)抑制二極管(TVS)或可變電阻串聯(lián)的電感進(jìn)行濾除。

中心拋負載抑制通常通過(guò)交流發(fā)電機的內部鉗位電路(二極管)實(shí)現，用于吸收拋負載能量，承受啟動(dòng)時(shí)的電池電壓。盡管采取了鉗位措施，如果將鉗位電壓設置在最大啟動(dòng)電壓以上，將無(wú)法達到鉗位的目的，汽車(chē)電壓仍會(huì )高達36V。

那些不具備中心拋負載抑制功能的汽車(chē)電子系統必須采用本地保護措施，以抑制拋負載干擾信號。通常在遠離連接器端，在ECU內部增加保護電路，整個(gè)汽車(chē)內部需要眾多的這類(lèi)保護措施，過(guò)多的元件會(huì )導致漏電流和整體成本的增加。板上拋負載保護電路通常采用TVS二極管(類(lèi)似于齊納二極管)、可變電阻、以及抑制濾波器等，這些元件應連接到電源端。

下文給出了各種傳統的板上保護電路。

標準過(guò)壓抑制器件

在板級水平有幾類(lèi)器件可用于過(guò)壓鉗位。

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TVS二極管

雪崩二極管(與齊納二極管類(lèi)似，圖3)是能夠抑制所有超出其擊穿電壓的鉗位器件。它們能夠吸收較高的能量，保護電子電路免遭尖峰電壓和拋負載的破壞。這些二極管具有快速開(kāi)啟、緩慢關(guān)斷特性。與其它過(guò)壓保護器件(如：可變電阻)相比，雪崩二極管對過(guò)壓事件的響應速度更快。其性能指標不會(huì )隨著(zhù)使用壽命的延長(cháng)以及瞬態(tài)電壓作用次數的增多而降低。在其擊穿電壓附近，雪崩抑制二極管具有較大的漏電流。這類(lèi)二極管通常表示為T(mén)ransil®、TransZorb®或簡(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)VS二極管。

圖3. 瞬態(tài)電壓抑制器特性(VBR = 擊穿電壓， VC = 峰值脈沖電流IP對應的鉗位電壓)。

可變電阻器

可變電阻是與電壓相關(guān)的電阻(VDR)。相應的，該非線(xiàn)性電阻在高于某個(gè)特定電壓后阻值會(huì )迅速降低(圖4)。在鉗位正向和負向電壓時(shí)，其功能類(lèi)似于背靠背的齊納二極管。能夠以很小的封裝尺寸和較低的成本承受相對較高的電流和能量，但當電壓接近鉗位電壓時(shí)，漏電流較大。鉗位電壓也會(huì )隨電流的增加而明顯提高?？勺冸娮杵髟谥貜褪艿嚼擞繘_擊時(shí)性能會(huì )受到一定影響，通常也具有更高的“鉗位電壓”，與TVS二極管相比，這些因素會(huì )明顯降低其響應速度。

圖4. 典型的可變電阻器特性(VC = 峰值脈沖電流IP對應的鉗位電壓)

分立式保護電路

一種簡(jiǎn)單且性?xún)r(jià)比較高的保護電路是將負載與鉗位電路(如TVS二級管)并聯(lián)，在電容之前加一個(gè)保險絲(圖5)。該電路可使ECU在出現高于TVS二極管(D1)擊穿電壓的瞬態(tài)過(guò)壓以及拋負載條件下為系統提供保護。當出現負的瞬態(tài)電壓或穩定的反向電壓時(shí)，TVS正向導通，從而將負向電壓鉗位在其導通電壓(例如-1V)，為后續電路提供保護。對于能量較低的負瞬態(tài)電壓，例如：繼電器或螺線(xiàn)管開(kāi)關(guān)引入的過(guò)壓，可以通過(guò)電容(ClowE)濾除。如果持續保持正向或反向過(guò)壓狀況，保險絲將熔斷。