PPTC器件保護汽車(chē)電子設備免受電源極性反接的損害

中心議題：

• 汽車(chē)電子設備電源極性接反的傳統二極管保護方式
• 汽車(chē)電子設備電源極性接反的聚合物正溫度系數保護方式

解決方案：

• 大功率MOSFET電路的保護
• 電機保護

汽車(chē)電子設備必須具備應對電源極性接反故障的保護功能。當跳線(xiàn)電纜連接到錯誤的極性端子，或者連接到過(guò)放電的蓄電池時(shí)，以及在新蓄電池的安裝位置顛倒時(shí)都會(huì )發(fā)生電源極性接反，如果不采取相應的保護措施，過(guò)多的熱量會(huì )導致電子模塊出現故障，或者導致汽車(chē)上的負載設備如電磁閥和電機出現故障，造成不安全隱患。傳統的保護技術(shù)較為昂貴，并且會(huì )造成電壓降過(guò)大，從而影響某些系統的性能。而采用聚合物正溫度系數（PPTC）器件的新技術(shù)，例如Raychem的PolySwitch產(chǎn)品，就能同時(shí)解決這些缺點(diǎn)，而且還具有其他的優(yōu)勢。

傳統的二極管保護方式

為了保護電子模塊不因蓄電池極性接反而損壞，常用的解決方案是使用一個(gè)正向導通（整流）二極管來(lái)防止電流反向流動(dòng)（見(jiàn)圖1）。

采用正向導通二極管最根本的缺點(diǎn)就是內在的電壓損耗（0.7～1.0V），以及電子模塊的實(shí)際供電電壓降低。對于系統中的某些汽車(chē)電子模塊（如發(fā)動(dòng)機控制裝置）來(lái)說(shuō)，工作電壓是至關(guān)重要的，而且減少任何形式的電壓降（例如正向導通二極管兩端的電壓值）對于確保車(chē)輛在蓄電池電壓較低的狀態(tài)下正常起動(dòng)具有重要的意義。在另外一些情況下，例如音頻系統，系統電壓對輸出功率（Po=V*I=V2/R）有著(zhù)直接的影響。也就是說(shuō)，會(huì )直接影響音頻性能。為了將電壓損耗控制到最低，某些電子模塊采用了肖特基二極管來(lái)降低電壓降，一般情況下可將電壓降控制在0.5V以下。

如果在電池極性接反的保護中使用了標準的整流二極管或肖特基二極管，二極管的電流承載能力（電流額定值）就取決于將要連接到二極管上的負載的大小。在通過(guò)電子模塊的電流值小于1A時(shí)，標準整流正向導通二極管的成本相對較低（低于0.05美元）。但是，如果使用了肖特基二極管，或者電流超過(guò)1A時(shí)，其成本就會(huì )相對增加。

在選擇正向導通二極管的大小時(shí)需要考慮的另一個(gè)因素是浪涌電流的大小，以及設備能夠吸收和分散在“負載斷流”時(shí)所發(fā)生的浪涌電流的能力。交流發(fā)電機正在供給電流時(shí)，將汽車(chē)的蓄電池連接斷開(kāi)，會(huì )造成負載斷流的事件。一般情況下，這種負載斷流的波形在幾毫秒內將達到其峰值電壓。而對于硅器件來(lái)說(shuō)，通常需要考慮到最差情況下的額定值。

聚合物正溫度系數保護方式

例如PolySwitch的產(chǎn)品等聚合物正溫度系數器件，由半晶體聚合物和導電性顆粒的復合體組成。在正常的運行狀態(tài)下，器件內的導電性顆粒形成一個(gè)允許電流流過(guò)的低阻值通路。而在造成溫度過(guò)高的故障狀態(tài)下，例如過(guò)電流或環(huán)境溫度過(guò)高的情況，聚合物內的晶體開(kāi)始融化，并形成一種無(wú)定形物質(zhì)，并造成導電顆粒之間的分離，導致器件的電阻值出現非常大的非線(xiàn)性增加。這種電阻值的增加通常在3個(gè)數量級以上，從而將電流降低至相對較低和安全的水平。PolySwitch聚合物正溫度系數器件在故障清除后和電路電源斷開(kāi)后復位。

采用PolySwitch器件來(lái)取代上述應用中的正向導通二極管（見(jiàn)圖2），提供了包括減少電壓降等多項優(yōu)勢，這是因為聚合物正溫度系數（PPTC）器件兩端的電壓降一般在0.1V以上。其次，聚合物正溫度系數（PPTC）器件可對其他類(lèi)型的電子部件提供額外的保護（伴熱、導線(xiàn)、繼電器和固態(tài)部件等）。

大功率MOSFET電路的保護

對于將大功率MOSFET用于各種負載的固態(tài)開(kāi)關(guān)動(dòng)作的電子模塊，其他極性接反的情況主要集中在驅動(dòng)配置的高壓側或低壓側（見(jiàn)圖3a）。在極性接反的狀態(tài)下，大功率MOSFET的內在二極管變?yōu)檎蚱?，并允許電流能夠流至與其連接的電機、燈或電磁閥負載（見(jiàn)圖3b）。

這不會(huì )形成一種瞬間破壞的故障狀態(tài)。但是，場(chǎng)效應管的功率消耗通常將增加約5倍，這是由于器件兩端的電壓降在這種情況下約為1V（電流流經(jīng)內在二極管的PN結），而不是0.2V的額定正向VDS 電壓（按場(chǎng)效應管漏極至源極之間進(jìn)行測量）。除非采用正確的熱量控制慣例，如使用尺寸足夠大的散熱器來(lái)耗散在極性接反狀態(tài)持續期間產(chǎn)生的熱量，否則在這種情況下持續工作將燒毀MOSFET。

這一附加散熱器將增加本應用中的成本、重量和尺寸，而這些正是汽車(chē)制造商和供應商希望減少的領(lǐng)域。即使是采用熱保護場(chǎng)效應晶體管，例如TEMPFET，仍無(wú)法防止在這種條件下不被燒毀，其原因在于場(chǎng)效應管的門(mén)極無(wú)法控制流經(jīng)內在二極管的電流。

增加一個(gè)與負載串聯(lián)的聚合物正溫度系數器件，并將它與旁路二極管進(jìn)行耦合（參見(jiàn)圖4d），能夠提供蓄電池極性接反故障的保護，并且可以采用尺寸較小的散熱器。更為重要的是，它能夠防止電流的反向流動(dòng)，從而避免了電磁閥或電機的異常動(dòng)作。

感應負載和蓄電池極性接反

對于感應負載，最為常見(jiàn)的處理方法是采用連接在負載兩端的續流二極管，以抑制在負載切斷時(shí)所產(chǎn)生的電壓毛刺。圖4a所示為用作高壓側和低壓側開(kāi)關(guān)的帶感應負載的大功率MOS場(chǎng)效應晶體管。在極性接反的狀態(tài)下，電流將通過(guò)場(chǎng)效應管中的正向偏置的內在二極管和并聯(lián)在負載兩端的續流二極管進(jìn)行流動(dòng)，在電源的正極和負極端子之間建立起一個(gè)直接的短路通路（圖4b）。制止這種電流流動(dòng)的一種方式是，使用如圖4c所示的正向導通二極管。但是，對于大電流負載，如前所述，這一解決方案可能因成本過(guò)高而無(wú)法采用。另一種替代方案是使用聚合物正溫度系數器件，將其與較小的整流二極管耦合，這樣只需耐受聚合物正溫度系數器件“分斷”所需要的浪涌電流，這點(diǎn)與必須連續支持全負載電流的正向導通二極管不同。

電機保護

絕大多數為使乘車(chē)者更加舒適和方便的小功率電機都是電刷式直流電機。雙向電機（如動(dòng)力車(chē)窗、動(dòng)力座位和動(dòng)力鎖）的驅動(dòng)方式是采用一個(gè)“H橋”配置，由4個(gè)大功率MOS場(chǎng)效應晶體管按圖5a中的方便連接而成。

在使電機正向旋轉時(shí)，場(chǎng)效應管1和4同時(shí)接通;而要使電機反向旋轉時(shí)，場(chǎng)效應管2和3要同時(shí)接通。在反向極性連接情況下，對H橋電路所產(chǎn)生的等效電路為兩個(gè)串聯(lián)內在二極管并聯(lián)在電源的正極和負極端子之間（見(jiàn)圖5b），所以實(shí)際上建立了短路通路。

基于上述相同的原因，使用一個(gè)串聯(lián)的正向導通二極管可能在經(jīng)濟上并不可行。但是，通過(guò)使用串聯(lián)的聚合物正溫度系數器件，既有助于提供經(jīng)濟可行的極性接反保護方式，而且同時(shí)將系統內的電壓損耗降至最低（見(jiàn)圖5c）。在極性接反條件下的等效電路如圖5d所示。一般情況下，場(chǎng)效應管的內在二極管便于提供能使聚合物正溫度系數器件在毫秒內分斷所需的臨時(shí)浪涌電流。

如圖2、3b、4d和5d所示的電路，在極性接反狀態(tài)下建立電流通路的二極管，必須具備一定的浪涌容量額定值，從而在二極管的安全運行區（SOA）內造成PPTC器件分斷。也就是說(shuō)，聚合物正溫度系數器件的“分斷時(shí)間”絕對不得超過(guò)二極管的浪涌電流的時(shí)間限制。聚合物正溫度系數器件可在一系列的電流和最大分斷時(shí)間額定值范圍內進(jìn)行選擇，以滿(mǎn)足絕大多數應用的需求。

降低汽車(chē)的功率損失

隨著(zhù)汽車(chē)負載量的不斷增加，汽車(chē)制造商及其電子系統供應商正在策劃下一代的汽車(chē)供電系統，以取代自20世紀50年代以來(lái)一直應用于汽車(chē)的12V蓄電池系統。這項PowerNet技術(shù)規定了汽車(chē)電源的電壓限制為目前常規系統的3倍。

這個(gè)42V的系統，包括針對仍可用于雙電壓結構的12V產(chǎn)品的更嚴格的技術(shù)規范。因此，目前功率較低的產(chǎn)品仍能夠繼續使用多年，并與功率更高的產(chǎn)品相結合，共同應用在42V的總線(xiàn)上。由于成本與演進(jìn)至42V電源的過(guò)程息息相關(guān)，汽車(chē)制造商正試圖延緩這一過(guò)程，并尋求能夠降低功率消耗的任何機會(huì )。

降低功率消耗的一種方式是采用無(wú)刷式直流電流以取代有刷電機，特別是針對功率更高的應用。無(wú)刷式直流電機具備不會(huì )發(fā)生磨損的優(yōu)點(diǎn)，并且由于不帶容易產(chǎn)生電弧的電刷，從而減少了電磁干擾。在三相式無(wú)刷電機中，場(chǎng)效應管電橋的拓撲結構是3個(gè)分支，與有刷直流電機的2個(gè)分支相似。蓄電池極性接反對無(wú)刷直流電機具有相同的影響，不過(guò)所幸的是，在圖5c中所建議的聚合物正溫度系數器件蓄電池接反保護配置方式也可用于無(wú)刷直流電機中。

使用聚合物正溫度系數器件來(lái)替代串聯(lián)二極管，對于那些已經(jīng)接近可用電源系統全部能力的車(chē)型來(lái)說(shuō)，能夠提供其他額外的好處。由于串聯(lián)二極管的功率損耗與電壓成正比，在20A的電路中將0.7V的二極管電壓降低到大約0.1V，能夠減少（0.7－0.1）×20＝12W。在一般車(chē)輛所采用的數10臺電機中，這項技術(shù)在一般情況下能夠節省100W以上的功率。

而這三項節省的方式有可能將轉變到更高電壓系統的過(guò)程推遲1～2年。某些車(chē)型如通用的GMC Sierra和Chevrolet Silverado，將在2004年車(chē)型中采用有限的42V系統。在為42V汽車(chē)制訂的技術(shù)規范中，不允許出現蓄電池接反的現象。這些業(yè)經(jīng)討論的方法能夠幫助汽車(chē)制造商保證這些技術(shù)規范得到滿(mǎn)足。