大多數車輛電子系統需要過壓、電池反接和瞬態保護。將有源保護器用于這些目的在功耗、優化工作電壓限制、節省器件成本和降低靜態電流方面具有顯著優勢。本文詳細介紹了有源保護電路相對于傳統保護電路的優勢。

介紹

汽車內外產生的各種電氣和電磁干擾可能對車輛電子設備造成危險。它們會降低性能，導致故障，甚至損壞電子設備。最嚴重的干擾 - 大的正負過電壓和瞬變 - 可以在車輛的電氣系統本身產生，或者由于（錯誤的）人為交互而從外部來源施加到車輛上。

車內產生的瞬態電壓

在汽車網絡中，電子控制單元（ECU）通過線束互連。大多數ECU由汽車電池直接或通過點火開關供電。即使在正常運行期間，也可能發生電氣干擾和高頻效應，并通過傳導和電容或電感耦合通過線束分布到板載電子設備。干擾源包括點火系統、交流發電機、負載開關、開關反彈和“拋負載”效應，即直流電機產生的電壓在運行時與其電源斷開。

這些浪涌中最具侵略性的是所謂的“拋負載脈沖”（圖 1）。當發動機運轉且電池引線斷開時，由于連接不良或交流發電機為電池充電時意外，會發生這種瞬態。瞬態的大小取決于交流發電機在斷開時的轉速和勵磁。浪涌可以持續數百毫秒，并達到超過100V的水平，這對半導體電路可能是致命的。

圖1.典型的拋負載浪涌形狀：a） 無抑制;b） 抑制。

跨接啟動、冷啟動和電池反轉

另一個危險是在跨接啟動期間可以施加的“雙電池”電壓，即當使用跨接電纜連接到具有 24V 網絡系統的另一輛車的電池時，因此您最終使用 24V 電池啟動 12V 系統。考慮以下情況：您啟動發動機，尤其是在寒冷的天氣和部分充電的電池下，發動機油變得非常濃稠。發動機起動需要啟動器提供更大的扭矩，這反過來又需要來自電池的更多電流。這種大電流負載會導致電源電壓短暫“下降”，這種下降可能會將電壓從標稱值12V壓低至5V以下。這種減少可能持續幾十毫秒，導致電子系統暫時停止運行（圖2）。一旦發動機啟動，電壓就會恢復到其標稱值。

圖2.典型的車輛冷啟動電壓形狀。

車輛電子設備必須承受的另一個危險是電池極性反轉，當電池錯誤地連接到電氣系統（例如，-14V）時，可能會發生這種情況。

防止功率水平不當

上述干擾需要防止不當電壓。分析表明，拋負載脈沖是能量最豐富的擾動類型。為了保護電子模塊免受該脈沖的破壞，目前使用兩種保護方法：

將所有模塊的電壓集中箝位在車輛交流發電機上（中央拋負載抑制，圖 1b）。

在每個ECU上提供保護電路。

然而，仍然需要二次抑制，以防止其他局部產生的低能量脈沖，如短的正負瞬變和電池反轉。這些脈沖通常僅由小型高值電容器、反極性二極管或由瞬態電壓抑制器（TVS）二極管或壓敏電阻增強的串聯電感在板級進行濾波。

集中拋負載抑制通常通過交流發電機內部的箝位電路（二極管）來實現。這種方法旨在吸收拋負載能量并承受全跳接啟動電壓。因此，箝位電壓設置為高于可能發生的最大跨接啟動電壓。在這種情況下，車輛電壓仍然可以高達36V。

不具有中央拋負載抑制功能的車輛電氣系統必須包括針對該拋負載脈沖的本地保護。本地保護通常通過ECU內部的保護電路完成，就在連接器端子之外。汽車內的許多位置都需要這種保護，因此需要大量組件，從而影響總泄漏電流和總成本。板載拋負載保護通常通過TVS二極管（類似于齊納二極管）、壓敏電阻和靜噪濾波器來實現，這些二極管應連接到電源端子。

下面顯示了顯示經典板載保護的各種示例電路。

標準過壓抑制器件

多個器件可以在板級箝位過壓。

TVS 二極管

雪崩二極管（與齊納二極管非常相似，圖3）用作箝位器件，以抑制高于其擊穿電壓的所有過電壓。其特別高的能量吸收能力可保護電子電路免受過壓尖峰和負載突降的影響。這些二極管具有非常快的導通時間，但關斷時間較慢。雪崩二極管對過電壓的響應速度比其他常見的過壓保護元件（如壓敏電阻）更快。它們的性能不會隨著壽命和施加瞬變的數量而降低。當接近其擊穿電壓時，雪崩抑制二極管表現出明顯的漏電流。通常這些二極管被稱為Transil，TransZorb或簡稱TVS二極管。??

圖3.瞬態電壓抑制器特性（VBR= 擊穿電壓，VC= 鉗位電壓 @ 峰值脈沖電流，IP).

壓 敏 電阻

壓敏電阻是電壓相關電阻（VDR）。它們是對稱的非線性電阻元件，其電阻在超過一定電壓時會突然減小（圖 4）。在鉗位正電壓和負電壓時，它們的行為類似于兩個背靠背齊納二極管。它們以小尺寸和成本處理高水平電流和能量，但當施加的電壓接近鉗位電壓時，它們表現出相對較高的漏電流。箝位電壓也隨著施加的電流而顯著增加。壓敏電阻會因反復暴露于浪涌而退化，與TVS二極管相比，通常具有更高的“鉗位電壓”和明顯較慢的反應時間。

圖4.典型壓敏電阻特性（VC= 鉗位電壓 @ 峰值脈沖電流，IP).

分立式保護電路

保護敏感電路的一種簡單且經濟高效的方法是將負載與箝位（如 TVS 二極管和電容器）并聯，前面有一個保險絲（圖 5）。該電路可保護ECU免受高于TVS二極管（D1）擊穿電壓的瞬態過壓和拋負載電壓的影響。當暴露于高能量負瞬變或穩態反向電壓時，TVS在正向偏置方向上偏置，從而通過將負電壓限制在其正向偏置電壓（例如-1V）來保護下游電路。重復的低能量負瞬變，例如由繼電器或螺線管開關引起的，由電容器濾波（C羅 威).如果負或正過電壓持續存在，保險絲將熔斷。

圖5.使用濾波電容器、瞬態抑制二極管和保險絲的簡單過壓保護電路。

為了避免更換車輛保險絲盒或無法接近的ECU中的保險絲，并確保ECU連續運行，必須采用其他技術，例如額外的串聯保護。圖6所示電路可保護ECU免受電池反接條件以及大于TVS二極管（D2）擊穿電壓的瞬態負電壓（D1）和脈沖正過壓（拋負載和低能量瞬變）的影響。請注意，對于D2，必須選擇大于最大可能負瞬變的峰值反向電壓。

圖6.通過用二極管代替圖5中使用的保險絲，該電路可提供過壓保護。它還可以防止負瞬變和反向電池連接。

由于其尺寸小、成本低、能量吸收能力強，壓敏電阻通常用于電路板空間至關重要且下游電路對正負過壓有一定容差的應用。圖7所示電路保護下游電路免受大于壓敏電阻擊穿電壓的過壓脈沖（正瞬變和負瞬變）的影響。電容器有助于濾除低能量正負瞬變。

圖7.當電路板空間有限時，如果要保護下游電路免受大于壓敏電阻擊穿電壓的過壓脈沖（正瞬變和負瞬變）的影響，可以使用壓敏電阻（在本例中為VDR）代替TVS二極管。在這種情況下，下游電路必須對正負過壓事件具有一定的容差。

分立式保護電路的優缺點

上述所有電路都有優點和缺點。圖5所示為一個簡單的瞬態保護器電路，僅由TVS、濾波電容和保險絲組成。然而，這種電路有幾個缺點。TVS二極管的擊穿電壓必須大于現有的最高穩態電壓，通常是在跳接啟動期間施加的雙電池電壓（通常>26V，大于1分鐘）。如果使用了錯誤的TVS二極管，TVS開始以較低的電平電壓導通，并被產生的功率破壞。

由于VI特性在擊穿電壓之上具有預定義的斜率，TVS二極管表現出一定的內阻，這導致箝位電壓在大電流下顯著增加。例如，28V TVS二極管（如SMBJ28）允許下游電路在拋負載期間暴露在高達45V的電壓下。因此，暴露在如此高的電壓下需要使用容限為 45V 的下游電路（圖 3）。顯然，這一要求使下游ECU電路的組件選擇變得復雜，這些電路只需要在車輛正常工作電壓范圍的上限（通常約為17V）工作。最后，更高電壓的半導體和其他器件更大、更昂貴，增加了ECU的成本并消耗了寶貴的電路板空間。

為了保持盡可能低的最大過電壓，應使用擊穿電壓接近盡可能高穩態電壓（例如跨接啟動電壓）的TVS。反過來，這種選擇會影響接近擊穿電壓的電壓下的漏電流，甚至在車輛的正常工作電壓（12V）下。這種漏電流會使ECU設計人員更難滿足OEM（原始設備制造商）在車輛發動機不運行時對低靜態電流的要求。

在正常工作期間，圖6（D2）中的二極管表現出0.7V>壓降，這在兩個方面是一個缺點：

壓降意味著一些功耗。

ECU的低電壓操作變得更加困難。

對于大電流應用，例如汽車的防抱死制動系統，消耗的電流很容易超過10A。例如，該系統中1V的二極管壓降消耗10W，這幾乎不可能在電路板的有限幾何形狀上耗散。在某些應用中，使用單肖特基或雙肖特基二極管可以緩解這個問題。假設壓降為0.5V，雙肖特基二極管在5A負載電流下的功耗為10W。然而，這個值仍然很高，并且可能迫使設計人員使用大散熱器。

如上所述，二極管壓降的電壓損失本身就是一個問題。例如，在 14.4V 音頻系統中，通過最大化可用于驅動揚聲器的電壓來最大化輸出功率。因此，電池反接二極管引起的電源損耗為1V，相當于輸出功率損耗約為8.4dBW（對于2Ω橋接揚聲器）。

當ECU必須在低溫環境溫度下啟動車輛時低至低電壓水平時（圖2）時，任何電壓的損失都可能至關重要。在冷啟動期間，5.5V或更低的輸入電壓在汽車制造商規格中很常見。電池反接二極管的正向壓降會消耗寶貴的裕量。例如，如果ECU輸入連接器處的汽車電池電壓降至5.5V，減去電池反接二極管的0.7V二極管壓降，則其余電路的剩余電壓僅為4.8V。

如果5V微控制器由壓差為500mV的線性穩壓器供電，則微控制器僅接收4.3V電壓，這可能不足以保持其工作電壓。微控制器可能會進入復位狀態、丟失內存或導致整個ECU暫時暫停操作。這個問題的一個例子可以用GPS導航系統看到——如果你在啟動汽車之前輸入目的地的坐標，那么在隨后的冷啟動過程中，數據不會丟失是至關重要的。

對于包含壓敏電阻的應用，如圖7所示，電路板空間通常至關重要。與TVS二極管一樣，壓敏電阻鉗位電壓必須根據存在的最高穩態直流電壓進行選擇。然而，壓敏電阻高于其擊穿電壓的VI特性上升速度比TVS二極管慢得多（圖4）。因此，壓敏電阻向后續電路傳遞的電壓比TVS二極管高得多。下游電路應相應地設計，這可能需要增加元件成本、封裝尺寸和電路板空間消耗。

通過將鉗位電壓設置為相對較低的水平來最小化過壓，會降低正常工作條件下消耗的靜態電流。正常工作電壓下的靜態電流通常高于同類TVS二極管，但這種影響取決于所選的元件。

有源瞬態保護替代方案

鑒于分立保護電路的上述缺點，主動保護可能是一個不錯的選擇。適用于需要低靜態電流、低電壓工作、電池反接和過壓保護以及高效率的應用，以及MAX16013/MAX16014等過壓保護電路1都是不錯的選擇。

這些器件的工作原理非常簡單（圖 8）。這些IC監視電源軌上的輸入電壓，并通過控制兩個外部pFET調整開關將負載與故障隔離開來。外部 MOSFET 在 5.5V 和設定的上軌之間導通，可通過 SET 引腳上的電阻分壓器調節至 20V 至 28V 之間的值（通常）。

圖8.MAX16013和MAX16014通過監測電源軌上的輸入電壓提供有源瞬態保護。當它們檢測到故障時，它們通過控制兩個外部p溝道FET調整開關將負載與故障隔離開來。

在故障條件下，FET P2可以以兩種不同的方式工作。在第一種模式下，P2只是一個開關，只要過壓條件持續存在，它就會關閉，從而防止高電壓損壞任何下游設備。在第二種模式下，P2充當可調瞬態抑制器，將輸出電壓調節到允許的最大過壓。

當輸出電壓上升到超過調整后的過壓門限時，內部比較器將GATE2拉至V抄送.當監控電壓低于過壓門限時，p溝道MOSFET （P2）再次導通。此過程繼續將輸出端的電壓調節到大約 5% 的窗口內。輸出電壓在過壓瞬變期間得到調節;MOSFET （P2） 在過壓事件期間繼續導通，以開關線性模式工作，從而允許連續工作，同時提供過壓保護。

通過將SET引腳上的電阻分壓器連接到輸入或輸出來選擇工作模式。例如，MAX16013配置為過壓關斷器件，將電阻分壓器連接至V。抄送而不是負載。然而，MAX16014保持MOSFET （P2）閉鎖，直到輸入電源循環或EN切換。MAX16013長時間在限壓器模式下工作，由于外部MOSFET兩端的壓降，會提高其功耗。

圖1中的電池反接FET（P8，可選）取代了圖6中建議的串聯二極管。在圖8中，P1在正向偏置條件下導通，以最大限度地減小正向壓降;它在負電壓時關閉。EN引腳通過關斷P2并斷開輸入與輸出的連接來提供關斷控制（圖8和圖9）。（注意：EN引腳的信號可以由主機系統中的其他監控電路產生。因此，下游電路中的靜態電流降至最小值（典型值<20μA），同時電路保持電池反接保護（P1）。

有源高壓瞬態保護器與傳統方法相比具有優勢

有源過壓保護器具有多種優勢。

如上所述，分立瞬態抑制器（TVS二極管或壓敏電阻）的擊穿電壓應高于車輛中的最高穩態電壓（通常約為26V）。在拋負載事件期間，由于TVS的內阻和VI上升特性，下游電路暫時看到更高的電壓（估計為45V）。因此，必須選擇能夠承受更高電壓的下游器件。與傳統方法相比，有源瞬態保護器將輸出電壓限制在電阻分壓器設定的水平（例如26V），并且沒有上升特性。這些功能允許您使用成本更低（電壓更低）的下游組件。

普通浪涌抑制器在過熱前只能短時間處理幾焦耳，而基于MAX16013/MAX16014的解決方案可防止直流過壓。某些應用只需工作到正常工作電壓范圍的上限，然后關閉。 （例如，音頻系統可能只能工作到17V。在這種情況下，使用有源保護器并將電壓限制器/開關的閾值設置為此電平，可以進一步降低下游器件的成本。

用FET代替標準電池反接二極管可以將正向偏置的壓降降低到毫伏級。特別是在大電流應用中，這種替代可以降低功耗，從而減少冷卻工作量并節省成本。此外，原本會在二極管中損失的功率（電壓）被輸送到負載（例如揚聲器）。通過這種方式可以實現增強的輸出功率（性能）。一些應用必須在低電池電壓下運行（例如，當汽車冷啟動時），并且仍然保持電池反接保護。使用有源保護器將壓降降至最低對于保持電路在低輸入電壓下工作至關重要。

壓敏電阻往往表現出相對較高的靜態或漏電流，并且由于脈沖暴露，其壽命和精度會顯著降低。用有源保護器代替壓敏電阻可以避免這個問題。由于連接到電池軌的設備中的漏電流，某些應用具有高靜態電流。在這些情況下，有源保護器可以用作主開關，在休眠模式下斷開（通過 P2 FET）所有后續負載（圖 9）。

圖9.MAX16013/MAX16014用作主開關，以降低ECU處于關斷模式時的靜態電流消耗。

總結

在某些應用中，使用有源過壓保護器可能是一個優勢。這些器件在降低功耗、輸出功率增益（性能）、低電壓操作（冷啟動）、降低靜態電流和降低下游電路成本方面具有顯著優勢。

審核編輯：郭婷