用有源高壓瞬態(tài)保護(hù)器替代傳統(tǒng)的汽車電子無(wú)源保護(hù)

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

引言

汽車內(nèi)部、外部各種各樣的電子及電磁干擾常常使汽車電子設(shè)備處于危險(xiǎn)的工作狀況，降低電子設(shè)備的性能，并可能引發(fā)故障甚至損壞。最嚴(yán)重的干擾D大幅值的正向、反向過(guò)壓和瞬變D多數(shù)由汽車電子系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生，或者是不恰當(dāng)?shù)?錯(cuò)誤的)操作所致。

汽車內(nèi)部產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓

在汽車電子網(wǎng)絡(luò)中，電子控制單元(ECU)通過(guò)線束互聯(lián)，大多數(shù)ECU直接或通過(guò)啟動(dòng)開關(guān)由汽車電池供電。即使在常規(guī)操作中也會(huì)存在電氣干擾和高頻影響，通過(guò)配線系統(tǒng)傳導(dǎo)，最終耦合或以輻射方式干擾到車載電子設(shè)備。干擾源包括啟動(dòng)系統(tǒng)、交流電機(jī)、負(fù)載切換、開關(guān)抖動(dòng)以及“拋負(fù)載” (即直流電機(jī)運(yùn)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(fù)載” (圖1)，這種情況發(fā)生在引擎正在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，在交流電機(jī)正在給電池充電時(shí)斷開電池連接。產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓幅度取決于斷開連接時(shí)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和場(chǎng)激勵(lì)的大小。這一浪涌過(guò)程可能持續(xù)幾百毫秒，產(chǎn)生100V以上的電壓，對(duì)半導(dǎo)體電路具有潛在的致命影響。

圖1. 典型的拋負(fù)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(xiǎn)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(tǒng)的汽車電池，最終用24V電池開啟12V系統(tǒng)。下面再來(lái)考慮另一情況，當(dāng)啟動(dòng)引擎時(shí)，特別是在寒冷天氣，電池沒(méi)有充滿的情況下，機(jī)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(fù)載會(huì)導(dǎo)致電源電壓跌落，從標(biāo)稱12V跌落到5V以下。這種跌落會(huì)持續(xù)數(shù)十毫秒，引起電子系統(tǒng)短時(shí)間掛起(圖2)。一旦引擎啟動(dòng)，電壓將返回至標(biāo)稱值。

圖2. 汽車?yán)鋯?dòng)時(shí)的典型電壓波形

另外一個(gè)值得注意的因素是，當(dāng)電池連接錯(cuò)誤時(shí)，汽車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(hù)

上述異常條件促使設(shè)計(jì)人員選擇適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，以避免電源故障造成的影響。分析顯示拋負(fù)載脈沖是能量最強(qiáng)的一類干擾。為避免電子電路受此類脈沖的破壞，目前有兩種保護(hù)措施： 在所有汽車交流電機(jī)內(nèi)部采用中心電壓鉗位(中心拋負(fù)載抑制，圖1b)。 為每個(gè)ECU提供保護(hù)電路。

系統(tǒng)仍然需要第二級(jí)抑制電路，在電路板上濾除低能量脈沖，例如，正、負(fù)瞬態(tài)電壓以及電池瞬間反接導(dǎo)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(hù)二級(jí)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(fù)載抑制通常通過(guò)交流發(fā)電機(jī)的內(nèi)部鉗位電路(二極管)實(shí)現(xiàn)，用于吸收拋負(fù)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(shè)置在最大啟動(dòng)電壓以上，將無(wú)法達(dá)到鉗位的目的，汽車電壓仍會(huì)高達(dá)36V。

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

下文給出了各種傳統(tǒng)的板上保護(hù)電路。

標(biāo)準(zhǔn)過(guò)壓抑制器件

在板級(jí)水平有幾類器件可用于過(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(hù)電子電路免遭尖峰電壓和拋負(fù)載的破壞。這些二極管具有快速開啟、緩慢關(guān)斷特性。與其它過(guò)壓保護(hù)器件(如：可變電阻)相比，雪崩二極管對(duì)過(guò)壓事件的響應(yīng)速度更快。其性能指標(biāo)不會(huì)隨著使用壽命的延長(zhǎng)以及瞬態(tài)電壓作用次數(shù)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。這類二極管通常表示為Transil®、TransZorb®或簡(jiǎn)稱為TVS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(duì)應(yīng)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(yīng)的，該非線性電阻在高于某個(gè)特定電壓后阻值會(huì)迅速降低(圖4)。在鉗位正向和負(fù)向電壓時(shí)，其功能類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(duì)較高的電流和能量，但當(dāng)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?fù)受到浪涌沖擊時(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(yīng)速度。

圖4. 典型的可變電阻器特性(VC = 峰值脈沖電流IP對(duì)應(yīng)的鉗位電壓)

分立式保護(hù)電路

一種簡(jiǎn)單且性價(jià)比較高的保護(hù)電路是將負(fù)載與鉗位電路(如TVS二級(jí)管)并聯(lián)，在電容之前加一個(gè)保險(xiǎn)絲(圖5)。該電路可使ECU在出現(xiàn)高于TVS二極管(D1)擊穿電壓的瞬態(tài)過(guò)壓以及拋負(fù)載條件下為系統(tǒng)提供保護(hù)。當(dāng)出現(xiàn)負(fù)的瞬態(tài)電壓或穩(wěn)定的反向電壓時(shí)，TVS正向?qū)?，從而將?fù)向電壓鉗位在其導(dǎo)通電壓(例如-1V)，為后續(xù)電路提供保護(hù)。對(duì)于能量較低的負(fù)瞬態(tài)電壓，例如：繼電器或螺線管開關(guān)引入的過(guò)壓，可以通過(guò)電容(ClowE)濾除。如果持續(xù)保持正向或反向過(guò)壓狀況，保險(xiǎn)絲將熔斷。