汽車電源過壓保護電路
典型的汽車電源架構
圖1給出了一個典型的汽車電源簡化框圖,主要包括以下幾個單元:
源保護電路:限制+12V電源總線的正向電壓,并阻止產生負壓。
有源保護電路:該限壓器功能與無源保護電路類似,但使用的是晶體管等有源器件,與具有同樣功能的無源方案相比能夠提供更好的性價比,具有更小尺寸。
開關模式或線性穩(wěn)壓器:為指定負載提供適當的電壓和電流,可能采用多路電源結構。
在不同的應用中,這些部件的技術規(guī)格會有所不同。有些應用中并沒有考慮這些因素,但會給系統的整體電氣性能帶來負面影響。實際上,上述單元電路的任何缺失都會增大系統設計的復雜度。
在電源中集成限壓器
有源電壓限幅器的原理十分簡單,在器件的輸入和輸出之間增加一個MOSFET,限幅器控制該場效應管的柵極。正常工作狀態(tài)下,打開MOSFET并為負載供電;如果電壓超過定義的門限值,限壓電路會關閉外部MOSFET,斷開電源與負載的連接。
圖2給出了基本限壓電路的內部構造和典型應用電路。
在這個基本的限壓電路中,VIN給內部電路供電,VIN的最大電壓為80V。OVSET端的分壓器設置過壓檢測門限,內置電荷泵為低成本n溝道MOSFET的柵極驅動供電,從而降低系統成本。除了提供過壓門限外,這些IC還提供了欠壓檢測門限。
在另一方案是采用門限可調的窗式電壓限幅,圖3給出了一個相關的應用范例。
這種情況下,限壓電路可以防止MOSFET和負載工作在欠壓和過壓狀態(tài)。可以嚴格限制輸出電壓范圍(將其限制在較窄的范圍內),以降低對電壓調節(jié)器輸入范圍的技術要求,從而降低電壓調節(jié)器的設計成本。而在一些音頻應用中,并不需要高精度的電壓調節(jié),對于這些應用,限壓電路的設計可以省去穩(wěn)壓電路。
如上所述,分壓器可以控制圖2所示IC的輸入電壓,分壓器也可以連接到限壓器的輸出端,如圖4所示。在后面的例子中,分壓器限制著負載上的電壓而不是簡單地將其切斷。從其性能測試數據可以看出限壓檢測是周期性進行的。振蕩周期由負載電容、負載電流決定,可在很寬的范圍內變化。周期振蕩包括兩個階段;第一個階段使MOSFET進入有效模式,第二個階段將其關閉。
圖4所示電路配置使MOSFET周期性地進入有效模式,使功率耗散在MOSFET上,需要考慮MOSFET散熱問題?;谶@一原因,IC內部包含了門限約為+160°C的高溫保護單元,當溫度下降到+140°C以下時,電路恢復到正常模式。為了優(yōu)化設計,IC應靠近MOSFET放置,使兩者具有良好的熱傳導通路。
眾所周知,電路板電源總線可能存在負向電壓尖峰或正向電壓尖峰。抑制負電壓的保護電路可以采用無源器件或特殊IC。圖5提供了MAX6496反向電壓保護的內部結構。
除了限制正向電壓以外,MAX6496還包含一個p通道MOSFET柵極控制電路,可以在正電壓時使MOSFET 保持導通狀態(tài),而在負電壓時保持關閉狀態(tài)。在高負載電流、低輸入電壓情況下,這個電路比典型的肖特基二極管更實用。
結論
本文討論的限壓電路都提供了相應的特性參數,便于器件在各種場合的應用。每個限壓電路在負載上電時允許72V的最大輸入電壓,而在負載切斷時允許80V的最大輸入電壓。下表總結了限壓IC的主要特性。
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