為汽車(chē)電子系統(tǒng)提供供電和保護(hù)，無(wú)開(kāi)關(guān)噪聲，效率高達(dá)99.9%

簡(jiǎn)介

為汽車(chē)電子系統(tǒng)供電時(shí)，不但需要滿(mǎn)足高可靠性要求，還需要應(yīng)對(duì)相對(duì)不太穩(wěn)定的電池電壓，具有一定挑戰(zhàn)性。與車(chē)輛電池連接的電子和機(jī)械系統(tǒng)具有差異性，可能導(dǎo)致標(biāo)稱(chēng)12 V電源出現(xiàn)大幅電壓偏移。事實(shí)上，在一定時(shí)間段內(nèi)，12 V電源的變化范圍為–14 V至+35 V，且可能出現(xiàn)+150 V至–220 V的電壓峰值。其中有些浪涌和瞬變?cè)谌粘Ｊ褂弥谐霈F(xiàn)，其他則是因?yàn)楣收匣蛉藶殄e(cuò)誤導(dǎo)致。無(wú)論起因?yàn)楹?，它們?duì)汽車(chē)電子系統(tǒng)造成的損害難以診斷，修復(fù)成本也很高昂。

通過(guò)總結(jié)上個(gè)世紀(jì)的經(jīng)驗(yàn)，汽車(chē)制造商對(duì)會(huì)干擾運(yùn)行、造成損壞的電子狀況和瞬變進(jìn)行了分類(lèi)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)對(duì)這些行業(yè)知識(shí)進(jìn)行編譯，制定出適用于道路車(chē)輛的ISO 16750-2和ISO 7367-2規(guī)范。汽車(chē)電子控制單元(ECU)使用的電源至少應(yīng)該能夠承受這些狀況，且不造成損壞。至于關(guān)鍵系統(tǒng)，則必須保持其功能性和容差。這需要電源能夠通過(guò)瞬變調(diào)節(jié)輸出電壓，以保持ECU運(yùn)行。理想情況下，完整的電源解決方案無(wú)需使用保險(xiǎn)絲，可以最大限度降低功耗，且采用低靜態(tài)電流，在不耗盡電池電量的情況下，支持系統(tǒng)始終保持開(kāi)啟。

圖1.ISO 7367-2：帶和不帶330 μF旁路電容的脈沖1。

ISO 16750-2汽車(chē)電子系統(tǒng)面臨的狀況

ADI公司發(fā)布了多份刊物，詳細(xì)介紹ISO 7367-2和ISO 16750-2規(guī)范，以及如何使用LTspice?模擬這些規(guī)范。^1,2,3,4

在最近的迭代中，ISO 7367-2電磁兼容規(guī)范主要介紹來(lái)自相對(duì)較高的阻抗源（2 Ω至50 Ω）的大幅度(>100 V)、短時(shí)持續(xù)（150 ns至2 ms）瞬變。這些電壓峰值通常可以使用無(wú)源組件消除。圖1顯示定義的ISO 7367-2脈沖1，以及增加的330 μF旁路電容。電容將尖峰幅度從–150 V降低至–16 V，完全在反向電池保護(hù)電路支持的范圍內(nèi)。ISO 7367-2脈沖2a、3a和3b的能耗遠(yuǎn)低于脈沖1，所需的抑制電容也更少。

ISO 16750-2主要介紹來(lái)自低阻抗源的長(zhǎng)脈沖。這些瞬變無(wú)法輕松過(guò)濾，通常需要使用基于穩(wěn)壓器的主動(dòng)式解決方案。一些更具挑戰(zhàn)性的測(cè)試包括：負(fù)載突降（測(cè)試4.6.4）、電池反接（測(cè)試4.7）、疊加交變電壓測(cè)試（測(cè)試4.4），以及發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工況（測(cè)試4.6.3）。圖2顯示了這些測(cè)試脈沖的視圖。ISO 16750-2中所示條件的差異性，加上ECU對(duì)電壓和電流的要求，通常需要合并使用這些方案，以滿(mǎn)足所有要求。

圖2.一些更嚴(yán)格的ISO 16750-2測(cè)試的概述。

負(fù)載突降

負(fù)載突降（ISO 16750-2：測(cè)試4.6.4）屬于嚴(yán)重的瞬態(tài)過(guò)壓，模擬電池?cái)嚅_(kāi)，但交流發(fā)電機(jī)提供大量電流的情況。負(fù)載突降期間的峰值電壓被分為受抑制電壓或未受抑制電壓，由3相交流發(fā)電機(jī)的輸出是否使用雪崩二極管來(lái)決定。受抑制的負(fù)載突降脈沖限制在35 V，不受抑制的脈沖峰值范圍則為79 V至101 V。無(wú)論是哪種情況，因?yàn)榻涣靼l(fā)電器定子繞組中存儲(chǔ)了大量電磁能量，所以可能需要400 ms進(jìn)行恢復(fù)。雖然大部分汽車(chē)制造商使用雪崩二極管，但隨著人們對(duì)可靠性的要求不斷增高，使得一些制造商要求ECU的峰值負(fù)載突降電壓必須接近未受抑制情況下的電壓。

解決負(fù)載突降問(wèn)題的解決方案之一就是添加瞬變電壓抑制器(TVS)二極管，從局部箝位ECU電源。更緊湊、容差更嚴(yán)格的方法則是使用主動(dòng)浪涌抑制器，例如LTC4364，該抑制器以線(xiàn)性方式控制串接的N通道MOSFET，將最大輸出電壓箝位至用戶(hù)配置的水平（例如，27 V）。浪涌抑制器可以幫助斷開(kāi)輸出，支持可配置限流值和欠壓鎖定，且可使用背靠背NFET提供通常需要的反向電池保護(hù)。

對(duì)于線(xiàn)性穩(wěn)壓功率器件，例如浪涌抑制器，存在的隱患在于，在負(fù)載突降期間限制輸出電壓，或者在短路輸出期間限制電流時(shí)，N通道MOSFET可能功耗較大。功率MOSFET的安全工作區(qū)域(SOA)限制最終會(huì)限制浪涌抑制器能夠提供的最大電流。它還給出了在N通道MOSFET必須關(guān)閉，以避免造成損壞之前，必須保持穩(wěn)壓的時(shí)長(zhǎng)限制（通常使用可配置定時(shí)器引腳設(shè)置）。這些SOA導(dǎo)致的限制隨著工作電壓升高變得更加嚴(yán)重，增加了浪涌抑制器在24 V和48 V系統(tǒng)中使用的難度。

更具擴(kuò)展性的方法使用降壓穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可在42 V輸入下運(yùn)行，例如LT8640S。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器與線(xiàn)性穩(wěn)壓器不同，并無(wú)MOSFET SOA限制，但顯然它更加復(fù)雜。降壓穩(wěn)壓器的效率支持實(shí)施大電流操作，其頂部開(kāi)關(guān)則允許輸出斷開(kāi)，并支持電流限制。至于降壓穩(wěn)壓器靜態(tài)電流問(wèn)題，已由最新一代器件解決，這些器件僅消耗幾微安電流，在無(wú)負(fù)載條件下也保持穩(wěn)壓。通過(guò)使用Silent Switcher^?技術(shù)和展頻技術(shù)，開(kāi)關(guān)噪聲問(wèn)題也得到大幅改善。

此外，有些降壓穩(wěn)壓器能按100%占空比運(yùn)行，保證頂部開(kāi)關(guān)持續(xù)開(kāi)啟，通過(guò)電感將輸入電壓傳輸?shù)捷敵觥Ｔ谶^(guò)壓或過(guò)流條件下，會(huì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)操作，以分別限制輸出電壓或電流。這些降壓穩(wěn)壓器（例如LTC7862）作為開(kāi)關(guān)浪涌抑制器使用，實(shí)現(xiàn)低噪聲、低損耗操作，同時(shí)保持開(kāi)關(guān)模式電源的可靠性。

圖3.解決困難的ISO 16750-2測(cè)試的不同方法。

反向電壓

當(dāng)電池終端或跳線(xiàn)因?yàn)椴僮鲉T故障反向連接時(shí)，會(huì)發(fā)生反向電壓條件（也稱(chēng)為反向電池條件）。相關(guān)的ISO 16750-2脈沖（測(cè)試4.7）反復(fù)對(duì)DUT施加–14 V電壓，每次60秒。關(guān)于此測(cè)試，有些制造商增加了自己的動(dòng)態(tài)版本，在突然施加反向偏置(–4 V)之前，先起始地為此器件供電（例如，V_IN=10.8 V）。

快速研究數(shù)據(jù)手冊(cè)后發(fā)現(xiàn)，很少有IC設(shè)計(jì)可以接受反向偏置，其中IC的絕對(duì)最小引腳電壓一般限制在–0.3 V。低于地的電壓如果超過(guò)一個(gè)二極管的電壓，會(huì)導(dǎo)致額外電流流過(guò)內(nèi)部結(jié)，例如ESD保護(hù)器件和功率MOSFET的體二極管。在反向電池條件下，極化旁路電容（例如鋁電解電容）也可能受到損壞。

肖特基二極管可以防止反向電流，但在正常運(yùn)行期間，正向電流更高時(shí)，這種方法會(huì)導(dǎo)致更大功耗。圖3所示為基于串接P通道MOSFET的簡(jiǎn)單保護(hù)方案，這種方案可以降低功耗損失，但在低輸入電壓下（例如，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)），因?yàn)槠骷撝惦妷旱脑颍@種方案可能無(wú)法順暢運(yùn)行。更加有效的方法是使用理想的二極管控制器（例如LTC4376），以驅(qū)動(dòng)串行N通道MOSFET，該MOSFET在負(fù)電壓時(shí)切斷輸入電壓。正常運(yùn)行期間，理想二極管控制器調(diào)節(jié)N通道MOSFET的源漏電壓降低到30 mV或更低，將正向壓降和功耗降低超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)（相比肖特基二極管）。

圖4.支持帶通模式的降壓-升壓控制器解決了汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試帶來(lái)的許多問(wèn)題。

疊加交變電壓

疊加交變電壓測(cè)試（ISO 16750-2：測(cè)試4.4）模擬汽車(chē)的交流發(fā)電器的交流輸出的影響。正如名字所示，正弦信號(hào)在電池軌道上疊加，峰峰值幅度為1 V、2 V或4 V，具體由嚴(yán)重程度分類(lèi)決定。對(duì)于所有嚴(yán)重性等級(jí)，最大輸入電壓為16 V。正弦頻率以對(duì)數(shù)方式排列，范圍為50 Hz至25 kHz，然后在120秒內(nèi)回到50 Hz，總共重復(fù)5次。

本測(cè)試會(huì)導(dǎo)致在任何的互連濾波器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)產(chǎn)生大幅度諧振低于25 kHz的電流和電壓擺幅，。它也會(huì)使開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器出現(xiàn)問(wèn)題，其環(huán)路帶寬限制使其難以通過(guò)高頻率輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。解決方案就像是中間整流元件，例如功率肖特基二極管，但對(duì)于反向電壓保護(hù)，這并不是一種解決問(wèn)題的好方法。

在這種情況下，理想的二極管控制器無(wú)法像在反向電壓保護(hù)應(yīng)用中一樣發(fā)揮作用，因?yàn)樗鼰o(wú)法足夠快速地開(kāi)關(guān)N通道MOSFET，以和輸入保持同步。柵極上拉強(qiáng)度是其中一個(gè)限制因素，一般因?yàn)閮?nèi)部電荷泵限制在20 μA左右。當(dāng)理想的二極管控制器能夠快速關(guān)閉MOSFET時(shí)，開(kāi)啟速度會(huì)非常慢，不適合對(duì)極低頻率以外的情況實(shí)施整流。

更合適的方法是使用LT8672主動(dòng)整流器控制器，該控制器可以快速開(kāi)關(guān)N通道MOSFET，以按高達(dá)100 kHz的頻率整流輸入電壓。主動(dòng)整流器控制器是帶有兩個(gè)重要附加器件的理想二極管控制器：一個(gè)由輸入電壓增壓的大型電荷存儲(chǔ)器，一個(gè)快速開(kāi)關(guān)N通道MOSFET的強(qiáng)勁柵極驅(qū)動(dòng)器。與使用肖特基二極管相比，這種方法可以降低功率損失達(dá)90%以上。LT8672也和理想的二極管控制器一樣，保護(hù)下游電路不受電池反接影響。

圖5.這個(gè)3 V至100 V 輸入降壓-升壓控制器以8 V至17 V帶通輸出運(yùn)行。

啟動(dòng)工況

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工況（ISO 16750-2：測(cè)試4.6.3）屬于極端欠壓瞬變，有時(shí)候指代冷啟動(dòng)脈沖，這是因?yàn)樵诟蜏囟认?，?huì)發(fā)生最糟糕的電池壓降。特別是，當(dāng)啟動(dòng)器啟動(dòng)時(shí)，12 V電池電壓可能立刻降低到8 V、6 V、4.5 V或3 V，具體由嚴(yán)重程度分類(lèi)決定（分別為I、IV、II和III級(jí)）。

在有些系統(tǒng)中，低壓差(LDO)線(xiàn)性穩(wěn)壓器或開(kāi)關(guān)降壓穩(wěn)壓器足以支持電源電軌應(yīng)對(duì)這些瞬變，只要ECU電壓低于最低的輸入電壓。例如，如果最高的ECU輸出電壓為5 V，且其必須達(dá)到嚴(yán)重程度等級(jí)IV（最低輸入電壓6 V），那么使用壓差低于1 V的穩(wěn)壓器即可。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工況電壓最低的分區(qū)只能持續(xù)15 ms至20 ms，所以大型旁路電容之后的整流器件（肖特基二極管、理想的二極管控制器、主動(dòng)整流器控制器）可能能夠經(jīng)受這部分脈沖，如果電壓凈空短暫地下降至低于穩(wěn)壓器壓降差。

但是，如果ECU必須支持高于最低輸入電壓的電壓，則需要使用升壓穩(wěn)壓器。升壓穩(wěn)壓器可以在高電流電平上，有效保持來(lái)自低于3 V的輸入的12 V輸出電壓。但是，升壓穩(wěn)壓器還存在一個(gè)問(wèn)題：從輸入到輸出的二極管路徑無(wú)法斷開(kāi)，所以自然地電流在啟動(dòng)時(shí)或者短路時(shí)不受限。為了防止電流失控，專(zhuān)用的升壓穩(wěn)壓器（例如LTC3897控制器）集成浪涌抑制器前端來(lái)支持輸出斷開(kāi)和限流，以及在使用背靠背N通道MOSFET時(shí)提供反向電壓保護(hù)。這個(gè)解決方案可以利用單個(gè)集成電路解決負(fù)載突降、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和電池反接，但是可用電流受浪涌抑制器MOSFET的SOA限制。

4開(kāi)關(guān)降壓-升壓穩(wěn)壓器通過(guò)共用的電感來(lái)聯(lián)合同步降壓穩(wěn)壓器和同步升壓穩(wěn)壓器，以消除此限制。這種方法可以滿(mǎn)足負(fù)載突降和發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工況測(cè)試的要求，且電流電平或脈沖持續(xù)時(shí)間不會(huì)受到MOSFET SOA限制，同時(shí)還保有斷開(kāi)輸出和限流的能力。

降壓-升壓穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)操作由輸入和輸出電壓之間的關(guān)系決定。如果輸入遠(yuǎn)高于輸出，升壓頂部開(kāi)關(guān)持續(xù)開(kāi)啟，降壓功率級(jí)則降低輸入。同樣，如果輸入遠(yuǎn)低于輸出，降壓頂部開(kāi)關(guān)持續(xù)開(kāi)啟，升壓功率級(jí)則增高輸出。如果輸入和輸出大致相等（在10%至25%之間），那么降壓和升壓功率級(jí)會(huì)以交錯(cuò)方式同時(shí)開(kāi)啟。如此，可以通過(guò)僅對(duì)高于、約等于或低于輸出的輸入電壓實(shí)施穩(wěn)壓所需的MOSFET限制開(kāi)關(guān)，分別最大化各個(gè)開(kāi)關(guān)區(qū)域（降壓、降壓-升壓、升壓）的效率。

圖6.對(duì)未受抑制的負(fù)載突降的帶通響應(yīng)。