突波抑制器保護敏感汽車電子免受暫態高壓影響

本文作者:admin       點擊: 2007-11-12 00:00
前言:
前言:汽車暫態響應
在汽車和工業應用中,常見持續時間為幾微秒至幾百毫秒的高壓電源尖峰,因此系統中的電子產品必須能承受這些暫態響應,方能確保電路可靠運作。汽車應用中最嚴重的暫態響應是“負載突降”,它是因交流發電機充電時電池連接斷開引起的。電池連接不良、終端受到侵蝕或意外斷接時,都可能發生負載突降,而負載突降將引起持續幾百毫秒的高壓突波。典型的負載突降曲線如圖 1 所示,上升時間大約為5ms,瞬變電壓的指數式衰減持續幾百毫秒。

在汽車和工業應用中,也可能發生由電池猛然啟動或穩壓器故障引起的穩定過壓狀態。透過另一輛汽車的跨接電纜加一個高電壓時,會導致猛然啟動暫態響應,例如以一個24V電池猛然啟動一個12V系統。在最嚴重的情況下,超過額定電池電壓的過壓狀態可能持續長達5分鐘。由寄生配線電感引起的負載階躍也可能引起微秒級的電源尖峰。其他汽車暫態響應也許是重複的,如由繼電器和螺線管的切換引起的暫態響應。點火系統和各種附件(電動門窗、門鎖)的雜訊頻繁出現。這些暫態響應經由配線電纜中的電容性或電感性耦合或公共地線上的傳導耦合,沿著汽車配線系統傳播。

在汽車應用中,對於行車安全相當重要的系統都從機械產品轉換成了電子產品。當汽車中發生暫態響應時,保護和維持這些系統正常運行變得越來越重要。目前的汽車中,擁有50多個微控制器以控制從胎壓到電動式開窗的每個環節,導航、資訊娛樂等新系統也正逐漸導入更高階的車種;防撞雷達(CAR)與防鎖刹車系統(ABS)結合亦越來越普遍。用戶現在更加依賴汽車的電腦控制功能了,對可靠性的要求也比以前更高,當這些元件出現很小的故障時,都可能為車主造成不便,且維修費用可能很昂貴,大故障甚至造成生命危險。

透過車內充電之尖端消費電子產品(如膝上型、MP3播放器、GPS和資料錄入裝置)製造商也必須保護其產品免受重複暫態響應和意外電壓尖峰的影響。若此保護功能不完善,將導致性能下降或故障、及昂貴的更換費用。汽車和電子產品製造商不能冒功能故障的風險,因為這會增加維修工作量,並引起用戶的負面評價。

大多數汽車都採用跨接在交流發電機上的中央抑制器,這種抑制器可用來吸收負載突降能量並承受全部猛然啟動電壓。在每個電子控制單元(ECU)處仍然需要二級抑制,以保護電子產品免受局部產生的暫態響應。保護電子產品免受電壓尖峰影響的最常用方法是運用一個串聯鐵心電感和一個大容量電解質旁路電容,再加上暫態電壓抑制器(TVS)和保險絲。笨重的電感和電容會佔用寶貴的電路板空間,而且常常是系統中高度最高的元件。即使採取了所有這些保護措施,電源電壓振幅仍很高,因此下游仍需使用昂貴的高額定電壓DC-DC轉換器和線性穩壓器元件。

必須能承受過壓暫態響應
凌力爾特所提供的解決方案甚至在出現最具破壞性的暫態響應時也能可靠地運作。LT4356突波抑制器隔離低壓電路和汽車、航空電子設備以及工業系統中出現的破壞性尖峰及突波,因此無需笨重的濾波元件。LT4356提供完整的前端保護,保護電子產品免受超載和短路影響,並以簡單的IC/MOSFET解決方案承受反向輸入電壓。LT4356與現有產品的重要差別是在於其能保護電子產品免受直流過壓和過流影響,而普通的突波抑制器無法達到此要求。普通突波抑制器只能處理持續短時間的幾焦耳(瓦-秒)能量,暫態響應持續時間超過幾百毫秒時,它們就會迅速過熱並毀壞。

LT4356突波抑制器的主要優點是在於其能承受這些暫態響應,在出現故障情況時仍像穩壓器般工作。這允許下游電路保持工作,不被損壞。透過選擇回授電阻來確定的箝位輸出電壓,可配置為處理100V和更高的暫態電壓。如果故障情況持續,則用可調式計時器來限制時間,以確保在負載斷接和系統關機前,MOSFET維持在正常工作範圍之內。與時間間隔固定的計時器相比,這更充分地利用了 MOSFET 的安全工作區(Safe Operating Area,簡稱SOA)。

汽車電子產品必須能夠承受極廣的溫度範圍。在北方,室外溫度可能低至-40oC,而引擎倉內的溫度可能高達+125oC。LT4356能操作於上述額定溫度範圍內,以滿足這類嚴酷的溫度要求。在出現故障時,150mA的大GATE會吸收電流以確保對輸入端的快速暫態響應迅速回應。圖2所示為LT4356對負載突降輸入的回應。在整個事件發生過程中,輸出被穩定於安全的16V。

電路工作原理
圖3所示為LT4356突波抑制器的功能圖。在正常工作情況下,其驅動N通道 MOSFET通路元件的閘極使之完全接通,如此,其存在便對負載電路沒有影響。在出現過壓或過流情況時,MOSFET將作為一個串聯限制器工作。如果輸入電壓升高到超過FB分壓器設置的穩壓點,那麼電壓放大器(VA)就會驅動 MOSFET,使其成為一個線性穩壓器,將輸出電壓限制在預定值,並允許負載電路不被中斷而能持續工作。為保護MOSFET和負載免受短路影響,LT4356 還含有限流電路,這將在下文幾段中討論。

當LT4356第一次通電,或透過允許SHDN#升高來啟動LT4356時,經由驅動閘極慢慢升高,以漸進方式接通外部 MOSFET。這種軟啟動實現突波電流限制,以將動態載入對輸入電源的影響降至最低,並減少任何上游保險絲的熱疲勞。一旦MOSFET完全接通(Vds < 700mV),使能針腳(EN)將變高以啟動負載電路,如微處理器或開關穩壓器。

出現過電流或過電壓情況時,電流放大器(IA)或電壓放大器(VA)將適當地限制輸出電流或電壓。在過壓情況下,負載電路繼續工作,電源電壓將稍微升高,如圖2所示。在電流超載時,如果提供足夠的輸出電壓,則負載電路可繼續工作。無論何時,只要發生輸出限流,不論什麼原因,計時器電容電壓將斜坡上升。如果這種情況持續時間夠長,使得計時器針腳(TMR)達到第一個臨界電壓1.25V,則FAULT#接腳就變低,以向下游電路發出即將出現功率損耗的預警。一旦達到1.35V(第二個故障臨界電壓),那麼計時器將關斷MOSFET,並等待冷卻時間間隔完成後,再重新啟動。

LT4356的另一個特色是備用放大器(AMP),此備用放大器可用作電源良好比較器、輸入電壓監視器或低壓差線性穩壓器。就LT4356-1 而言,當SHDN# 變低時,其將關斷所有功能,使電源電流降至僅5uA,而將該元件用於與電池電源永久接通的應用中。對LT4356-2來說,這個輔助放大器和內部參考在關機時可保持運作,關機電流則為50uA,透過將此輔助放大器配置為低壓差線性穩壓器,LT4356-2可用於主系統關機時,需要保持關鍵功能所用電源電壓有效的應用中。

圖4所示電路顯示,回授(FB)針腳上的外部電阻分壓器被設定,以在出現過壓情況時將輸出電壓限制於16V。如果輸入上升到高於16V,則輸出將穩定於此電壓上,直到故障排除或計時器到期(滿足預定超時條件後達到1.35V)。備用放大器可配置以監視輸入電壓,並透過AOUT針腳指示過壓狀態。致能(EN)針腳則在MOSFET完全接通後啟動下游負載。

冷啟動
“冷啟動”是汽車發動機在寒冷或冰凍溫度下一段時間後發生的情況。這時機油變得非常黏稠,需要發動機啟動器提供更大的扭轉力,而這便要求電池提供更大的電流。這種大電流負載能在點火時將電池/主端匯流排電壓拉至低於 4V,一旦發動機啟動,電壓通常會返回到標稱的13.8V。如果汽車子系統在整個冷啟動過程中需要良好穩定的恒定5V輸出,那麼便將產生一個問題。常規降壓型穩壓器在輸入電壓低於5V時不能工作。雙組電感器SEPIC(單端主電感轉換器)DC/DC轉換器可解決這個問題,因為它能提供降壓和升壓轉換。不過,輸入電壓越低,這種電路工作就越難。LT4356在4V時能夠高效率地傳遞功率,幾乎沒有電壓損失,不會為SEPIC設計增加額外負擔。

凌力爾特的LT4356突波抑制器,為在冷啟動環境中連續工作,提供效率更高和更精小的解決方案,同時能使用成本較低的低壓DC-DC轉換器下游零組件。LT4356以4V至80V的寬輸入電壓工作,以在嚴酷的汽車環境中出現冷啟動和負載突降情況時,能夠提供不間斷電源。

操作電流
隨著汽車中逐漸採用新型導航、車輛安全和“Always-on”電源系統,對電池的要求也越來越高,甚至點火裝置關閉時也一樣。維持 Always-on 處理器的電壓,總共需要幾百毫安培電源電流,這有可能在幾周時間內完全耗盡電池電量。靜態電流需要大幅降低,以在不用增加電子系統的尺寸或複雜性的前提下延長電池續航力。LT4356突波抑制器工作時具有600uA(典型值)的低靜態電流。關機針腳(SHDN#)可用來在系統不工作時將LT4356配置於低電流模式。關斷LT4356-1將禁止所有功能並將靜態電流降至僅5uA。就LT4356-2而言,主系統關機時,輔助放大器和參考將保持運作,以為關鍵系統功能提供保持有效電源電壓。在這種情況下,關機電流為50uA。

電池反接保護
在保護電子子系統時,電池反接的可能性也必須納入考慮。為保護系統免受反接輸入影響,電子系統的電源通路中常常包括一個蕭特基隔離二極體。這個二極體不僅消耗功率,還會縮小工作電壓範圍,尤其是在如冷啟動等低輸入電壓時更是如此。透過LT4356的GATE輸出驅動第二個反接N通道MOSFET,便可不需透過蕭特基隔離二極體,電壓和功率損耗也自然消除了。

圖5所示,為一採用第二個MOSFET的反接保護電路。在輸入為正的正常工作情況下,Q2由GATE針腳提高並完全接通,如Q1。Q3關斷,不起作用。如果輸入連接反接,負電壓將到達LT4356,則Q3將被接通,並將Q2的閘極拉低至負輸入,如此可將Q1和下游各點與負電壓隔離。LT4356的VCC、SNS和SHDN#針腳是受到保護的,在出現高達-30Vdc的電壓時自身或負載都不會損壞。

用P通道MOSFET也可實現低損耗反向隔離,但是最常選用的是N通道 MOSFET,尤其是LT4356提供穩定的閘極驅動時更是如此。隔離MOSFET、Q2 的額定電壓無需高於任何預期的負輸入電壓。

輔助輸出電壓
內部備用放大器可驅動外部PNP電晶體,以提供另一個電源端。透過AOUT針腳提供的2mA電流,基於PNP的線性穩壓器便可提供100mA電流,以提供輔助和穩壓輸出。在主系統因發生外部故障而關機時,這個特性為關鍵系統功能提供了一個保持運作的電源電壓;或者,透過LT4356-2在晶片處於微功率關機模式時,可使有效穩壓器保持運作。備用放大器還可配置為輸入欠壓監視器,或者作為“緊附電路”來完成其他電源系統任務。透過簡單地監視輸出電壓,備用放大器可非常輕易地配置為電源良好比較器。

過電流和衝擊控制
衝擊電流之定義為第一次通電時湧入負載的初始電流。這是負載達到正常工作狀態之前由大容量電容器充電引起的。需限制衝擊電流的電路,以將這種峰值瞬間電流限制在可接受的水準上。LT4356透過在接通時緩慢地軟啟動 MOSFET來限制衝擊電流。閘極電容C1和20uA的受控閘極電流設置GATE針腳的轉換率。轉換率和輸出電容器CL設置啟動時的衝擊電流。

LT4356並具備準確的(10%最大值)限流電路,以保護系統免受短路或過大負載電流的影響。在出現過流情況時,一個有效的限流環路將纖巧的外部電阻(RSNS)上的電壓穩定在50mV,同時為計時器電容充電。例如,如果所需限流值為5A,那麼檢測電阻應該是10mΩ。在發生過流故障時,故障計時器充電電流是平時的5倍,因為在這種情況下,通路電晶體中會消耗更多功率。超時之後,通路電晶體關閉,並一直保持關閉,直到過流狀態結束和冷卻期結束為止。在過流狀態下,MOSFET安全工作區壓力提高,因為Vds壓降提高了。LT4356監視外部MOSFET的Vds,與Vds的提高成正比地縮短計時器時間間隔。如此,一個短暫微小的超載也許比一個高強度的輸出短路狀態持續更長時間,從而確保MOSFET在所有情況下都在安全工作區內工作。

儘管MOSFET保護是很重要的,但限流的真正優點只有在安全渡過短路狀態以後才能顯現:其保護上游保險絲不被損壞,且無需更換。

結論
在汽車和工業系統中,電子產品的種類越來越豐富、也越來越複雜,由於電源仍然充滿了尖峰和突波,因此必須保護敏感設備免受暫態響應,使敏感設備不會出現故障,以致於需花費昂貴的維修費用。隨著汽車電子產品複雜性的提高,用於常規濾波、箝位和雜訊抑制方法的空間更越來越少,LT4356突波抑制器,則為寶貴和對行車安全至為關鍵的下游元件提供了可靠的前端保護,其有助於減少必需的電路板空間,同時降低與隔離二極體和濾波器電感有關的熱損和電壓消耗,透過更高的效率和更寬的可用電壓範圍,將允許設計者在空間受限的產品中納入更豐富的功能。

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