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汽车电子电源保护电路设计攻略 —电路图天天读(143)

作者:时间:2017-10-28来源:网络收藏

  车环境对电子产品而言是非常苛刻的:任何连接到12V电源上的电路都必须工作在9V至16V的标称电压范围内,其它需要迫切应对的问题包括负载突降、冷车发动、电池反向、双电池助推、尖峰信号、噪声和极宽的温度范围。在负载突降时,交流发电机的输出电压迅速升高到60V或更高的电压;冷车发动指的是在低温时起动汽车,这会引起电池电压下降至6V或更低;电池反向是在激活一个没电的电池时,由于粗心地将电缆极性接反造成的。很多牵引车都配备两个串联起来的12V电池,以在寒冷的天气中帮助起动一个电池没电的汽车。这将使电气系统的电压范围提高到了28V,直到汽车起动且牵引车司机断开跨接电缆为止。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201710/369170.htm

  无源

  用于产品的无源保护网络如图1所示。与此相同或类似的电路广泛用于保护与汽车 12V 总线连接的各种系统。这种网络防止高压尖峰、持续过压、电池反向和电流过度消耗造成损害。图1的电流保护作用很明显,如果负载电流超过1A的时间很长,保险丝F1就会熔化。D1与F1结合防止电池反向连接造成损害,大电流流经正向偏置的D1并烧断保险丝。电解电容器大约在额定电压的150%时有一个有趣的特性:随着终端电压的提高,这种电容消耗的电流也越来越大,就C1而言,它在输入持续升高时起箝位作用(最终烧断保险丝)。双电池助推时的电压为28V左右,这不会烧断保险丝,因为C1 25V的额定值足够高,额外消耗的电流很少。电感器增加了很小的电阻,以限制峰值故障电流以及输入瞬态的转换率,从而在存在尖峰时帮助C1实现箝位。

  图 1:以简单性为特点的无源保护网络

  无源网络的主要缺点是它依靠烧断保险丝来防止过流、过压和电池反向造成损害。另一个缺点是,它依靠电解电容实现箝位。这种电容器老化以后,电解质会变干,等效串联电阻(ESR)提高的特性也就消失了,这会损害箝位效果。有时D1采用大的齐纳二极管以帮助这个电容器发挥作用。人们已经设计出了有源电路来克服这些缺点。

  有源电路

  图2显示了一个有源解决方案,该方案用于屏蔽敏感电路,使其免受变化不定的12V汽车系统的影响。采用LT1641来驱动输入N沟道 MOSFET,而上述提供无源解决方案就不具备这种附加保护:首先,LT1641在输入低于9V时断开负载,以防在低输入电压时系统失灵,并在起动时或充电系统出现故障时,减少系统向非关键负载提供宝贵的电流的机会;其次,LT1641在首次加电时逐渐升高输出电压,对负载实行软启动;第三,通过限流和定时断路器保护输出免受过载和短路影响。如果发生电流故障,断路器就以1至2Hz的速率自动重新尝试建立连接,可以设定上行线路保险丝的容限,让它在LT1641的下行线路出现电流故障时不熔化;最后,图2所示电路隔离出现在输入端的过压状态,同时提供箝位输出,以便负载电路在出现过压时能继续正常工作。

  在12V输入的通常情况下,LT1641将MOSFET的栅极充电至大约20V以充分提升MOSFET的电压,并向负载提供电源。27V齐纳二极管D1的两端分别连接栅极与地,但是在9至16V的工作电压范围内不起作用。当输入升高到超过16V时,LT1641继续给MOSFET的栅极充电,试图保持MOSFET完全接通。如果输入升得太高,齐纳二极管就会对MOSFET的栅极箝位,并将输出电压限制在大约24V。LT1641本身在其输入端能够处理高达100V的电压,而且不受栅极箝位动作的影响。栅极箝位电路比无源解决方案的箝位电路精确得多,而且简单地通过选择一个具有合适击穿电压的D1,就可以轻松调整栅极箝位电路以满足负载要求。

  图2所示电路在负载电流高达1A左右时工作得很好,但是就更高的负载电流而言,推荐使用图3所示电路来防止MOSFET过度消耗功率。如果过压状态持续存在,如电气系统由两个串联电池供电的时间超过通常所需时间,或负载突降后电流慢速上升以及MOSFET较小时,那么过度消耗功率是有风险的。输出由D1和D2取样,如果输入超过16.7V,那么就向“SENSE”引脚反馈一个信号,以将输出稳定在16.7V。这里的调节比图1所示电路的调节更精确,并且可以通过选择合适的齐纳二极管轻松定制,以满足负载的需求。

  

  图 2:过压瞬态保护器将输出箝位在24V左右,如果输入降至低于9V就断接

  总的功耗由“TIMER”引脚限制,这个引脚记录MOSFET调节输出所用的总时长。如果过压状态持续超过15ms,那么 LT1641就停机并允许MOSFET停止输出调节。在大约半秒钟以后,该电路尝试重新启动。这种重启周期一直持续,直到过压状态消失并恢复正常工作为止。处理过流故障的方法与图2描述的方法相同。

  电池反向保护

  简单地增加一个串联二极管,就可以给图2或图3所示电路增加电池反向保护功能。

  

  图 3:调整箝位电压以在输入浪涌上升时箝位,保护MOSFET免受功率过度消耗的影响

  在大多数情况下,采用普通p-n二极管就可以,如果正向压降很重要,可以选择肖特基二极管。在隔离二极管中的功耗不可接受的关键应用中,图4所示的简单电路就可以解决这个问题。

  

  图 4:用于图2和图3的电池反向保护

  在正常工作情况下,MOSFET Q2的体二极管正向偏置,并传送功率至LT1641。LT1641接通时,Q2栅极获得驱动,从而完全接通。如果输入反向,那么Q3的射极就被拉低至低于地电平,Q3接通,从而将Q2的栅极拉低并保持其接近Q2的源极电平。在这种情况下,Q2保持断开状态,并隔离反向输入,使其不能到达LT1641和负载电路。微安级电流流经1MΩ电阻,到达LT1641的“GATE”引脚。

  高压LDO用作电压限幅器

  最高输入电压额定值为25V或更低的降压稳压器(如LT1616)一般不考虑用于汽车应用。然而,如果与LT3012B/LT3013B等低压差(LDO)线性稳压器结合使用,在输入电压上的缺点就可以轻松克服。这种尺寸小、效率高的组合如图5所示,可以在汽车环境中提供3.3V输出。

  

  图 5:LT3013B用作电压限幅器

  LT3013B拥有4V至80V的宽输入电压范围,并集成了电池反向保护功能,无需特殊电压限制或箝位电路,因此节省了成本和电路板面积。在以适中的负载电流工作时,LDO稳压器的效率近似等于VOUT/VIN。如果VOUT比VIN低得多,那么LDO的效率就会下降。例如,将12V 输入降至3.3V输出时,效率仅为28%。

  在图5中,通过让LT3013B在正常输入电压范围内以低压差方式工作实现更高的效率。在这种情况下,LT3013B的输出电压设定为 24V。该LDO的输出电压仅比VIN低400mV,它以97%的效率为LT1616降压型稳压器供电,而且电压恰好在正常工作电压范围的中间。在负载突降情况下,VIN可能迅速升至高达80V,但是在VIN超过24.4V时,LT3013B将调整它的输出,并将其有效地“限制”在24V,这刚好在 LT1616开关的额定电压范围内。如果VIN上升至高于24.4V,该LDO的效率会下降,但是这种情况持续时间很短,不会产生什么不良后果。LT1616将LT3013B受到限制的输出转换为3.3V。在12V输入时,该开关的效率大约为80%。在冷车发动时,汽车的电压可能降低至5V。在这种情况下,LT1616的输入电压为4.6V,恰好处于它的工作电压范围之内。LT3013B LDO稳压器与LT1616开关结合,在不牺牲效率的前提下,可在12V汽车电气系统典型的宽工作电压范围内提供稳定的3.3V输出。

  一个集成度更高的解决方案是LT3437。LT3437是一个200kHz的单片降压型稳压器,它的输入电压范围为3.3V至80V。其在无负载时的100uA低静态电流是今天始终保持接通系统所必需的。可以在LT3437的输入端串联一个低成本的二极管以提供电池反向保护。



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