PPTC器件保護汽車電子設(shè)備免受電源極性反接的損害

中心議題：

• 汽車電子設(shè)備電源極性接反的傳統(tǒng)二極管保護方式
• 汽車電子設(shè)備電源極性接反的聚合物正溫度系數(shù)保護方式

解決方案：

• 大功率MOSFET電路的保護
• 電機保護

汽車電子設(shè)備必須具備應(yīng)對電源極性接反故障的保護功能。當(dāng)跳線電纜連接到錯誤的極性端子，或者連接到過放電的蓄電池時，以及在新蓄電池的安裝位置顛倒時都會發(fā)生電源極性接反，如果不采取相應(yīng)的保護措施，過多的熱量會導(dǎo)致電子模塊出現(xiàn)故障，或者導(dǎo)致汽車上的負(fù)載設(shè)備如電磁閥和電機出現(xiàn)故障，造成不安全隱患。傳統(tǒng)的保護技術(shù)較為昂貴，并且會造成電壓降過大，從而影響某些系統(tǒng)的性能。而采用聚合物正溫度系數(shù)（PPTC）器件的新技術(shù)，例如Raychem的PolySwitch產(chǎn)品，就能同時解決這些缺點，而且還具有其他的優(yōu)勢。

傳統(tǒng)的二極管保護方式

為了保護電子模塊不因蓄電池極性接反而損壞，常用的解決方案是使用一個正向?qū)ǎㄕ鳎┒O管來防止電流反向流動（見圖1）。

采用正向?qū)ǘO管最根本的缺點就是內(nèi)在的電壓損耗（0.7～1.0V），以及電子模塊的實際供電電壓降低。對于系統(tǒng)中的某些汽車電子模塊（如發(fā)動機控制裝置）來說，工作電壓是至關(guān)重要的，而且減少任何形式的電壓降（例如正向?qū)ǘO管兩端的電壓值）對于確保車輛在蓄電池電壓較低的狀態(tài)下正常起動具有重要的意義。在另外一些情況下，例如音頻系統(tǒng)，系統(tǒng)電壓對輸出功率（Po=V*I=V2/R）有著直接的影響。也就是說，會直接影響音頻性能。為了將電壓損耗控制到最低，某些電子模塊采用了肖特基二極管來降低電壓降，一般情況下可將電壓降控制在0.5V以下。

如果在電池極性接反的保護中使用了標(biāo)準(zhǔn)的整流二極管或肖特基二極管，二極管的電流承載能力（電流額定值）就取決于將要連接到二極管上的負(fù)載的大小。在通過電子模塊的電流值小于1A時，標(biāo)準(zhǔn)整流正向?qū)ǘO管的成本相對較低（低于0.05美元）。但是，如果使用了肖特基二極管，或者電流超過1A時，其成本就會相對增加。

在選擇正向?qū)ǘO管的大小時需要考慮的另一個因素是浪涌電流的大小，以及設(shè)備能夠吸收和分散在“負(fù)載斷流”時所發(fā)生的浪涌電流的能力。交流發(fā)電機正在供給電流時，將汽車的蓄電池連接斷開，會造成負(fù)載斷流的事件。一般情況下，這種負(fù)載斷流的波形在幾毫秒內(nèi)將達(dá)到其峰值電壓。而對于硅器件來說，通常需要考慮到最差情況下的額定值。

聚合物正溫度系數(shù)保護方式

例如PolySwitch的產(chǎn)品等聚合物正溫度系數(shù)器件，由半晶體聚合物和導(dǎo)電性顆粒的復(fù)合體組成。在正常的運行狀態(tài)下，器件內(nèi)的導(dǎo)電性顆粒形成一個允許電流流過的低阻值通路。而在造成溫度過高的故障狀態(tài)下，例如過電流或環(huán)境溫度過高的情況，聚合物內(nèi)的晶體開始融化，并形成一種無定形物質(zhì)，并造成導(dǎo)電顆粒之間的分離，導(dǎo)致器件的電阻值出現(xiàn)非常大的非線性增加。這種電阻值的增加通常在3個數(shù)量級以上，從而將電流降低至相對較低和安全的水平。PolySwitch聚合物正溫度系數(shù)器件在故障清除后和電路電源斷開后復(fù)位。

采用PolySwitch器件來取代上述應(yīng)用中的正向?qū)ǘO管（見圖2），提供了包括減少電壓降等多項優(yōu)勢，這是因為聚合物正溫度系數(shù)（PPTC）器件兩端的電壓降一般在0.1V以上。其次，聚合物正溫度系數(shù)（PPTC）器件可對其他類型的電子部件提供額外的保護（伴熱、導(dǎo)線、繼電器和固態(tài)部件等）。

大功率MOSFET電路的保護

對于將大功率MOSFET用于各種負(fù)載的固態(tài)開關(guān)動作的電子模塊，其他極性接反的情況主要集中在驅(qū)動配置的高壓側(cè)或低壓側(cè)（見圖3a）。在極性接反的狀態(tài)下，大功率MOSFET的內(nèi)在二極管變?yōu)檎蚱?，并允許電流能夠流至與其連接的電機、燈或電磁閥負(fù)載（見圖3b）。

這不會形成一種瞬間破壞的故障狀態(tài)。但是，場效應(yīng)管的功率消耗通常將增加約5倍，這是由于器件兩端的電壓降在這種情況下約為1V（電流流經(jīng)內(nèi)在二極管的PN結(jié)），而不是0.2V的額定正向VDS 電壓（按場效應(yīng)管漏極至源極之間進行測量）。除非采用正確的熱量控制慣例，如使用尺寸足夠大的散熱器來耗散在極性接反狀態(tài)持續(xù)期間產(chǎn)生的熱量，否則在這種情況下持續(xù)工作將燒毀MOSFET。

這一附加散熱器將增加本應(yīng)用中的成本、重量和尺寸，而這些正是汽車制造商和供應(yīng)商希望減少的領(lǐng)域。即使是采用熱保護場效應(yīng)晶體管，例如TEMPFET，仍無法防止在這種條件下不被燒毀，其原因在于場效應(yīng)管的門極無法控制流經(jīng)內(nèi)在二極管的電流。

增加一個與負(fù)載串聯(lián)的聚合物正溫度系數(shù)器件，并將它與旁路二極管進行耦合（參見圖4d），能夠提供蓄電池極性接反故障的保護，并且可以采用尺寸較小的散熱器。更為重要的是，它能夠防止電流的反向流動，從而避免了電磁閥或電機的異常動作。

感應(yīng)負(fù)載和蓄電池極性接反

對于感應(yīng)負(fù)載，最為常見的處理方法是采用連接在負(fù)載兩端的續(xù)流二極管，以抑制在負(fù)載切斷時所產(chǎn)生的電壓毛刺。圖4a所示為用作高壓側(cè)和低壓側(cè)開關(guān)的帶感應(yīng)負(fù)載的大功率MOS場效應(yīng)晶體管。在極性接反的狀態(tài)下，電流將通過場效應(yīng)管中的正向偏置的內(nèi)在二極管和并聯(lián)在負(fù)載兩端的續(xù)流二極管進行流動，在電源的正極和負(fù)極端子之間建立起一個直接的短路通路（圖4b）。制止這種電流流動的一種方式是，使用如圖4c所示的正向?qū)ǘO管。但是，對于大電流負(fù)載，如前所述，這一解決方案可能因成本過高而無法采用。另一種替代方案是使用聚合物正溫度系數(shù)器件，將其與較小的整流二極管耦合，這樣只需耐受聚合物正溫度系數(shù)器件“分?jǐn)?rdquo;所需要的浪涌電流，這點與必須連續(xù)支持全負(fù)載電流的正向?qū)ǘO管不同。

電機保護

絕大多數(shù)為使乘車者更加舒適和方便的小功率電機都是電刷式直流電機。雙向電機（如動力車窗、動力座位和動力鎖）的驅(qū)動方式是采用一個“H橋”配置，由4個大功率MOS場效應(yīng)晶體管按圖5a中的方便連接而成。

在使電機正向旋轉(zhuǎn)時，場效應(yīng)管1和4同時接通;而要使電機反向旋轉(zhuǎn)時，場效應(yīng)管2和3要同時接通。在反向極性連接情況下，對H橋電路所產(chǎn)生的等效電路為兩個串聯(lián)內(nèi)在二極管并聯(lián)在電源的正極和負(fù)極端子之間（見圖5b），所以實際上建立了短路通路。

基于上述相同的原因，使用一個串聯(lián)的正向?qū)ǘO管可能在經(jīng)濟上并不可行。但是，通過使用串聯(lián)的聚合物正溫度系數(shù)器件，既有助于提供經(jīng)濟可行的極性接反保護方式，而且同時將系統(tǒng)內(nèi)的電壓損耗降至最低（見圖5c）。在極性接反條件下的等效電路如圖5d所示。一般情況下，場效應(yīng)管的內(nèi)在二極管便于提供能使聚合物正溫度系數(shù)器件在毫秒內(nèi)分?jǐn)嗨璧呐R時浪涌電流。

如圖2、3b、4d和5d所示的電路，在極性接反狀態(tài)下建立電流通路的二極管，必須具備一定的浪涌容量額定值，從而在二極管的安全運行區(qū)（SOA）內(nèi)造成PPTC器件分?jǐn)?。也就是說，聚合物正溫度系數(shù)器件的“分?jǐn)鄷r間”絕對不得超過二極管的浪涌電流的時間限制。聚合物正溫度系數(shù)器件可在一系列的電流和最大分?jǐn)鄷r間額定值范圍內(nèi)進行選擇，以滿足絕大多數(shù)應(yīng)用的需求。

降低汽車的功率損失

隨著汽車負(fù)載量的不斷增加，汽車制造商及其電子系統(tǒng)供應(yīng)商正在策劃下一代的汽車供電系統(tǒng)，以取代自20世紀(jì)50年代以來一直應(yīng)用于汽車的12V蓄電池系統(tǒng)。這項PowerNet技術(shù)規(guī)定了汽車電源的電壓限制為目前常規(guī)系統(tǒng)的3倍。

這個42V的系統(tǒng)，包括針對仍可用于雙電壓結(jié)構(gòu)的12V產(chǎn)品的更嚴(yán)格的技術(shù)規(guī)范。因此，目前功率較低的產(chǎn)品仍能夠繼續(xù)使用多年，并與功率更高的產(chǎn)品相結(jié)合，共同應(yīng)用在42V的總線上。由于成本與演進至42V電源的過程息息相關(guān)，汽車制造商正試圖延緩這一過程，并尋求能夠降低功率消耗的任何機會。

降低功率消耗的一種方式是采用無刷式直流電流以取代有刷電機，特別是針對功率更高的應(yīng)用。無刷式直流電機具備不會發(fā)生磨損的優(yōu)點，并且由于不帶容易產(chǎn)生電弧的電刷，從而減少了電磁干擾。在三相式無刷電機中，場效應(yīng)管電橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是3個分支，與有刷直流電機的2個分支相似。蓄電池極性接反對無刷直流電機具有相同的影響，不過所幸的是，在圖5c中所建議的聚合物正溫度系數(shù)器件蓄電池接反保護配置方式也可用于無刷直流電機中。

使用聚合物正溫度系數(shù)器件來替代串聯(lián)二極管，對于那些已經(jīng)接近可用電源系統(tǒng)全部能力的車型來說，能夠提供其他額外的好處。由于串聯(lián)二極管的功率損耗與電壓成正比，在20A的電路中將0.7V的二極管電壓降低到大約0.1V，能夠減少（0.7－0.1）×20＝12W。在一般車輛所采用的數(shù)10臺電機中，這項技術(shù)在一般情況下能夠節(jié)省100W以上的功率。

而這三項節(jié)省的方式有可能將轉(zhuǎn)變到更高電壓系統(tǒng)的過程推遲1～2年。某些車型如通用的GMC Sierra和Chevrolet Silverado，將在2004年車型中采用有限的42V系統(tǒng)。在為42V汽車制訂的技術(shù)規(guī)范中，不允許出現(xiàn)蓄電池接反的現(xiàn)象。這些業(yè)經(jīng)討論的方法能夠幫助汽車制造商保證這些技術(shù)規(guī)范得到滿足。