低靜態(tài)電流浪涌抑制器： 提供堅固的汽車電源保護，符合 ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 要求

汽車電源產生可怕的瞬態(tài)，可以輕而易舉地摧毀遭遇瞬態(tài)的車載電子組件。隨著時間推移，汽車中的電子組件迅速增多，對于各種已注意到的故障，汽車制造商該遇到的都遇到了，因此編輯了一份導致這些已注意到的故障之電源瞬態(tài)目錄。制造商已經獨立制定了標準和測試程序，以防止敏感電子組件受瞬態(tài)事件損害。不過，汽車制造商最近又與國際標準化組織 (ISO) 合作制定了 ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 標準，這些標準描述了可能發(fā)生的瞬態(tài)，并規(guī)定了測試方法以模擬這些瞬態(tài)。

ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 標準

ISO 7637 名為 “公路車輛 ─ 來自傳導及耦合的電氣干擾”，是一種電磁干擾兼容性 (EMC) 規(guī)范。本文探討這個文件 3 個組成部分的第二部分 ISO 7637-2，標題為 “第二部分：僅沿電源線傳導的電氣瞬態(tài)”。

盡管 ISO 7637 主要是一種 EMC 規(guī)范，但是 2011 年之前，該規(guī)范也包括與電源質量有關的瞬態(tài)部分。2011 年，與電源質量而不是 EMC 有關的那些部分轉移到了 ISO 16750 “公路車輛 ─ 電氣與電子設備的環(huán)境條件與測試” 中，成為 ISO 16750 5 個組成部分的第二部分：“第二部分：電氣負載”。

盡管大多數制造商仍然遵循自己的規(guī)范和要求而不是嚴格遵循 ISO 7637-2 和 ISO 16750-2，但發(fā)展趨勢是，制造商的規(guī)范更加嚴格地遵循 ISO 標準，與 ISO 標準相比僅有微小變化。

ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 提供面向 12V 和 24V 系統(tǒng)的規(guī)范。為簡單起見，本文僅討論 12V 規(guī)范，并針對連接到汽車 12V 電源的電子組件提供一種保護電路。

負載突降

負載突降是最具挑戰(zhàn)性的電源瞬態(tài)，因為這一瞬態(tài)事件中涉及很高的能量。當交流發(fā)電機給電池充電，以及電池連接缺失時，就發(fā)生負載突降事件。

沒有內部電壓箝位的交流發(fā)電機

最初，汽車中的交流發(fā)電機是沒有箝位的，在負載突降時可能產生異常高的電壓，對 12V 系統(tǒng)而言大約為 100V。較新的交流發(fā)電機從內部箝位，以在負載突降時，將最高電壓限制到較低的值。因為存在較老的交流發(fā)電機，而一些新的交流發(fā)電機也不包含內部箝位，所以 ISO 16750-2 中的負載突降規(guī)范分成了 “測試 A ─ 沒有集中式負載突降抑制” 和 “測試 B ─ 有集中式負載突降抑制”。

圖 1 所示原理圖顯示了一個由交流發(fā)電機的 3 相定子繞組和 6 個二極管組成的整流器構成之電路，該電路將定子的 AC 輸出轉換成 DC，以給電池充電。當電池連接缺失時，所產生的電流如圖 2 所示。因為沒有電池吸收定子的電流，所以輸出電壓會像未箝位負載突降時所能看到的那樣，急劇上升至非常高的值，如 ISO 16750-2 規(guī)范中給出的圖 3 所示。這種情況對應于 “測試 A — 沒有集中式負載突降抑制” 中未箝位的交流發(fā)電機的情況。

圖 1：標準交流發(fā)電機的 3 相定子繞組和 6 個二極管組成的整流器產生一個 DC 輸出電壓

圖 2：未箝位負載突降：如果充電時電池連接缺失，交流發(fā)電機的輸出電壓可能迅速上升至 100V。

圖 3：ISO 16750-2 規(guī)范 (“測試 A”) 中描述的未箝位負載突降脈沖波形

具內部電壓箝位的交流發(fā)電機

較新的交流發(fā)電機使用雪崩二極管，這種二極管很好地規(guī)定了反向擊穿電壓，可在負載突降時限制最高電壓。圖 4 顯示，在使用 6 個雪崩二極管整流器的箝位交流發(fā)電機中，出現負載突降故障時的電流流動情況。如果汽車制造商強制采用箝位的交流發(fā)電機，那么 “測試 B — 有集中式負載突降抑制” 就適用。圖 5 顯示了 ISO 16750-2 中 “測試 B” 的箝位波形。盡管 ISO 16750-2 針對箝位情況規(guī)定了 35V 最高電壓，但是要知道，很多制造商在這一點上偏離了 ISO 16750-2，而提供自己的最高電壓規(guī)范。

圖 4：箝位負載突降：內部箝位的交流發(fā)電機使用之二極管很好地規(guī)定了反向擊穿電壓，可在負載突降時將輸出電壓限制到 35V。

圖 5：箝位的交流發(fā)電機負載突降脈沖波形

另外要知道，當負載突降規(guī)范屬于 ISO 7637-2 的組成部分時，僅規(guī)定了一個脈沖。但是當負載突降規(guī)范 2011 年轉移到 ISO 16750-2 中時，最低測試要求增加到包括多個脈沖，且脈沖之間的時間間隔為 1 分鐘。

TVS (瞬態(tài)電壓抑制器) 保護問題

在 ISO 16750-2 中，“測試 A” 和 “測試 B” 中交流發(fā)電機的內部電阻 R_i 規(guī)定為 0.5Ω 至 4Ω。這限制了提供給保護電路的最大能量。

不過，針對 ISO 16750-2 負載突降瞬態(tài)實施保護的人常常忽視的一個事實是：內部電阻 R_i 不是與 35V 箝位電壓串聯的。R_i 實際上出現在雪崩二極管之前，如圖 6 所示。

圖 6：如果車載電子組件由擊穿電壓低于交流發(fā)電機箝位電壓的 TVS 二極管保護，那么 TVS 二極管將被迫吸收交流發(fā)電機的所有能量。

如果車載電子組件局部上由并聯器件保護，例如擊穿電壓低于 35V 的 TVS 二極管，那么 TVS 也許會被迫吸收交流發(fā)電機的能量。在這種情況下，交流發(fā)電機的內部箝位幾乎沒什么用處。負載突降的全部能量都傳遞給了車載電子組件的 TVS。有時在電子組件和 TVS 二極管之前放置一個串聯電阻器，但不幸的是，即使在正常運行時，電阻器也會引入壓降和額外的功耗。

采用浪涌抑制器的有源保護之優(yōu)勢

一種更好的解決方案是使用一個串聯的有源保護器件，例如 LTC4380 低靜態(tài)電流浪涌抑制器。LTC4380 的方框圖如圖 7 所示。完整的汽車保護解決方案如圖 8 所示。

圖 7：LTC4380 浪涌抑制器的方框圖

圖 8：基于 LTC4380 的電路針對 ISO 16750-2 和 ISO 7637-2 瞬態(tài)保護下游電子組件，同時提供高達 4A 的輸出電流。

從本質上看，浪涌抑制器無需依靠交流發(fā)電機的內部電阻，就可針對負載突降以及 ISO 16750-2 和 ISO 7637-2 中規(guī)定的其他情況保護下游電子組件。圖 8 所示浪涌抑制器解決方案提供不間斷電源，同時依靠箝位的交流發(fā)電機運行。此外，如果遭遇未箝位的交流發(fā)電機導致的負載突降情況，這個解決方案不會被損壞。在未箝位的情況下，浪涌抑制器可以關斷，以保護自身，然后在冷卻期之后自動重新向負載供電。需要提到的重要一點是，電源僅在存在多個同時發(fā)生的故障時才關斷：不恰當地安裝了未箝位的交流發(fā)電機和充電時電池連接缺失。

浪涌抑制器保護方案的運行

圖 8 中的設計針對 ISO 16750-2 和 ISO 7637-2 瞬態(tài)保護下游電子組件，同時提供高達 4A 的輸出電流。同時，該設計還保護上游系統(tǒng)免受過流事件影響，例如下游電子組件中的短路故障等情況引起的過流事件。做到這些的同時，該解決方案還消耗極小的 35µA 靜態(tài)電流。新式汽車即使未運行時，也有無數負載消耗著電池電量，因此極小的靜態(tài)電流是一個重要的考慮因素。

這一保護解決方案基于 LTC4380 低電源電流浪涌抑制器，在輸入電壓最高達 100V 時，可將輸出電壓限制到 22.7V，因此可針對 ISO 16750-2 負載突降以及 ISO 7637-2 脈沖 1、2a、2b、3a 和 3b 提供充分的保護。該解決方案還在電池反向的情況下防止電流流動，并在 ISO 16750-2 附加的 1 級嚴重性情況下之交流電壓測試中，提供連續(xù)供電，在 1 級嚴重性時，峰值至峰值 AC 電壓為 1V。(存在較高的 AC 電壓時，也許暫時關斷電源。) 當輸入電壓降至 4V 時，會向負載連續(xù)供電，以滿足 ISO 16750-2 的最低電源電壓要求。

在這個電路中，通過限制功耗較大情況的持續(xù)時間來保護 MOSFET，例如輸入電壓在負載突降時迅速升高或輸出短路至地的情況。如果故障超出 ISO 16750-2 和 ISO 7637-2 中規(guī)定的條件范圍，MOSFET M2 就關斷，以保護電路，并在恰當的延遲時間后重新加電。

例如，一個持續(xù)的 100V 輸入電壓或下游短路故障會導致浪涌抑制器通過限制 M2 中的電流來進行自我保護，然后如果故障持續(xù)，就徹底關斷 M2。與分流型保護相比，這種方法有顯著優(yōu)勢，分流型保護必須連續(xù)消耗功率，最好情況下會熔斷保險絲，而最壞情況下會著火。

負載突降和過壓保護

為了理解圖 8 所示電路的運行，我們對 LTC4380 進行一下簡化描述。在正常工作時，LTC4380 的內部充電泵驅動 GATE 引腳以提高 M2 的電平。GATE 端的電壓被箝位到高于地電平最多 35V (當 SEL = 0V)，因此將 M2 的源極輸出電壓限制到低于 35V。

圖 8 所示電路進一步改進了這個電壓限制，通過增加一個 22V 雪崩二極管 D3，結合 R6、R7、R8 和 Q2，就可將輸出電壓穩(wěn)定為雪崩二極管電壓的最大值 22V 加上 Q2 約為 0.7V 的基極-射極電壓。當輸出電壓超過 22V + 0.7V = 22.7V 時，Q2 略微下拉 M2 的 GATE，以將 M2 的源極和輸出電壓穩(wěn)定在 22.7V 上。

反向保護

MOSFET M1 與 D1、D2、R1、R3、R4 和 Q1 相結合，保護電路免受反向電壓情況影響。當輸入降至低于地時，Q1 將 M1 的柵極下拉至負輸入電壓，保持 MOSFET 處于關斷狀態(tài)。當電池反向連接時，這可防止出現反向電流，并保護輸出免受負輸入電壓影響。

當輸入為正時，D2 和 R3 允許 LTC4380 的內部充電泵在正常工作時提高 M1 的電平，以便 M1 有效地成為一個簡單的通過器件，從而在 NXP PSMN4R8-100BSE 中消耗低于 I²R = (4A)² • 4.1mΩ = 66mW 的功率。

SOA 限制

當輸入電壓為高電平時，通過控制 MOSFET M2 將這個電路的輸出電壓限制到安全水平。這會產生很大的功耗，因為 M2 兩端的電壓下降了，同時在輸出端還要向負載提供電流。

如果輸入遭遇了持續(xù)的過壓情況，或者在電路輸出端的車載電子組件中發(fā)生了過流故障，那么經過定時器網絡配置的時間間隔后，就通過關斷來保護 M2，定時器網絡由 R13、R14、R15、C4、C5、C6 和 C14 組成。當 M2 處于電流限制狀態(tài)時，LTC4380 TMR 引腳的輸出電流與 MOSFET M2 兩端的電壓成比例。

實際上，TMR 電流與 MOSFET M2 中消耗的功率成比例。TMR 引腳端的電阻器 / 電容器網絡與 MOSFET 的瞬態(tài)熱阻電氣模型類似。這個網絡用來限制 MOSFET 溫度上升的最大值，以使 MOSFET 保持在規(guī)定的安全工作區(qū)之內。

因為在漏-源電壓很高時，可允許的 MOSFET SOA 電流降低，所以當 IN 至 OUT 電壓超過 20V 加上 Q3 的基-射電壓時，20V 雪崩二極管 D6 與 R9、R11 和 Q3 一起為定時器網絡提供額外的電流。4.7V 雪崩二極管 D7 與 Q4、R12 和 C3 一起，防止這一額外的電流將 TMR 引腳拉至高于規(guī)定的 5V 最高電壓。

當輸入上升至高電壓時，這個 SOA 跟蹤電路允許仍然給輸出安全供電。不過，如果大功率故障情況持續(xù)太長時間，該電路就通過關斷 M2 實行自我保護。

過熱保護

LTC4380 TMR 引腳端的電阻器 / 電容器網絡針對快于約 1 秒的事件提供保護。就較慢速的事件而言，連接到 LTC4380 ON 引腳的電路限制 M2 的外殼溫度。

熱敏電阻器 R_PTC 是一種小型表面貼裝 0402 尺寸的組件，在 115°C 時電阻為 4.7k。高于 115°C 時，其電阻隨溫度變化呈指數上升。為了防止定時器網絡錯誤地對這個功率倍增器的偏移進行積分，在 M2 的漏-源電壓達到 0.7V 之前，LTC4380 在 TMR 引腳端不產生定時器電流。在 4A、0.7V 時，MOSFET 可能連續(xù)消耗 0.7V x 4A = 2.8W 功率，而 TMR 網絡不會檢測到 MOSFET 的溫度上升。如果 MOSFET M2 的外殼溫度超過 115°C，PTC 電阻器 R_PTC 就與電阻器 R17 至 R21 以及晶體管 Q5A、Q5B、Q6A、Q7A 和 Q7B 一起關斷電路。

不必因過熱保護電路中的組件數量而感到沮喪。總體解決方案相對容易實現，由占用很少電路板面積的小型組件組成。這個電路是自偏置的，當 R_PTC 等于 R20 的 4.75kΩ 電阻值時，電路是平衡的。當靠近 M2 放置的 R_PTC 之溫度超過 115°C 時，其電阻增大，并導致流經 Q5B 的電流大于流經 Q5A 的電流。因為這導致經過 R17 的電流大于經過 R18 的電流，所以 Q8A 的基極電壓上升，Q8A 的集電極將 LTC4380 的 ON 引腳拉低，從而關斷 M2。在較低溫度時，Q5A 的電流大于 Q5B 的電流，Q8A 仍然保持關斷，從而允許 ON 引腳的內部上拉電路保持 ON 引腳為高電平。請注意，通過連接成二極管的器件 Q8B，ON 引腳的電流被用作這個自偏置電路的啟動電流。

結論

ISO 16750-2 和 ISO 7637-2 規(guī)范描述了汽車系統(tǒng)中可能發(fā)生的富挑戰(zhàn)性之電氣瞬態(tài)。LTC4380 低靜態(tài)電流浪涌抑制器可用來針對這類瞬態(tài)保護車載電子組件，這類瞬態(tài)包括箝位和未箝位的負載突降脈沖。面對來自新式箝位交流發(fā)電機的負載突降脈沖時，本文給出的電路提供不間斷運行。面對更加極端的未箝位負載突降脈沖時，該電路關斷以保護下游電子組件。結果是，為吸取高達 4A 電源電流的電子組件提供了一款符合 ISO 16750-2 和 ISO 7637-2 要求的堅固型解決方案。