PPTC器件保護(hù)汽車(chē)電子設(shè)備免受電源極性反接的損害

中心議題：

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

解決方案：

• 大功率MOSFET電路的保護(hù)
• 電機(jī)保護(hù)

汽車(chē)電子設(shè)備必須具備應(yīng)對(duì)電源極性接反故障的保護(hù)功能。當(dāng)跳線電纜連接到錯(cuò)誤的極性端子，或者連接到過(guò)放電的蓄電池時(shí)，以及在新蓄電池的安裝位置顛倒時(shí)都會(huì)發(fā)生電源極性接反，如果不采取相應(yīng)的保護(hù)措施，過(guò)多的熱量會(huì)導(dǎo)致電子模塊出現(xiàn)故障，或者導(dǎo)致汽車(chē)上的負(fù)載設(shè)備如電磁閥和電機(jī)出現(xiàn)故障，造成不安全隱患。傳統(tǒng)的保護(hù)技術(shù)較為昂貴，并且會(huì)造成電壓降過(guò)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(shí)解決這些缺點(diǎn)，而且還具有其他的優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)的二極管保護(hù)方式

為了保護(hù)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(gè)正向?qū)ǎㄕ鳎┒O管來(lái)防止電流反向流動(dòng)（見(jiàn)圖1）。

采用正向?qū)ǘO管最根本的缺點(diǎn)就是內(nèi)在的電壓損耗（0.7～1.0V），以及電子模塊的實(shí)際供電電壓降低。對(duì)于系統(tǒng)中的某些汽車(chē)電子模塊（如發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置）來(lái)說(shuō)，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(duì)于確保車(chē)輛在蓄電池電壓較低的狀態(tài)下正常起動(dòng)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(duì)輸出功率（Po=V*I=V2/R）有著直接的影響。也就是說(shuō)，會(huì)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(lái)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(hù)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(guò)電子模塊的電流值小于1A時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)整流正向?qū)ǘO管的成本相對(duì)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(guò)1A時(shí)，其成本就會(huì)相對(duì)增加。

在選擇正向?qū)ǘO管的大小時(shí)需要考慮的另一個(gè)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(shí)所發(fā)生的浪涌電流的能力。交流發(fā)電機(jī)正在供給電流時(shí)，將汽車(chē)的蓄電池連接斷開(kāi)，會(huì)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(duì)于硅器件來(lái)說(shuō)，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(hù)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(yùn)行狀態(tài)下，器件內(nèi)的導(dǎo)電性顆粒形成一個(gè)允許電流流過(guò)的低阻值通路。而在造成溫度過(guò)高的故障狀態(tài)下，例如過(guò)電流或環(huán)境溫度過(guò)高的情況，聚合物內(nèi)的晶體開(kāi)始融化，并形成一種無(wú)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(gè)數(shù)量級(jí)以上，從而將電流降低至相對(duì)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(kāi)后復(fù)位。

采用PolySwitch器件來(lái)取代上述應(yīng)用中的正向?qū)ǘO管（見(jiàn)圖2），提供了包括減少電壓降等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)榫酆衔镎郎囟认禂?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(duì)其他類(lèi)型的電子部件提供額外的保護(hù)（伴熱、導(dǎo)線、繼電器和固態(tài)部件等）。

大功率MOSFET電路的保護(hù)

對(duì)于將大功率MOSFET用于各種負(fù)載的固態(tài)開(kāi)關(guān)動(dòng)作的電子模塊，其他極性接反的情況主要集中在驅(qū)動(dòng)配置的高壓側(cè)或低壓側(cè)（見(jiàn)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(jī)、燈或電磁閥負(fù)載（見(jiàn)圖3b）。

這不會(huì)形成一種瞬間破壞的故障狀態(tài)。但是，場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管漏極至源極之間進(jìn)行測(cè)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(lái)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(chē)制造商和供應(yīng)商希望減少的領(lǐng)域。即使是采用熱保護(hù)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，例如TEMPFET，仍無(wú)法防止在這種條件下不被燒毀，其原因在于場(chǎng)效應(yīng)管的門(mén)極無(wú)法控制流經(jīng)內(nèi)在二極管的電流。

增加一個(gè)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(jìn)行耦合（參見(jiàn)圖4d），能夠提供蓄電池極性接反故障的保護(hù)，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(dòng)，從而避免了電磁閥或電機(jī)的異常動(dòng)作。

感應(yīng)負(fù)載和蓄電池極性接反

對(duì)于感應(yīng)負(fù)載，最為常見(jiàn)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(shí)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(kāi)關(guān)的帶感應(yīng)負(fù)載的大功率MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在極性接反的狀態(tài)下，電流將通過(guò)場(chǎng)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(jìn)行流動(dòng)，在電源的正極和負(fù)極端子之間建立起一個(gè)直接的短路通路（圖4b）。制止這種電流流動(dòng)的一種方式是，使用如圖4c所示的正向?qū)ǘO管。但是，對(duì)于大電流負(fù)載，如前所述，這一解決方案可能因成本過(guò)高而無(wú)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(diǎn)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(jī)保護(hù)

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

在使電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管1和4同時(shí)接通;而要使電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管2和3要同時(shí)接通。在反向極性連接情況下，對(duì)H橋電路所產(chǎn)生的等效電路為兩個(gè)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(jiàn)圖5b），所以實(shí)際上建立了短路通路。

基于上述相同的原因，使用一個(gè)串聯(lián)的正向?qū)ǘO管可能在經(jīng)濟(jì)上并不可行。但是，通過(guò)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(jì)可行的極性接反保護(hù)方式，而且同時(shí)將系統(tǒng)內(nèi)的電壓損耗降至最低（見(jiàn)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(chǎng)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(shí)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(yùn)行區(qū)（SOA）內(nèi)造成PPTC器件分?jǐn)?。也就是說(shuō)，聚合物正溫度系數(shù)器件的“分?jǐn)鄷r(shí)間”絕對(duì)不得超過(guò)二極管的浪涌電流的時(shí)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(shí)間額定值范圍內(nèi)進(jìn)行選擇，以滿足絕大多數(shù)應(yīng)用的需求。

降低汽車(chē)的功率損失

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

這個(gè)42V的系統(tǒng)，包括針對(duì)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(jìn)至42V電源的過(guò)程息息相關(guān)，汽車(chē)制造商正試圖延緩這一過(guò)程，并尋求能夠降低功率消耗的任何機(jī)會(huì)。

降低功率消耗的一種方式是采用無(wú)刷式直流電流以取代有刷電機(jī)，特別是針對(duì)功率更高的應(yīng)用。無(wú)刷式直流電機(jī)具備不會(huì)發(fā)生磨損的優(yōu)點(diǎn)，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(wú)刷電機(jī)中，場(chǎng)效應(yīng)管電橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是3個(gè)分支，與有刷直流電機(jī)的2個(gè)分支相似。蓄電池極性接反對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)具有相同的影響，不過(guò)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(hù)配置方式也可用于無(wú)刷直流電機(jī)中。

使用聚合物正溫度系數(shù)器件來(lái)替代串聯(lián)二極管，對(duì)于那些已經(jīng)接近可用電源系統(tǒng)全部能力的車(chē)型來(lái)說(shuō)，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(chē)輛所采用的數(shù)10臺(tái)電機(jī)中，這項(xiàng)技術(shù)在一般情況下能夠節(jié)省100W以上的功率。

而這三項(xiàng)節(jié)省的方式有可能將轉(zhuǎn)變到更高電壓系統(tǒng)的過(guò)程推遲1～2年。某些車(chē)型如通用的GMC Sierra和Chevrolet Silverado，將在2004年車(chē)型中采用有限的42V系統(tǒng)。在為42V汽車(chē)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(chē)制造商保證這些技術(shù)規(guī)范得到滿足。