汽(qi)車(che)電(dian)源(yuan)產(chan)生(sheng)可(ke)怕(pa)的(de)瞬(shun)態(tai)
，可(ke)以(yi)輕(qing)而(er)易(yi)舉(ju)地(di)摧(cui)毀(hui)遭(zao)遇(yu)瞬(shun)態(tai)的(de)車(che)載(zai)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)。隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)推(tui)移(yi)，汽(qi)車(che)中(zhong)的(de)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)迅(xun)速(su)增(zeng)多(duo)
，對(dui)於(yu)各(ge)種(zhong)已(yi)注(zhu)意(yi)到(dao)的(de)故(gu)障(zhang)，汽(qi)車(che)製(zhi)造(zao)商(shang)該(gai)遇(yu)到(dao)的(de)都(dou)遇(yu)到(dao)了(le)，因(yin)此(ci)編(bian)輯(ji)了(le)一(yi)份(fen)導(dao)致(zhi)這(zhe)些(xie)已(yi)注(zhu)意(yi)到(dao)的(de)故(gu)障(zhang)之(zhi)電(dian)源(yuan)瞬(shun)態(tai)目(mu)錄(lu)。製(zhi)造(zao)商(shang)已(yi)經(jing)獨(du)立(li)製(zhi)定(ding)了(le)標(biao)準(zhun)和(he)測(ce)試(shi)程(cheng)序(xu)，以(yi)防(fang)止(zhi)敏(min)感(gan)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)受(shou)瞬(shun)態(tai)事(shi)件(jian)損(sun)害(hai)。不(bu)過(guo)
，汽(qi)車(che)製(zhi)造(zao)商(shang)最(zui)近(jin)又(you)與(yu)國(guo)際(ji)標(biao)準(zhun)化(hua)組(zu)織(zhi)（ISO）合作製定了ISO 7637-2和ISO 16750-2標準
，這些標準描述了可能發生的瞬態，並規定了測試方法以模擬這些瞬態。

 

 

ISO7637名為“公路車輛——來自傳導及耦合的電氣幹擾”，是一種電磁幹擾兼容性（EMC）規範。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”。

 

盡管ISO 7637主要是一種EMC規範
，但是2011年之前
，該規範也包括與電源質量有關的瞬態部分。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境條件與測試”中，成為ISO 16750五個組成部分的第二部分：“第二部分：電氣負載”。

 

盡管大多數製造商仍然遵循自己的規範和要求而不是嚴格遵循ISO 7637-2和ISO 16750-2，但發展趨勢是，製造商的規範更加嚴格地遵循ISO標準，與ISO標準相比僅有微小變化。

 

ISO 7637-2和ISO 16750-2提供麵向12V和24V係統的規範。為簡單起見，本文僅討論12V規範
，並針對連接到汽車12V電源的電子器件提供一種保護電路。

 

 

fuzaitujiangshizuijutiaozhanxingdedianyuanshuntai，yinweizheyishuntaishijianzhongshejihengaodenengliang。dangjiaoliufadianjigeidianchichongdian，yijidianchilianjiequeshishi，jiufashengfuzaitujiangshijian。

 

 

最初，汽車中的交流發電機是沒有箝位的
，在負載突降時可能產生異常高的電壓，對12V係統而言大約為100V。較(jiao)新(xin)的(de)交(jiao)流(liu)發(fa)電(dian)機(ji)從(cong)內(nei)部(bu)箝(qian)位(wei)
，以(yi)在(zai)負(fu)載(zai)突(tu)降(jiang)時(shi)，將(jiang)最(zui)高(gao)電(dian)壓(ya)限(xian)製(zhi)到(dao)較(jiao)低(di)的(de)值(zhi)。因(yin)為(wei)存(cun)在(zai)較(jiao)老(lao)的(de)交(jiao)流(liu)發(fa)電(dian)機(ji)，而(er)一(yi)些(xie)新(xin)的(de)交(jiao)流(liu)發(fa)電(dian)機(ji)也(ye)不(bu)包(bao)含(han)內(nei)部(bu)箝(qian)位(wei)，所(suo)以(yi)ISO 16750-2中的負載突降規範分成了“測試A——沒有集中式負載突降抑製”和“測試B——有集中式負載突降抑製”。

 

圖1所示原理圖顯示了一個由交流發電機的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規範中給出的圖3所示。這種情況對應於“測試A——沒有集中式負載突降抑製”中未箝位的交流發電機的情況。

 

圖1：標準交流發電機的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
，交流發電機的輸出電壓可能迅速上升至100V。

 

圖3：ISO 16750-2規範（“測試A”）中描述的未箝位負載突降脈衝波形

 

 

較新的交流發電機使用雪崩二極管
，這種二極管很好地規定了反向擊穿電壓，可在負載突降時限製最高電壓。圖4顯示，在使用6個雪崩二極管整流器的箝位交流發電機中
，出現負載突降故障時的電流流動情況。如果汽車製造商強製采用箝位的交流發電機
，那麼“測試B——有集中式負載突降抑製”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針對箝位情況規定了35V最高電壓
，但是要知道，很多製造商在這一點上偏離了ISO 16750-2，而提供自己的最高電壓規範。

 

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

 

圖5：箝位的交流發電機負載突降脈衝波形

 

另外要知道
，當負載突降規範屬於ISO 7637-2的組成部分時，僅規定了一個脈衝。但是當負載突降規範2011年轉移到ISO 16750-2中時，最低測試要求增加到包括多個脈衝，且脈衝之間的時間間隔為1分鍾。

 

 

在ISO 16750-2中，“測試A”和“測試B”中交流發電機的內部電阻Ri規定為0.5Ω至4Ω。這限製了提供給保護電路的最大能量。

 

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

 

圖6：如果車載電子器件由擊穿電壓低於交流發電機箝位電壓的TVS二極管保護，那麼TVS二極管將被迫吸收交流發電機的所有能量。

 

如果車載電子器件局部上由並聯器件保護
，例如擊穿電壓低於35V的TVS二極管

，那麼TVS也ye許xu會hui被bei迫po吸xi收shou交jiao流liu發fa電dian機ji的de能neng量liang。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，交jiao流liu發fa電dian機ji的de內nei部bu箝qian位wei幾ji乎hu沒mei什shen麼me用yong處chu。負fu載zai突tu降jiang的de全quan部bu能neng量liang都dou傳chuan遞di給gei了le車che載zai電dian子zi器qi件jian的deTVS。有時在電子器件和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。

 

 

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低靜態電流浪湧抑製器。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浪湧抑製器的方框圖

 

圖8：基於LTC4380的電路針對ISO 16750-2和ISO 7637-2瞬態保護下遊電子器件，同時提供高達4A的輸出電流。

 

從本質上看
，浪湧抑製器無需依靠交流發電機的內部電阻，就可針對負載突降以及ISO 16750-2和ISO 7637-2中規定的其他情況保護下遊電子器件。圖8所(suo)示(shi)浪(lang)湧(yong)抑(yi)製(zhi)器(qi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)提(ti)供(gong)不(bu)間(jian)斷(duan)電(dian)源(yuan)
，同(tong)時(shi)依(yi)靠(kao)箝(qian)位(wei)的(de)交(jiao)流(liu)發(fa)電(dian)機(ji)運(yun)行(xing)。此(ci)外(wai)

，如(ru)果(guo)遭(zao)遇(yu)未(wei)箝(qian)位(wei)的(de)交(jiao)流(liu)發(fa)電(dian)機(ji)導(dao)致(zhi)的(de)負(fu)載(zai)突(tu)降(jiang)情(qing)況(kuang)，這(zhe)個(ge)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)不(bu)會(hui)被(bei)損(sun)壞(huai)。在(zai)未(wei)箝(qian)位(wei)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，浪(lang)湧(yong)抑(yi)製(zhi)器(qi)可(ke)以(yi)關(guan)斷(duan)，以(yi)保(bao)護(hu)自(zi)身(shen)，然(ran)後(hou)在(zai)冷(leng)卻(que)期(qi)之(zhi)後(hou)自(zi)動(dong)重(zhong)新(xin)向(xiang)負(fu)載(zai)供(gong)電(dian)。需(xu)要(yao)提(ti)到(dao)的(de)重(zhong)要(yao)一(yi)點(dian)是(shi)
，電(dian)源(yuan)僅(jin)在(zai)存(cun)在(zai)多(duo)個(ge)同(tong)時(shi)發(fa)生(sheng)的(de)故(gu)障(zhang)時(shi)才(cai)關(guan)斷(duan)：不恰當地安裝了未箝位的交流發電機和充電時電池連接缺失。

 

 

圖8中的設計針對ISO 16750-2和ISO 7637-2瞬態保護下遊電子器件，同時提供高達4A的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)。同(tong)時(shi)
，該(gai)設(she)計(ji)還(hai)保(bao)護(hu)上(shang)遊(you)係(xi)統(tong)免(mian)受(shou)過(guo)流(liu)事(shi)件(jian)影(ying)響(xiang)，例(li)如(ru)下(xia)遊(you)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)中(zhong)的(de)短(duan)路(lu)故(gu)障(zhang)等(deng)情(qing)況(kuang)引(yin)起(qi)的(de)過(guo)流(liu)事(shi)件(jian)。做(zuo)到(dao)這(zhe)些(xie)的(de)同(tong)時(shi)，該(gai)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)還(hai)消(xiao)耗(hao)極(ji)小(xiao)的(de)35µA靜態電流。新式汽車即使未運行時，也有無數負載消耗著電池電量，因此極小的靜態電流是一個重要的考慮因素。

 

這一保護解決方案基於LTC4380低電源電流浪湧抑製器，在輸入電壓最高達100V時
，可將輸出電壓限製到22.7V，因此可針對ISO 16750-2負載突降以及ISO 7637-2脈衝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，並在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
，通過限製功耗較大情況的持續時間來保護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中規定的條件範圍，MOSFET M2就關斷，以保護電路，並在恰當的延遲時間後重新加電。

 

例如，一個持續的100V輸入電壓或下遊短路故障會導致浪湧抑製器通過限製M2中的電流來進行自我保護，然後如果故障持續
，就徹底關斷M2。與分流型保護相比，這種方法有顯著優勢，分流型保護必須連續消耗功率
，最好情況下會熔斷保險絲

，而最壞情況下會著火。

 

 

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於地電平最多35V（當SEL = 0V），因此將M2的源極輸出電壓限製到低於35V。

 

圖8所示電路進一步改進了這個電壓限製，通過增加一個22V雪崩二極管D3，結合R6、R7、R8和Q2，就可將輸出電壓穩定為雪崩二極管電壓的最大值22V加上Q2約為0.7V的基射電壓。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定在22.7V上。

 

 

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。當輸入降至低於地時

，Q1將M1的柵極下拉至負輸入電壓
，保持MOSFET處於關斷狀態。當電池反向連接時

，這可防止出現反向電流，並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中消耗低於I2R = (4A)2 • 4.1mΩ = 66mW的功率。

 

 

當輸入電壓為高電平時

，通過控製MOSFET M2將這個電路的輸出電壓限製到安全水平。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。

 

ruguoshuruzaoyulechixudeguoyaqingkuang，huozhezaidianlushuchuduandechezaidianziqijianzhongfashengleguoliuguzhang，namejingguodingshiqiwangluopeizhideshijianjiangehou，jiutongguoguanduanlaibaohuM2，定時器網絡由R13
、R14、R15、C4
、C5、C6和C14組成。當M2處於電流限製狀態時，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的瞬態熱阻電氣模型類似。這個網絡用來限製MOSFET溫度上升的最大值，以使MOSFET保持在規定的安全工作區之內。

 

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引腳拉至高於規定的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太長時間，該電路就通過關斷M2實行自我保護。

 

 

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

 

熱敏電阻器RPTC是一種小型表麵貼裝0402尺寸的器件，在115℃時電阻為4.7k。高於115℃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℃
，PTC電阻器RPTC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(bu)必(bi)因(yin)過(guo)熱(re)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)器(qi)件(jian)數(shu)量(liang)而(er)感(gan)到(dao)沮(ju)喪(sang)。總(zong)體(ti)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)相(xiang)對(dui)容(rong)易(yi)實(shi)現(xian)
，由(you)占(zhan)用(yong)很(hen)少(shao)電(dian)路(lu)板(ban)麵(mian)積(ji)的(de)小(xiao)型(xing)器(qi)件(jian)組(zu)成(cheng)。這(zhe)個(ge)電(dian)路(lu)是(shi)自(zi)偏(pian)置(zhi)的(de)，當(dang)RPTC等於R20的4.75kΩ電阻值時，電路是平衡的。當靠近M2放置的RPTC之溫度超過115℃時
，其電阻增大，並導致流經Q5B的電流大於流經Q5A的電流。因為這導致經過R17的電流大於經過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的電流大於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。

 

 

ISO 16750-2和ISO 7637-2規範描述了汽車係統中可能發生的富挑戰性之電氣瞬態。LTC4380低di靜jing態tai電dian流liu浪lang湧yong抑yi製zhi器qi可ke用yong來lai針zhen對dui這zhe類lei瞬shun態tai保bao護hu車che載zai電dian子zi器qi件jian
，這zhe類lei瞬shun態tai包bao括kuo箝qian位wei和he未wei箝qian位wei的de負fu載zai突tu降jiang脈mai衝chong。麵mian對dui來lai自zi新xin式shi箝qian位wei交jiao流liu發fa電dian機ji的de負fu載zai突tu降jiang脈mai衝chong時shi，本ben文wen給gei出chu的de電dian路lu提ti供gong不bu間jian斷duan運yun行xing。麵mian對dui更geng加jia極ji端duan的de未wei箝qian位wei負fu載zai突tu降jiang脈mai衝chong時shi，該gai電dian路lu關guan斷duan以yi保bao護hu下xia遊you電dian子zi器qi件jian。結jie果guo是shi，為wei吸xi取qu高gao達da4A電源電流的電子器件提供了一款符合ISO 16750-2和ISO 7637-2要求的堅固型解決方案。