中心議題：

• 汽車內部產生的瞬態電壓
• 電源故障情況下的保護
• 分立保護電路的優缺點

解決方案：

• 可變電阻器
• 分立式保護電路

汽車內部、外wai部bu各ge種zhong各ge樣yang的de電dian子zi及ji電dian磁ci幹gan擾rao常chang常chang使shi汽qi車che電dian子zi設she備bei處chu於yu危wei險xian的de工gong作zuo狀zhuang況kuang，降jiang低di電dian子zi設she備bei的de性xing能neng，並bing可ke能neng引yin發fa故gu障zhang甚shen至zhi損sun壞huai。最zui嚴yan重zhong的de幹gan擾rao—大幅值的正向、反向過壓和瞬變—多數由汽車電子係統內部產生，或者是不恰當的(錯誤的)操作所致。

汽車內部產生的瞬態電壓

在汽車電子網絡中，電子控製單元(ECU)通過線束互聯
，大多數ECU直接或通過啟動開關由(you)汽(qi)車(che)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)。即(ji)使(shi)在(zai)常(chang)規(gui)操(cao)作(zuo)中(zhong)也(ye)會(hui)存(cun)在(zai)電(dian)氣(qi)幹(gan)擾(rao)和(he)高(gao)頻(pin)影(ying)響(xiang)，通(tong)過(guo)配(pei)線(xian)係(xi)統(tong)傳(chuan)導(dao)，最(zui)終(zhong)耦(ou)合(he)或(huo)以(yi)輻(fu)射(she)方(fang)式(shi)幹(gan)擾(rao)到(dao)車(che)載(zai)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)。幹(gan)擾(rao)源(yuan)包(bao)括(kuo)啟(qi)動(dong)係(xi)統(tong)
、交流電機

、負載切換、開關抖動以及“拋負載”(即直流電機運行過程中切斷電源，由此產生的電壓)。

這些浪湧中最具破壞性的是“拋負載”(圖1)

，這zhe種zhong情qing況kuang發fa生sheng在zai引yin擎qing正zheng在zai運yun轉zhuan的de過guo程cheng中zhong，在zai交jiao流liu電dian機ji正zheng在zai給gei電dian池chi充chong電dian時shi斷duan開kai電dian池chi連lian接jie。產chan生sheng的de瞬shun態tai電dian壓ya幅fu度du取qu決jue於yu斷duan開kai連lian接jie時shi交jiao流liu電dian機ji的de轉zhuan速su和he場chang激ji勵li的de大da小xiao。這zhe一yi浪lang湧yong過guo程cheng可ke能neng持chi續xu幾ji百bai毫hao秒miao，產chan生sheng100V以上的電壓，對半導體電路具有潛在的致命影響。


圖1.典型的拋負載浪湧波形：a)沒有抑製
；b)提供抑製

啟動
、冷啟動、電池反接

另外一個風險是啟動過程中存在的“雙電池”電壓，此時電纜跳接到另一組24V網絡係統的汽車電池，最終用24V電池開啟12V係xi統tong。下xia麵mian再zai來lai考kao慮lv另ling一yi情qing況kuang，當dang啟qi動dong引yin擎qing時shi，特te別bie是shi在zai寒han冷leng天tian氣qi，電dian池chi沒mei有you充chong滿man的de情qing況kuang下xia，機ji油you變bian得de非fei常chang粘zhan稠chou
，引yin擎qing需xu要yao提ti供gong更geng大da的de扭niu矩ju，因yin此ci
，需xu要yao電dian池chi提ti供gong更geng大da的de電dian流liu
，較jiao大da的de電dian流liu負fu載zai會hui導dao致zhi電dian源yuan電dian壓ya跌die落luo
，從cong標biao稱cheng12V跌落到5V以下。這種跌落會持續數十毫秒，引起電子係統短時間掛起(圖2)。一旦引擎啟動，電壓將返回至標稱值。


圖2.汽車冷啟動時的典型電壓波形

另外一個值得注意的因素是，當電池連接錯誤時，汽車電子必須能夠承受電池反接的電壓(例如-14V)。
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電源故障情況下的保護

上shang述shu異yi常chang條tiao件jian促cu使shi設she計ji人ren員yuan選xuan擇ze適shi當dang的de保bao護hu措cuo施shi
，以yi避bi免mian電dian源yuan故gu障zhang造zao成cheng的de影ying響xiang。分fen析xi顯xian示shi拋pao負fu載zai脈mai衝chong是shi能neng量liang最zui強qiang的de一yi類lei幹gan擾rao。為wei避bi免mian電dian子zi電dian路lu受shou此ci類lei脈mai衝chong的de破po壞huai，目mu前qian有you兩liang種zhong保bao護hu措cuo施shi：

在所有汽車交流電機內部采用中心電壓鉗位(中心拋負載抑製，圖1b)。為每個ECU提供保護電路。係統仍然需要第二級抑製電路，在電路板上濾除低能量脈衝
，例如
，正
、負瞬態電壓以及電池瞬間反接導致的尖峰脈衝。這些脈衝通常通過小尺寸的大容值電容、反向保護二級管或者是與瞬態抑製二極管(TVS)或可變電阻串聯的電感進行濾除。

中心拋負載抑製通常通過交流發電機的內部鉗位電路(二極管)shixian，yongyuxishoupaofuzainengliang，chengshouqidongshidedianchidianya。jinguancaiquleqianweicuoshi
，ruguojiangqianweidianyashezhizaizuidaqidongdianyayishang
，jiangwufadadaoqianweidemude
，qichedianyarenghuigaoda36V。

那些不具備中心拋負載抑製功能的汽車電子係統必須采用本地保護措施，以抑製拋負載幹擾信號。通常在遠離連接器端，在ECU內nei部bu增zeng加jia保bao護hu電dian路lu，整zheng個ge汽qi車che內nei部bu需xu要yao眾zhong多duo的de這zhe類lei保bao護hu措cuo施shi
，過guo多duo的de元yuan件jian會hui導dao致zhi漏lou電dian流liu和he整zheng體ti成cheng本ben的de增zeng加jia。板ban上shang拋pao負fu載zai保bao護hu電dian路lu通tong常chang采cai用yongTVS二極管(類似於齊納二極管)、可變電阻
、以及抑製濾波器等，這些元件應連接到電源端。

下文給出了各種傳統的板上保護電路。

標準過壓抑製器件
在板級水平有幾類器件可用於過壓鉗位。
TVS二極管

雪崩二極管(與齊納二極管類似
，圖3)是shi能neng夠gou抑yi製zhi所suo有you超chao出chu其qi擊ji穿chuan電dian壓ya的de鉗qian位wei器qi件jian。它ta們men能neng夠gou吸xi收shou較jiao高gao的de能neng量liang，保bao護hu電dian子zi電dian路lu免mian遭zao尖jian峰feng電dian壓ya和he拋pao負fu載zai的de破po壞huai。這zhe些xie二er極ji管guan具ju有you快kuai速su開kai啟qi、緩慢關斷特性。與其它過壓保護器件(如：可變電阻)相xiang比bi
，雪xue崩beng二er極ji管guan對dui過guo壓ya事shi件jian的de響xiang應ying速su度du更geng快kuai。其qi性xing能neng指zhi標biao不bu會hui隨sui著zhe使shi用yong壽shou命ming的de延yan長chang以yi及ji瞬shun態tai電dian壓ya作zuo用yong次ci數shu的de增zeng多duo而er降jiang低di。在zai其qi擊ji穿chuan電dian壓ya附fu近jin，雪xue崩beng抑yi製zhi二er極ji管guan具ju有you較jiao大da的de漏lou電dian流liu。這zhe類lei二er極ji管guan通tong常chang表biao示shi為weiTransil®、TransZorb®或簡稱為TVS二極管。


圖3.瞬態電壓抑製器特性(VBR=擊穿電壓，VC=峰值脈衝電流IP對應的鉗位電壓)。

可變電阻器

可變電阻是與電壓相關的電阻(VDR)。相應的，該非線性電阻在高於某個特定電壓後阻值會迅速降低(圖4)。zaiqianweizhengxianghefuxiangdianyashi
，qigongnengleisiyubeikaobeideqinaerjiguan。nenggouyihenxiaodefengzhuangchicunhejiaodidechengbenchengshouxiangduijiaogaodedianliuhenengliang，dandangdianyajiejinqianweidianyashi
，loudianliujiaoda。qianweidianyayehuisuidianliudezengjiaermingxiantigao。kebiandianzuqizaizhongfushoudaolangyongchongjishixingnenghuishoudaoyidingyingxiang，tongchangyejuyougenggaode“鉗位電壓”，與TVS二極管相比，這些因素會明顯降低其響應速度。


圖4.典型的可變電阻器特性(VC=峰值脈衝電流IP對應的鉗位電壓)
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分立式保護電路

一種簡單且性價比較高的保護電路是將負載與鉗位電路(如TVS二級管)並聯，在電容之前加一個保險絲(圖5)。該電路可使ECU在出現高於TVS二極管(D1)擊穿電壓的瞬態過壓以及拋負載條件下為係統提供保護。當出現負的瞬態電壓或穩定的反向電壓時，TVS正向導通，從而將負向電壓鉗位在其導通電壓(例如-1V)，為後續電路提供保護。對於能量較低的負瞬態電壓，例如：繼電器或螺線管開關引入的過壓，可以通過電容(ClowE)濾除。如果持續保持正向或反向過壓狀況
，保險絲將熔斷。


圖5.利用濾波電容、瞬態抑製二極管和保險絲構成的簡單過壓保護電路

為了避免在難以接近的ECU部位更換保險絲，或保證ECU的連續運轉，必須采取其它技術
，如額外的串聯保護。圖6電路可使ECU免遭電池反接以及瞬態負壓(D2)
、高於TVS二極管(D1)擊穿電壓的正向過壓脈衝(拋負載和低能量瞬態電壓)的衝擊。所選二極管D2的反向峰值電壓必須大於可能出現的負脈衝最大值。


圖6.用二極管取代圖5中的保險絲，該電路不但提供過壓保護並且提供負向瞬態電壓保護和電池反接保護。

考慮到其小尺寸
、低成本和較高的功率耗散能力，可變電阻常用於對電路板麵積要求苛刻
，並且後續電路對正向、反向過壓有一定容限的係統。圖7所示電路能夠對後續電路提供有效的過壓脈衝保護(正向和負向瞬態電壓，電壓高於可變電阻器的擊穿電壓)。電容有助於濾除低能量的正、負瞬態電壓。


圖7.當電路板麵積受限同時又需要為後續電路提供過壓保護時，可以利用可變電阻器(示例中的VDR)取代TVS二極管，隻要過壓脈衝(正或負瞬態脈衝)高於可變電阻器的擊穿電壓，發生正向或負向過壓時，後續電路必須有一定的容量。

分立保護電路的優缺點

上述所有電路各有其優缺點


，圖5所示電路是一個簡單的瞬態保護電路，隻包含一個TVS管、一個濾波電容和一個保險絲，但缺點是必須選擇擊穿電壓大於可能出現的最大穩態電壓的TVS二極管
，啟動時該電壓通常是電池電壓的2倍(經常>26V，持續時間超過1分鍾)。否則，如果沒有正確選用TVS，使得TVS管在較低電壓下導通，隨後會因為連續的功率耗散而燒壞。

由於VI特性已經限定了擊穿電壓以上的電流變化斜率，TVS二極管還存在一定的內阻
，該電阻會使鉗位電壓因較高電流而升高。如，28V的TVS管(例如SMBJ28)在發生拋負載時會使後續電路的電壓達到45V，這種情況下，所用後續電路必須能夠承受45V的電壓(圖3)。顯然
，這將使後續ECU電路元件的選擇複雜化，而這些電路通常隻能工作在汽車標稱工作電壓的上限(大約17V)。高壓半導體器件或其它元件價格昂貴，會增加ECU的成本並占用寶貴的電路板空間。

為了盡可能降低最大過壓值，需要選擇擊穿電壓接近於穩態最高電壓(例如
，啟動電壓)的TVS管。由此可能引發在接近擊穿電壓時(甚至在12V汽車標稱電壓下)產生較大的漏電流。汽車引擎停止工作時，這一漏電流使得ECU設計人員很難達到OEM(設備生產商)對低靜態電流的要求。

正常工作條件下
，圖6中的二極管(D1)所示約有>0.7V的壓降
，這會產生兩方麵的問題：
壓降會產生一定的功耗。
ECU很難工作在低壓狀態。

對於大電流應用
，如汽車防抱死係統
，所消耗的電流可以輕易超過10A。例如，對於係統中1V壓降的二極管將造成10W的de功gong耗hao，在zai有you限xian尺chi寸cun的de電dian路lu板ban上shang，耗hao散san如ru此ci大da的de功gong率lv幾ji乎hu是shi不bu可ke能neng的de。采cai用yong單dan個ge或huo雙shuang肖xiao特te基ji二er極ji管guan在zai某mou些xie應ying用yong中zhong可ke以yi減jian緩huan這zhe個ge問wen題ti。假jia定ding壓ya降jiang為wei0.5V，在10A負載電流時
，雙肖特基二極管的功耗為5W。這依然是一個難以接受的功耗
，設計人員不得不使用大尺寸的散熱器。

如上所述，二極管壓降本身會產生一定的負麵影響。例如，在一個14.4Vdeyinpinxitongzhong，zuidashuchugonglvqujueyusuonenghuodedezuidayangshengqiqudongdianya。erweilebimiandianchifanjie，xitongzhonghuizaidianyuanshangzengjiayigeerjiguan，youcikenengchansheng1V的壓降，使輸出功率損失約8.4dBW(對於2Ω的橋接揚聲器)。

汽車在寒冷環境下啟動時

，ECU必須能夠工作在低壓狀態(圖2)
，任何不必要的電壓跌落都會影響係統工作。冷啟動時，汽車製造商規定的輸入電壓為5.5V甚至更低。用來防止電池反接的二極管壓降會占用很大的裕量。例如，汽車電池電壓在ECU輸入連接器處降到5.5V
，減去電池反接保護二極管的0.7V壓降，真正供給電路的電壓隻有4.8V。
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假如5V微控製器通過一個壓差為500mV的線性穩壓器供電
，這時微控製器能夠獲得的供電電壓僅為4.3V，無法支持其正常工作，有可能使其進入複位狀態，丟失存儲器數據或導致整個ECU死機。GPS導航係統是一個比較典型的例子：汽車啟動之前輸入目的地址，係統必須保證在以後的冷啟動過程中不會丟失數據。

對於圖7所示包含可變電阻的應用，通常對電路板麵積要求非常嚴格。與TVS管一樣，根據具體應用的最高穩態直流電壓確定可變電阻的鉗位電壓。然而，當電壓高於擊穿電壓時，可變電阻的VI特性曲線相對於TVS二極管要緩慢得多(圖4)。因此
，可變電阻相對TVS管會使後續電路承受更高的電壓，從而提高了後續電路的器件成本
、封裝尺寸以及電路板空間。

tongguojiangqianweidianyashezhizaixiangduijiaodidedianping，baochijinkenengdideguoyabaohudian
，youhuizengdazhengchanggongzuoshidejingtaidianliu。biaochengdianyaxiadejingtaidianliutongchanggaoyuTVS管，實際效果與具體元件選擇有關。

有源瞬態保護方案

考慮到以上分立保護電路的諸多缺點
，有源保護電路提供了一個更好的選擇。對於要求低靜態電流
、低工作電壓並具有電池反接保護和過壓保護的方案
，可以選擇MAX16013/MAX16014¹過壓保護/檢測電路。

此類器件的工作原理十分簡單(圖8)。IC直接監測輸入電壓
，並通過控製兩個外部pFET功率開關在故障條件下斷開負載的連接。外部MOSFET在5.5V和所設置的上限電源電壓之間導通，上限電壓可通過連接在SET引腳的分壓電阻調節，範圍通常在20V至28V之間。


圖8.MAX16013和MAX16014可提供有源瞬態保護功能，直接監測電源電壓
，當檢測到故障時
，通過控製兩個外部p溝道FET開關，斷開負載與故障電源。
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發生故障時，FETP2有兩種不同模式。第一種模式下
，P2僅僅相當於一個簡單的開關
，在過壓條件下斷開開關，從而避免高壓對下遊器件的破壞。第二種模式下，P2相當於可調節的瞬態抑製器
，將輸出電壓鉗製在所允許的最大過壓點。

當輸出電壓上升到可調節的過壓門限以上時，內部比較器將GATE2上拉至VCC。監測電壓降低到過壓門限以下時，p溝道MOSFET(P2)重新導通。這種處理方式能夠使電壓穩定在輸出穩壓值的5%以內。出現瞬態過壓時能夠保證輸出穩定，MOSFET(P2)在過壓條件下保持導通，工作在開關-線性穩壓模式，從而在提供過壓保護的同時維持係統繼續工作。

將SET引腳的分壓電阻連接到輸入或輸出，可以選擇相應的工作模式。例如，把分壓電阻接VCC(而不是負載)，MAX16013被配置成過壓關斷器件。MAX16014將保持MOSFET(P2)閉鎖，直到輸入電源重新上電或重新觸發EN使能。如果MAX16013長時間工作在限壓模式，外部MOSFET的壓降會增大功耗。

圖8中的電池反接保護FET(P1，可選)取代了圖6中的串聯二極管。圖8中，正偏時P1導通
，可以保持極低的正向壓降，出現負壓時關斷。關閉P2可斷開輸入與輸出的連接(圖8和圖9)，EN引腳提供相應的關斷控製(需要注意的是EN引腳的控製信號由主係統的其它監控電路產生)。因此，當電路處於電池反接保護狀態時(P1)
，下遊電路的靜態電流可降至最小(典型<20µA)。
有源高壓瞬態保護器相對於傳統保護方案的優勢有源過壓保護器具備以下幾個優勢。

如上所述，分立瞬態抑製器(TVS管或可變電阻)的擊穿電壓需要高於汽車的最高穩態工作電壓(通常26V左右)。發生拋負載時
，由於TVS管的內阻以及電流隨電壓劇增的VI特性曲線，下遊電路會在瞬間承受極高電壓(大約45V)
，從而提高了對下遊器件額定電壓的要求。與傳統方案不同
，有源瞬態保護器可將輸出電壓鉗位到分壓電阻設置的電平(例如26V)，也不存在電流隨電壓劇增問題。這些特性允許用戶使用低成本(低電壓)的下遊元器件。

該方案不同於普通的浪湧抑製器，傳統方案在發生過熱之前較短的時間內隻能處理幾個焦耳的能量，而基於MAX16013/MAX16014的方案能夠在發生直流過壓時保護器件。有些應用要求工作在標稱電壓的上限
，一旦超過上限電壓則斷開與電源的連接(以音頻係統為例
，其工作電壓上限通常為17V)。這種情況下使用有源保護器件，合理設置電壓限製器/開關的門限可以進一步降低下遊元器件的成本。

用FET取qu代dai電dian池chi反fan接jie二er極ji管guan，可ke以yi將jiang正zheng向xiang導dao通tong電dian壓ya降jiang低di到dao毫hao伏fu級ji水shui平ping。特te別bie是shi在zai大da電dian流liu應ying用yong中zhong，這zhe一yi舉ju措cuo可ke以yi有you效xiao降jiang低di功gong耗hao，進jin而er降jiang低di散san熱re的de設she計ji難nan度du和he成cheng本ben。原yuan來lai二er極ji管guan消xiao耗hao的de功gong率lv(電壓)可以供給負載(如
，揚聲器)，而非消耗在二極管上，從而提高輸出功率(係統性能)。有些應用要求工作在較低的電池電壓(如，汽車冷啟動時)，同時還要求提供電池反接保護。采用有源保護器件可以使壓差降至最小，確保電路工作在較低的輸入電壓下。

可(ke)變(bian)電(dian)阻(zu)器(qi)往(wang)往(wang)表(biao)現(xian)出(chu)相(xiang)對(dui)較(jiao)高(gao)的(de)靜(jing)態(tai)電(dian)流(liu)和(he)漏(lou)電(dian)流(liu)，受(shou)脈(mai)衝(chong)電(dian)壓(ya)衝(chong)擊(ji)時(shi)會(hui)顯(xian)著(zhu)影(ying)響(xiang)其(qi)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)和(he)精(jing)度(du)。用(yong)有(you)源(yuan)保(bao)護(hu)器(qi)件(jian)取(qu)代(dai)可(ke)變(bian)電(dian)阻(zu)可(ke)以(yi)解(jie)決(jue)這(zhe)一(yi)問(wen)題(ti)。由(you)於(yu)某(mou)些(xie)應(ying)用(yong)中(zhong)可(ke)變(bian)電(dian)阻(zu)直(zhi)接(jie)連(lian)接(jie)到(dao)電(dian)池(chi)上(shang)，漏(lou)電(dian)流(liu)較(jiao)大(da)。這(zhe)時(shi)，可(ke)以(yi)利(li)用(yong)有(you)源(yuan)保(bao)護(hu)器(qi)件(jian)作(zuo)為(wei)主(zhu)開(kai)關(guan)，在(zai)休(xiu)眠(mian)模(mo)式(shi)下(xia)斷(duan)開(kai)(通過P2FET)所有後續負載(圖9)。


圖9.MAX16013/MAX16014用作主開關控製，在ECU關閉時有助於降低靜態電流損耗。

有源過壓保護器在許多應用中占據一定的優勢，這些器件能夠大大降低係統功耗

、提高輸出功率(改善係統性能)、降低係統的工作電壓(冷啟動)，並具有較低的靜態電流，降低了對後續被保護電路的額定電壓要求。