原创 有源高压瞬变保护器在汽车中的应用

无论车内还是车外产生的各种电子和电磁干扰对车内电子设备都是有害的。它们会降低车内设备的性能、导致功能异常甚至损坏电子设备。大幅值的正和负过压及瞬变是最严重的干扰，它们可由车内电子系统自身引起。

在汽车网络中，许多电子模块由车内电池供电，它们或直接连接电池或通过点火开关。在正常工作中，就可出现电子干扰和高频效应，上述干扰和效应通过传导、耦合和辐射借助连接线束被引进车内的电子系统。干扰源包括：点火系统、交流发电机、负载开关、开关弹跳和“甩负荷”效应(也即，在工作时，由直流电机产生的电压与被充电电源断开的情况)。

在这些突变中最严重的情况是“甩负载脉冲”，它出现在：引擎在工作，当交流发电机给电池充电时，电池接线端断开的情况。这种瞬变有可能长达几百毫秒、幅值超过100V，从而对半导体电路产生致命伤害。

另一个危险是借电启动(jumpstart)时出现的“双电池”电压，此时，两个12V电池串接至汽车电源接线柱上。当启动引擎，特别是在冷天且电池没充满电时，启动启动器将导致电压从标准的12V短暂掉到5V以下。该情况可持续几十毫秒，导致电子系统短暂停止工作。汽车电子系统必须处理的另一个危险是电池极性反接，当错误连接电池时会出现这种情况。

错误的电源幅值

上述提到的异常导致对不正确电压采取防范措施的需要。分析显示，“甩负载脉冲”是破坏能量最大的干扰。为保护电子模块免受这种脉冲的伤害，可采用如下三种防范措施：在汽车交流发电机中心位置对所有模块实施电压钳位(中心甩负载抑制)；在每一电子控制模块(ECU)内加装保护电路； 组合应用上述两种技术。

其它情况仅在板级对低能脉冲进行滤除。中心化甩负载抑制一般通过在交流发电机内部集成钳位电路(二极管)来实现。尽管采取了钳位措施，车内电压仍可能达到36V。

不具中央甩负载抑制功能的汽车电子系统必须含有本地干扰保护功能，通常是在ECU内，应紧挨着接线端子加装保护电路。在车内的许多地方需要这种保护，所以需要大量器件，进而对总漏电流和成本造成不利影响。一般采用把诸如二极管、齐纳二极管、变阻器、阻尼电阻、电容和抑制滤波器等器件接至可能有瞬变的端口来实现板内保护。

确保ECU电路免受破坏性瞬变电压伤害的第三种技术是把中心甩负载抑制和本地钳位电路结合起来。本文将解读各种典型的板上保护电路技术。

标准器件

几种器件可在板级对过电压实施钳位：

1．瞬变电压抑制二极管。雪崩二极管(类似齐纳二极管)用作抑制高于其击穿电压的全部过压的钳位器件。其特殊的高吸能能力保护了电子电路免受过压尖突的损坏。它们具有很快的导通开启速度，但关闭截止速度较慢。在临近其击穿电压时，雪崩抑制二极管具有相当高的漏电流。它们常常又被称为Transil(ST的注册商标)、Transzorb(Vishay的注册商标)或就简单称为TVS二极管。

2．变阻器。变阻器是阻值与电压相关的电阻(VDR)：它由对称、非线性的阻性元素构成，当电压高于一定值时，这种元素的阻值急遽减小。在钳位正和负极性电压时，其行为类似两个背接齐纳二极管。其小巧的体积可处理相当大的电流和能量，但当施加的电压接近钳位电压时，它表现出相对高的漏电流。另外，钳位电压还随通过的电流而显著增加。

保守的保护电路

用一个诸如瞬变电压抑制(TVS)二极管那样的钳位器件与负载并接并在其前加一个保险丝(图1)是一种简单并具成本效益的保护敏感电路的方法。该电路保护电子控制单元使其免受高于TVS二极管(D2)击穿电压的瞬变过压的伤害。当经历负瞬变或稳态反向电压时，TVS被正向偏置，从而借助将负向电压限制在其正向偏置电压(如-1V)进而保护了下游电路。只要正或负过压有一个持续发生，则保险丝就被烧毁。

为避免替换不可拆卸内ECU的保险丝或为了保证ECU的连续工作，必须采用其它技术，例如增加额外串连保护。图2中电路保护了电子控制单元免受电池反接(D1)及高于TVS二极管(D2)击穿电压的脉动过压的损坏。注意：选取D1时，必须使其峰值反向电压高于负瞬变的最大可能电压值。

因其小体积及高功耗容忍能力，变阻器常常用作PCB空间局促且下游电路具有抵抗正和负过压能力的应用中。图3中电路可保护下游电路免受高于变阻器击穿电压的过压脉冲(正和负瞬变)的损坏。

优势和劣势

前述各个电路都各有优劣。例如，图1中，所选TVS二极管的击穿电压必须高于可能出现的稳态电压。它一般是借电启动时施加的双电池电压(通常情况>26V，历时超过1分钟)。否则，TVS会在较低电平导通，进而被随之产生的功耗发热烧毁。

在高于击穿电压时，TVS二极管还表现出一定的内阻抗，在大电流时，该阻抗会导致钳位电压的升高。例如，一款28V的TVS二极管(SMBJ28)在甩负载时，会令下游电路承受高达45V的电压，这样，电路就必须能承受45V。显然，该要求使下游ECU电路所用元器件的选择复杂化，而平时，下游ECU电路只需能工作在汽车标称工作电压范围内的高端(一般约为17V)。高压半导体及其它器件更昂贵，从而增加了ECU成本。

为使可能出现的最大过压尽可能低，选择TVS时，其击穿电压应尽可能接近可能出现的最高稳态电压(例如，借电启动电压)。但这又会反过来影响靠近击穿电压(甚至汽车12V正常工作电压)时的漏电流。该漏电流使ECU设计师更难满足OEM对在引擎不工作时，对低静态电流的要求。

在正常工作时，图2中二极管(D1)会有约>0.7 V压降，该压降在两个方面带来不利影响：压降意味着功耗；使ECU的低压工作更困难。

对类似汽车音响系统等大电流应用，所需的电流可轻易超过10A。这样一个系统中，1V的二极管压降带来的功耗是10W，就有限的PCB空间来说，该功耗水平所需的散热几乎是不可能的。在某些应用中，利用单或双肖特基二极管可缓解此问题。假设压降是0.5V，在负载电流是10A时，双肖特基二极管的功耗是5W。但该指标仍很高，设计师不得不采用更大的散热器。

如前所述，二极管压降带来的电压损失本身就是个问题。例如，在一个14.4V音频系统中，通过使驱动扬声器的电压最大化来最大化输出功率。这样，电池反接保护二极管带来的1V电压损失会使输出功率相应损失约8.4dBW(对一个双桥接扬声器来说)。

当ECU必须能工作在冷天启动汽车造成的低电压时，任何压降都是致命的。在冷天启动时，在汽车厂商制订的规范中，5.5 V或更低的输入电压很普通。电池反接保护二极管带来的压降将侵蚀弥足珍贵的电压余裕。例如，车内电池电压在ECU电源输入端子降低至5.5 V，即使设电池反接保护二极管压降为0.7 V的最小值，则整个电路的工作电压也才只有4.8 V。

若5V MCU的工作电源是由压降300mV的线性稳压器提供的，则该MCU的工作电源只有4.5 V，而该值可能不足以保证MCU的正常工作。MCU可能会复位、丢失存储器内容或使整个ECU暂停工作。GPS导航系统可图解该问题：若你在启动汽车前进入目的地协同定位，则在随后的冷启动时，确保数据不丢失是必需的。

对图3中所示包括变阻器的应用来说，PCB空间是关键。与TVS二极管一样，变阻器击穿电压必须根据可能出现的最高稳态直流电压选取。但变阻器在其击穿电压以上的V-I特性比TVS二极管提升的要慢得多。基于此原因，变阻器为后继电路传递的电压比TVS二极管的要高得多。应据此相应进行下游电路设计，但有可能增加成本。

通过相对设低击穿电压来最小化过压恶化了正常工作条件下的静态电流。正常工作电压下，变阻器的静态电流一般高于TVS二极管的静态电流，但该影响取决于具体应用。

有源瞬变保护替代方案

鉴于前述分立器件保护电路的不足，有源保护可能是个优越的替代方案。对需低静态电流、低工作电压、电池反接和过压保护、过压保护/检测电路的应用来说，Max16013-16014就是上佳的选择。

工作原理相当简单(见图4和图5)。这些IC监测电源轨的输入电压，通过控制两个外接p-FET旁通开关将负载与故障(电源)隔绝。这些外接MOSFET在5.5V和设定的高压轨间导通，可通过连接SET脚的分压电阻把该高压轨值(一般)设定在20V到28V之间。

在故障情况下，FET P2可有两种不同的工作方式。第一种方式，P2起着可调节瞬变抑制器的作用，它将输出电压调节至允许最大过压从而令在即使出现瞬变情况时也能连续工作，因此提供了过压保护。在第二种方式，P2是种简单开关，只要过压存在，它就关闭，从而避免高压损坏任何下游器件。

通过将连接SET脚的分压电阻接至输入或输出来选择工作模式。例如，通过将阻性分压器连至VCC而非负载，可将MAX16013配置为过压截止开关。而MAX16014，则在输入电源恢复(cycled)或EN触发前，MOSFET (P2)一直处在锁闭状态。若长期使MAX16013工作在限压模式，因它两端的压降，会增加外接MOSFET的功耗。

图4中的电池反接保护FET(P1，可选)替换了图2中的串接二极管。在正向偏置条件下，该二极管导通以将正向压降减至最低，而在负压时关闭。EN脚通过截止P2及阻断输入与输出的连接来实现关闭控制(图5)。因此，下游设备的静态电流被减小至最小(一般<20?A)而电路仍具有电池反接保护功能(P1)。

有源高压瞬变保护的优势

有源过压保护器具有如下几个优点：

传统的瞬变抑制器(TVD二极管或变阻器)会有一个高于车内稳态电压(一般在26V)的击穿电压。出现甩负载时，源于TVS的内阻抗及V-I上升特性，下游电路将短暂经受一个很高电压(估计在45V)。因此，在选用下游器件时，必须是能承受高压的。一个有源瞬变保护器将输出电压限制在由分压电阻设定的电平(如，26V)且没有上升特征。这些特性允许采用低成本(低电压)下游器件。

一些应用只需工作在标称工作电压范围的高端，然后这些应用会关闭(例如，音响系统大概只工作在17V)。在这种情况，采用有源保护器并将电压限制器/开关阀值设定在该水平可能进一步降低下游器件成本。

用FET替换标准的电池反接保护二极管可将正向偏置压降降低至mV水平。特别是在大电流应用中，采用这种替换可降低功耗，因而同时降低了对冷却的要求进而节约了成本。另外，在二极管上消耗的功率(电压)现被传递给负载(如，扬声器)。可通过这种途径加大输出功率(强化性能)。有些应用必须工作在低电池电压(例如，冷启动汽车时)且同时保有电池反接保护功能。用有源保护器最小化压降，对在低输入电压下电路仍可工作这点很重要。

变阻器一般会表现出相对高的静态或漏电流，但用有源保护器替换变阻器将规避该问题。一些应用源于连接到电池轨的器件的漏电流，从而有高的静态电流。在这些场合，有源保护器可用作在休眠模式下切断(通过EN脚)全部关联负载的主开关。