汽车级线性稳压器的原理和使用建议
mouser 2021-10-14

汽车应用对模块和元器件的可靠性要求都很高,汽车级的线性稳压器,为了支持系统达到这样高可靠性的要求,内部也集成了丰富的诊断和保护功能, 

1、复位功能(RESET)

“复位应用电路”复位应用电路

a. 输出欠压复位

输出欠压复位通过检测输出电压Vout,并根据输出电压和内部复位阈值电压Vrt的比较结果,判断是否产生复位输出。如果输出端电压下降至复位阈值以下,复位输出低电平,直到输出电压恢复到复位阈值以上。如应用电路所示,复位输出一般连接至的复位引脚。

“输出欠压复位”输出欠压复位

b. 复位响应时间

短暂的负电压尖峰不应触发输出欠压复位。只有当输出电压低于复位阈值的时间长于预定义复位响应时间时,才产生欠压复位。

“复位响应时间”复位响应时间

c. 上电复位延迟

大部分控制模块带有一个单片机并附带一个时钟振荡器。模块上电时,时钟振荡器需要大约1到10ms的时间达到其稳定频率。如果微控制器在振荡器达到稳定前开始工作,有可能微控制器不能正确地初始化。上电复位延迟可以起到在振荡器还没有完全地达到稳定状态时阻止单片机开始初始化的作用。

“上电复位延迟”上电复位延迟

d. 如何调节复位时间

模拟式复位时间调节

对贸泽电子()备有的英飞凌TLE4xxx系列和TLF4949线性稳压器而言,上电复位延迟时间trd和复位反应时间trr决定于连接至D引脚的延迟电容CD的大小(见应用电路图)。

数据手册中通常给出了使用某特定电容值(例如,100nF)的复位时间。

例如:TLE4291复位时间

“”

当需要的上电复位延迟时间td,PWR,ON不同于使用CD=100nF时规定值时,通过下面公式可计算相应所需的电容:

“”

相应地,通过下面公式计算得出复位延迟时间trr,total:

“”

数字式复位时间调节

贸泽电子()备有的英飞凌TLS8xx系列线性稳压器,通过配置复位时间选择引脚DT(见应用电路),可在两个预设定的上电复位延迟时间trd中选择。

例如:TLS850D0TA复位时间

“”

e.复位输出RO的上拉电阻

复位输出RO是一个集电极开路输出,需要一个接至正电压(例如,输出电压VQ)的上拉电阻。

某些线性稳压器的RO输出已在器件内部设置上拉电阻。只有在需要一个更低阻抗的RO输出时,可以额外在外部连接一个到输出端Q的上拉电阻。由于RO端允许的灌入电流有最大值限制,因而数据手册中标明了外部上拉电阻RRO,ext的最小值,选择外部上拉电阻时必须遵循该最小值的规定。

例如:TLS810D1复位输出引脚内部和外部上拉电阻

“”

有些稳压器的RO端没有内部上拉电阻。对于这些稳压器必须外接上拉电阻。

数据手册同样标定了所需的外部上拉电阻RRO 的最小值。

例如:TLE42754复位输出引脚外部上拉电阻

“”

2. 看门狗

“看门狗应用电路”看门狗应用电路

a. 为什么需要看门狗功能?

看门狗用于监控单片机,确保单片机处于正常工作状态。看门狗定时器的作用是监控单片机运行时序;当发生明显的时序错误时,把单片机复位至一个已知的状态。例如,单片机可能陷入到软件死循环中并且停止响应其它输入。当单片机发出的触发脉冲间隔时间过长时,看门狗能检测到错误,并发送一个复位信号给单片机。

“标准看门狗”标准看门狗

b. 看门狗定时调节

看门狗电路使用内部振荡器作为时间基准。该时间基准可以通过引脚DT1和DT2调节。

例如:TLS820F0看门狗定时调节

“”

c. 窗式看门狗

在一些关键的系统安全性的相关应用中,为满足系统对安全性更高的要求,稳压器提供了一种称作窗式看门狗的高级看门狗功能。窗式看门狗与标准看门狗的运行方式类似,但触发脉冲必须发生在特定的窗口或者说时间段内。如果触发脉冲发生在窗口外或者根本没有发生,窗式看门狗将复位单片机。当单片机发出不应产生的触发脉冲时,标准看门狗不能判断该触发是否有效。而窗式看门狗的窗口要求使其能检测出这类多余的触发事件。

“窗式看门狗”窗式看门狗

d. 标准看门狗 VS 窗式看门狗

单片机可能会刚好陷于发送看门狗脉冲的进程中。标准看门狗不能够检测到这种潜在的程序错误,会把这样的信号误认为有效看门狗信号。这种情况下的解决方案是使用窗式看门狗。

“”

使用这种称作窗式看门狗的高级看门狗功能可进一步降低程序出错的潜在风险。该功能提高了系统安全性。窗式看门狗不仅监控最小脉冲周期,而且也监控最大脉冲周期。看门狗脉冲必须在特定的窗口,或者说时间段内发生。如果脉冲发生在窗口之外,或是在目标窗口里根本没有发生的话,窗式看门狗会复位单片机。

“”

3. 热关断

贸泽电子()备有的英飞凌汽车级线性稳压器设计可以承受高达150°C的结温。

在选择封装和散热设计时要保证在任何工作条件下结温都不超过最大允许值。

为了避免发生故障时损坏器件(例如,输出持续短路),器件内置热关断保护功能。除非数据手册中另有说明,保护电路会在结温高于151°C时,典型情况在175°C时,关闭功率级。器件会在温度冷却后自动重启,典型情况下有15°C的迟滞(例如,在175°C时器件被关断,在160°C时重新启用)。

大于150°C的温度高于电压稳压器的最大额定值范围,长期工作在高温情况下会严重缩短器件生命周期。

“热关断和热迟滞”热关断和热迟滞

4. 过压保护

汽车中的感性负载(例如,电机绕组或电子线束)会产生高电压骤变。为了在汽车环境中提供足够的保护功能,例如,抛负载电压,使用能承受高达45V持续电源电压的晶体管结构。另外,一些芯片提供的保护功能可以抵抗高达65V的抛负载脉冲(例如,TLE4271-2)。

无论脉冲的长短,一旦超过任何一个给定的最大电压值都有可能给器件造成损害。因此,建议采用限压二极管提供过压保护。此外,电压瞬变可以通过外加输入端电容来缓冲,以消耗脉冲带来的全部或部分能量,削弱器件输入管脚受到的脉冲冲击。

所有跟随器和部分稳压器容许高至VQ=45V的输出端电压,从而保护它们免受输出端对电池短路造成的损坏。

5. 电流限制

在输出端对地短路或负载过高的情况下,稳压器被迫传导非常高的输出电流。为了保护应用和稳压器本身使其免受损害,器件有输出电流限制保护。相应值可参见数据手册。

电流限制有两种实现方式:恒定或折返电流限制。贸泽电子()备有的英飞凌线性稳压器采用恒定电流限制以解决折返限制方法产生的“闩锁”问题:如果故障消失后负载电流刚好在折返曲线经过的任何地方,输出将永远无法回复其初始电压。

在线性稳压器启动时,会以最大输出电流给输出电容充电。因此,当稳压器启动或是输入电压上电后输出电压达到额定电压所需时间可按下面的公式计算得出:

“”
“电流限制”电流限制

6. 安全工作区

为避免封装不能承受的过高功率耗散,在输入电压高于一定的电压,稳压器会降低最大输出电流(短路电流)。即在输入电压非常高的情况下,稳压器不再能传输全部(额定的)输出电流。

“最大输出电流与输入电压关系最大输出电流与输入电压关系(TLS850典型曲线图)

知其然,更能知其所以然,以上便是对汽车级线性稳压器内置诊断、保护功能的详细说明,希望能帮助你快速了解并合理使用线性稳压器,以实现更安全可靠的汽车电源设计。 

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