標(biāo)簽：智能硬件(567)汽車(chē)電子(1)保護(hù)電路(237)
車(chē)環(huán)境對(duì)電子產(chǎn)品而言是非常苛刻的：任何連接到12V電源上的電路都必須工作在9V至16V的標(biāo)稱(chēng)電壓范圍內(nèi)，其它需要迫切應(yīng)對(duì)的問(wèn)題包括負(fù)載突降、冷車(chē)發(fā)動(dòng)、電池反向、雙電池助推、尖峰信號(hào)、噪聲和極寬的溫度范圍。在負(fù)載突降時(shí)，交流發(fā)電機(jī)的輸出電壓迅速升高到60V或更高的電壓；冷車(chē)發(fā)動(dòng)指的是在低溫時(shí)起動(dòng)汽車(chē)，這會(huì)引起電池電壓下降至6V或更低；電池反向是在激活一個(gè)沒(méi)電的電池時(shí)，由于粗心地將電纜極性接反造成的。很多牽引車(chē)都配備兩個(gè)串聯(lián)起來(lái)的12V電池，以在寒冷的天氣中幫助起動(dòng)一個(gè)電池沒(méi)電的汽車(chē)。這將使電氣系統(tǒng)的電壓范圍提高到了28V，直到汽車(chē)起動(dòng)且牽引車(chē)司機(jī)斷開(kāi)跨接電纜為止。
無(wú)源保護(hù)電路
用于汽車(chē)電子產(chǎn)品的無(wú)源保護(hù)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。與此相同或類(lèi)似的電路廣泛用于保護(hù)與汽車(chē) 12V 總線連接的各種系統(tǒng)。這種網(wǎng)絡(luò)防止高壓尖峰、持續(xù)過(guò)壓、電池反向和電流過(guò)度消耗造成損害。圖1的電流保護(hù)作用很明顯，如果負(fù)載電流超過(guò)1A的時(shí)間很長(zhǎng)，保險(xiǎn)絲F1就會(huì)熔化。D1與F1結(jié)合防止電池反向連接造成損害，大電流流經(jīng)正向偏置的D1并燒斷保險(xiǎn)絲。電解電容器大約在額定電壓的150%時(shí)有一個(gè)有趣的特性：隨著終端電壓的提高，這種電容消耗的電流也越來(lái)越大，就C1而言，它在輸入持續(xù)升高時(shí)起箝位作用（最終燒斷保險(xiǎn)絲）。雙電池助推時(shí)的電壓為28V左右，這不會(huì)燒斷保險(xiǎn)絲，因?yàn)镃1 25V的額定值足夠高，額外消耗的電流很少。電感器增加了很小的電阻，以限制峰值故障電流以及輸入瞬態(tài)的轉(zhuǎn)換率，從而在存在尖峰時(shí)幫助C1實(shí)現(xiàn)箝位。
圖 1：以簡(jiǎn)單性為特點(diǎn)的無(wú)源保護(hù)網(wǎng)絡(luò)
無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的主要缺點(diǎn)是它依靠燒斷保險(xiǎn)絲來(lái)防止過(guò)流、過(guò)壓和電池反向造成損害。另一個(gè)缺點(diǎn)是，它依靠電解電容實(shí)現(xiàn)箝位。這種電容器老化以后，電解質(zhì)會(huì)變干，等效串聯(lián)電阻（ESR）提高的特性也就消失了，這會(huì)損害箝位效果。有時(shí)D1采用大的齊納二極管以幫助這個(gè)電容器發(fā)揮作用。人們已經(jīng)設(shè)計(jì)出了有源電路來(lái)克服這些缺點(diǎn)。
有源電路
圖2顯示了一個(gè)有源解決方案，該方案用于屏蔽敏感電路，使其免受變化不定的12V汽車(chē)系統(tǒng)的影響。采用LT1641(＄2.5125)來(lái)驅(qū)動(dòng)輸入N溝道 MOSFET，而上述提供無(wú)源解決方案就不具備這種附加保護(hù)：首先，LT1641在輸入低于9V時(shí)斷開(kāi)負(fù)載，以防在低輸入電壓時(shí)系統(tǒng)失靈，并在起動(dòng)時(shí)或充電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，減少系統(tǒng)向非關(guān)鍵負(fù)載提供寶貴的電流的機(jī)會(huì)；其次，LT1641在首次加電時(shí)逐漸升高輸出電壓，對(duì)負(fù)載實(shí)行軟啟動(dòng)；第三，通過(guò)限流和定時(shí)斷路器保護(hù)輸出免受過(guò)載和短路影響。如果發(fā)生電流故障，斷路器就以1至2Hz的速率自動(dòng)重新嘗試建立連接，可以設(shè)定保護(hù)電路上行線路保險(xiǎn)絲的容限，讓它在LT1641的下行線路出現(xiàn)電流故障時(shí)不熔化；最后，圖2所示電路隔離出現(xiàn)在輸入端的過(guò)壓狀態(tài)，同時(shí)提供箝位輸出，以便負(fù)載電路在出現(xiàn)過(guò)壓時(shí)能繼續(xù)正常工作。
在12V輸入的通常情況下，LT1641將MOSFET的柵極充電至大約20V以充分提升MOSFET的電壓，并向負(fù)載提供電源。27V齊納二極管D1的兩端分別連接?xùn)艠O與地，但是在9至16V的工作電壓范圍內(nèi)不起作用。當(dāng)輸入升高到超過(guò)16V時(shí)，LT1641繼續(xù)給MOSFET的柵極充電，試圖保持MOSFET完全接通。如果輸入升得太高，齊納二極管就會(huì)對(duì)MOSFET的柵極箝位，并將輸出電壓限制在大約24V。LT1641本身在其輸入端能夠處理高達(dá)100V的電壓，而且不受柵極箝位動(dòng)作的影響。柵極箝位電路比無(wú)源解決方案的箝位電路精確得多，而且簡(jiǎn)單地通過(guò)選擇一個(gè)具有合適擊穿電壓的D1，就可以輕松調(diào)整柵極箝位電路以滿足負(fù)載要求。
圖2所示電路在負(fù)載電流高達(dá)1A左右時(shí)工作得很好，但是就更高的負(fù)載電流而言，推薦使用圖3所示電路來(lái)防止MOSFET過(guò)度消耗功率。如果過(guò)壓狀態(tài)持續(xù)存在，如電氣系統(tǒng)由兩個(gè)串聯(lián)電池供電的時(shí)間超過(guò)通常所需時(shí)間，或負(fù)載突降后電流慢速上升以及MOSFET較小時(shí)，那么過(guò)度消耗功率是有風(fēng)險(xiǎn)的。輸出由D1和D2取樣，如果輸入超過(guò)16.7V，那么就向“SENSE”引腳反饋一個(gè)信號(hào)，以將輸出穩(wěn)定在16.7V。這里的調(diào)節(jié)比圖1所示電路的調(diào)節(jié)更精確，并且可以通過(guò)選擇合適的齊納二極管輕松定制，以滿足負(fù)載的需求。
圖 2：過(guò)壓瞬態(tài)保護(hù)器將輸出箝位在24V左右，如果輸入降至低于9V就斷接
總的功耗由“TIMER”引腳限制，這個(gè)引腳記錄MOSFET調(diào)節(jié)輸出所用的總時(shí)長(zhǎng)。如果過(guò)壓狀態(tài)持續(xù)超過(guò)15ms，那么 LT1641就停機(jī)并允許MOSFET停止輸出調(diào)節(jié)。在大約半秒鐘以后，該電路嘗試重新啟動(dòng)。這種重啟周期一直持續(xù)，直到過(guò)壓狀態(tài)消失并恢復(fù)正常工作為止。處理過(guò)流故障的方法與圖2描述的方法相同。
電池反向保護(hù)
簡(jiǎn)單地增加一個(gè)串聯(lián)二極管，就可以給圖2或圖3所示電路增加電池反向保護(hù)功能。
圖 3：調(diào)整箝位電壓以在輸入浪涌上升時(shí)箝位，保護(hù)MOSFET免受功率過(guò)度消耗的影響
