1.前言

在當(dāng)今世界的某個(gè)地方，一位汽車(chē)工程師正在為汽車(chē)設(shè)想一種信息娛樂(lè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將在五年或更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

這包括將當(dāng)今僅作為概念存在的應(yīng)用的電源要求考慮在內(nèi)。隨著信息娛樂(lè)系統(tǒng)在復(fù)雜性和電子功能方面的發(fā)展，集成電路 (IC) 的數(shù)量也在增加，并且這些 IC 都從 12 V 電池共享電源。

設(shè)計(jì)這些電源架構(gòu)需要實(shí)施電源調(diào)節(jié)和保護(hù)，以確?？绮煌矐B(tài)事件的系統(tǒng)功能。

瞬態(tài)可能發(fā)生在四種常見(jiàn)情況下。
2.典型瞬變

圖 1 描述了第一種情況，即在電池充電期間電池與交流發(fā)電機(jī)斷開(kāi)連接引起的負(fù)載突降事件。拋負(fù)載事件會(huì)導(dǎo)致電壓升高；對(duì)于交流發(fā)電機(jī)上的集中鉗位，最大電壓為 35 V。

圖 1：12V 系統(tǒng)的負(fù)載突降配置文件

圖 2 是第二種情況，其中一個(gè)大的負(fù)電壓峰值（如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 [ISO] 7637-2 測(cè)試脈沖 1），當(dāng)電源斷開(kāi)時(shí)，模塊與感性負(fù)載并聯(lián)時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種情況。

圖 2：ISO 7637-2 測(cè)試脈沖

如圖 3 所示，第三種情況是啟動(dòng)期間由系統(tǒng)的大電容引起的浪涌電流，這可能會(huì)在電容器充電時(shí)導(dǎo)致更高的電流。

圖 3：大容性負(fù)載啟動(dòng)期間的浪涌電流曲線

第四種情況是電池電壓下降。圖 4 是冷啟動(dòng)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在低環(huán)境溫度環(huán)境下啟動(dòng)時(shí)。

圖 4：典型的舊曲柄波形

3.瞬變保護(hù)

提供瞬態(tài)保護(hù)的一種方法是使用理想的二極管控制器。如圖 5 所示，使用帶有理想二極管控制器的電流檢測(cè)放大器可以提供額外的過(guò)流保護(hù)，從而在任何濾波和電源調(diào)節(jié)之前形成一個(gè)全面的保護(hù)解決方案。

圖 5：汽車(chē)瞬態(tài)和過(guò)流保護(hù)濾波器保護(hù)框圖

4.負(fù)載突降保護(hù)

的LM74810-Q1通過(guò)一個(gè)可調(diào)過(guò)壓保護(hù)功能提供從抑制負(fù)載突降事件的保護(hù)。如圖 6 所示，LM74810-Q1 有一個(gè) OV 引腳，該引腳使用一個(gè)比較器來(lái)發(fā)出過(guò)壓事件信號(hào)。這將關(guān)閉驅(qū)動(dòng) Q2 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 的 HGATE 電壓。將連接到 OV 引腳的電阻分壓器調(diào)整到您的首選閾值，可以在下游使用額定電壓較低的組件，這些組件不具有輸入端可能發(fā)生瞬變所需的必要電壓范圍。 LM74810-Q1 器件本身具有65V 的最大輸入額定值，并且在 35V 峰值瞬態(tài)事件期間應(yīng)保持運(yùn)行。

圖 6：具有 OV 保護(hù)的 LM74800 的典型框圖

5.負(fù)電壓瞬變保護(hù)

LM74810-Q1 連同適當(dāng)?shù)?MOSFET 和輸入瞬態(tài)電壓抑制 (TVS)，可保護(hù)系統(tǒng)免受高負(fù)電壓瞬變的影響，例如 ISO 7637-2 測(cè)試脈沖 1。如果輸入電壓為負(fù)，LM74810-Q1 將關(guān)閉并導(dǎo)致 DGATE 拉低。然后，圖 6 中 Q1 的體二極管將為系統(tǒng)提供反向電壓保護(hù)并防止任何負(fù)電流流動(dòng)。一旦輸入電壓恢復(fù)到其標(biāo)稱(chēng)狀態(tài)，LM74810-Q1 就會(huì)重新開(kāi)啟并啟用 MOSFET 以進(jìn)行正常操作。

在 ISO 7637-2 測(cè)試脈沖 1（通常為 –100 V 或更高）引起的大負(fù)電壓尖峰期間保護(hù) LM74810-Q1 需要一個(gè) TVS 二極管。輸入 TVS 擊穿電壓應(yīng)高于 35V 拋負(fù)載條件，但低于 LM74810-Q1 的 65V 最大額定電壓。對(duì)于負(fù)電壓，TVS 二極管擊穿電壓應(yīng)高于電池反向連接期間的電壓，但要足夠低，以便 TVS 的負(fù)鉗位電壓不超過(guò) Q1 MOSFET 的電壓。

6.浪涌電流限制

LM74810-Q1 包括浪涌電流限制功能，可在啟動(dòng)時(shí)控制電流。根據(jù)輸出端的電容大小，此功能會(huì)限制電流以確保組件不會(huì)承受超出安全操作范圍的高電流。

如圖 7 所示，向 LM74810-Q1 的 HGATE 添加一個(gè)電阻-電容 (RC) 會(huì)減慢啟動(dòng)時(shí)的 HGATE 電壓斜坡，從而實(shí)現(xiàn)浪涌電流限制。

圖 7：使用 LM7480x-Q1 限制浪涌電流

7.過(guò)流保護(hù)

的INA302-Q1通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立可調(diào)閾值比較器的輸出提供了過(guò)電流檢測(cè)。將低電平有效比較器輸出連接到 LM74810-Q1 的啟用引腳，允許 MOSFET 在遇到過(guò)流情況時(shí)關(guān)閉。ALERT2 比較器提供了輸出信號(hào)可調(diào)延遲的靈活性，如果在正常操作期間可能出現(xiàn)小電流增加，但您不希望在這種情況下觸發(fā)過(guò)流保護(hù)，這可能會(huì)很有用。您可以通過(guò)改變放置在器件 DELAY 引腳上的電容值來(lái)調(diào)整延遲的持續(xù)時(shí)間，并通過(guò) INA302-Q1 的 ILIM 引腳調(diào)整過(guò)流事件的電流閾值；參見(jiàn)圖 8 中的R 5。

圖 8：實(shí)施可調(diào)過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)

8.低壓瞬變保護(hù)

冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)事件會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)低電壓瞬變。在這些事件期間，輸入低于輸出可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)電流，這可能是需要維持功能的系統(tǒng)所關(guān)注的。由于輸出電壓將在存在的輸出電容允許的范圍內(nèi)降低，因此確保電流不會(huì)流回電池需要反向電流阻斷。

LM74810-Q1 可以提供這種保護(hù)，因?yàn)樗掷m(xù)監(jiān)控 A 和 C 引腳之間 Q1 MOSFET 上的壓降。如圖 9 和 10 所示，在正常工作期間，Q1 兩端的電壓將為正，電流可以流向負(fù)載。在可能出現(xiàn)反向電流的情況下——例如當(dāng)輸入低于輸出時(shí)——當(dāng) Q1 兩端的電壓達(dá)到 –4.5 mV 時(shí)，LM74810-Q1 將快速響應(yīng)并關(guān)閉 MOSFET，從而防止直流反向電流。

圖 9：LM74810-Q1 監(jiān)控 Q1 MOSFET 兩端的壓降，以確保不會(huì)出現(xiàn)直流反向電流

圖 10：當(dāng) MOSFET 上的壓降達(dá)到 –4.5 mV 時(shí)，驅(qū)動(dòng) Q1 柵極的 DGATE 拉低，提供反向電流阻斷

9.在惡劣的汽車(chē)環(huán)境中的靈活性

通過(guò)在輸入端對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行高級(jí)保護(hù)，設(shè)計(jì)人員獲得了靈活性。這些保護(hù)設(shè)備有助于推動(dòng)汽車(chē)內(nèi)的創(chuàng)新，為系統(tǒng)的其余部分提供更多選擇機(jī)會(huì)，而無(wú)需擔(dān)心功能性或缺乏對(duì)汽車(chē)中惡劣電氣環(huán)境的保護(hù)。

此外，與分立實(shí)施相比，像此處描述的那樣的緊湊型兩設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)可顯著減小總解決方案尺寸。更小的解決方案尺寸為信息娛樂(lè)解決方案的其余部分提供了更多的創(chuàng)新空間和機(jī)會(huì)。