有源高压瞬态保护器设计

　　中心议题：

　　?汽车内部产生的瞬态电压

　　?电源故障情况下的保护

　　?分立保护电路的优缺点

　　解决方案：

　　?可变电阻器

　　?分立式保护电路

　　汽车内部、外部各种各样的电子及电磁干扰常常使汽车电子设备处于危险的工作状况，降低电子设备的性能，并可能引发故障甚至损坏。最严重的干扰—大幅值的正向、反向过压和瞬变—多数由汽车电子系统内部产生，或者是不恰当的(错误的)操作所致。

　　汽车内部产生的瞬态电压

　　在汽车电子网络中，电子控制单元(ECU)通过线束互联，大多数ECU直接或通过启动开关由汽车电池供电。即使在常规操作中也会存在电气干扰和高频影响，通过配线系统传导，最终耦合或以辐射方式干扰到车载电子设备。干扰源包括启动系统、交流电机、负载切换、开关抖动以及“抛负载”(即直流电机运行过程中切断电源，由此产生的电压)。

　　这些浪涌中最具破坏性的是“抛负载”，这种情况发生在引擎正在运转的过程中，在交流电机正在给电池充电时断开电池连接。产生的瞬态电压幅度取决于断开连接时交流电机的转速和场激励的大小。这一浪涌过程可能持续几百毫秒，产生100V以上的电压，对半导体电路具有潜在的致命影响。

　　启动、冷启动、电池反接

　　另外一个风险是启动过程中存在的“双电池”电压，此时电缆跳接到另一组24V网络系统的汽车电池，最终用24V电池开启12V系统。下面再来考虑另一情况，当启动引擎时，特别是在寒冷天气，电池没有充满的情况下，机油变得非常粘稠，引擎需要提供更大的扭矩，因此，需要电池提供更大的电流，较大的电流负载会导致电源电压跌落，从标称12V跌落到5V以下。这种跌落会持续数十毫秒，引起电子系统短时间挂起。一旦引擎启动，电压将返回至标称值。

　　另外一个值得注意的因素是，当电池连接错误时，汽车电子必须能够承受电池反接的电压。

　　电源故障情况下的保护

　　上述异常条件促使设计人员选择适当的保护措施，以避免电源故障造成的影响。分析显示抛负载脉冲是能量最强的一类干扰。为避免电子电路受此类脉冲的破坏，目前有两种保护措施：

　　在所有汽车交流电机内部采用中心电压钳位。为每个ECU提供保护电路。系统仍然需要第二级抑制电路，在电路板上滤除低能量脉冲，例如，正、负瞬态电压以及电池瞬间反接导致的尖峰脉冲。这些脉冲通常通过小尺寸的大容值电容、反向保护二级管或者是与瞬态抑制二极管(TVS)或可变电阻串联的电感进行滤除。

　　中心抛负载抑制通常通过交流发电机的内部钳位电路(二极管)实现，用于吸收抛负载能量，承受启动时的电池电压。尽管采取了钳位措施，如果将钳位电压设置在最大启动电压以上，将无法达到钳位的目的，汽车电压仍会高达36V。

　　那些不具备中心抛负载抑制功能的汽车电子系统必须采用本地保护措施，以抑制抛负载干扰信号。通常在远离连接器端，在ECU内部增加保护电路，整个汽车内部需要众多的这类保护措施，过多的元件会导致漏电流和整体成本的增加。板上抛负载保护电路通常采用TVS二极管(类似于齐纳二极管)、可变电阻、以及抑制滤波器等，这些元件应连接到电源端。

　　下文给出了各种传统的板上保护电路。

　　标准过压抑制器件

　　在板级水平有几类器件可用于过压钳位。

　　TVS二极管

　　雪崩二极管是能够抑制所有超出其击穿电压的钳位器件。它们能够吸收较高的能量，保护电子电路免遭尖峰电压和抛负载的破坏。这些二极管具有快速开启、缓慢关断特性。与其它过压保护器件(如：可变电阻)相比，雪崩二极管对过压事件的响应速度更快。其性能指标不会随着使用寿命的延长以及瞬态电压作用次数的增多而降低。在其击穿电压附近，雪崩抑制二极管具有较大的漏电流。这类二极管通常表示为Transil?、TransZorb?或简称为TVS二极管。

　　可变电阻器

　　可变电阻是与电压相关的电阻(VDR)。相应的，该非线性电阻在高于某个特定电压后阻值会迅速降低。在钳位正向和负向电压时，其功能类似于背靠背的齐纳二极管。能够以很小的封装尺寸和较低的成本承受相对较高的电流和能量，但当电压接近钳位电压时，漏电流较大。钳位电压也会随电流的增加而明显提高。可变电阻器在重复受到浪涌冲击时性能会受到一定影响，通常也具有更高的“钳位电压”，与TVS二极管相比，这些因素会明显降低其响应速度。

　　分立式保护电路

　　一种简单且性价比较高的保护电路是将负载与钳位电路(如TVS二级管)并联，在电容之前加一个保险丝。该电路可使ECU在出现高于TVS二极管(D1)击穿电压的瞬态过压以及抛负载条件下为系统提供保护。当出现负的瞬态电压或稳定的反向电压时，TVS正向导通，从而将负向电压钳位在其导通电压(例如-1V)，为后续电路提供保护。对于能量较低的负瞬态电压，例如：继电器或螺线管开关引入的过压，可以通过电容(ClowE)滤除。如果持续保持正向或反向过压状况，保险丝将熔断。

　　为了避免在难以接近的ECU部位更换保险丝，或保证ECU的连续运转，必须采取其它技术，如额外的串联保护。图6电路可使ECU免遭电池反接以及瞬态负压(D2)、高于TVS二极管(D1)击穿电压的正向过压脉冲(抛负载和低能量瞬态电压)的冲击。所选二极管D2的反向峰值电压必须大于可能出现的负脉冲最大值。

　　考虑到其小尺寸、低成本和较高的功率耗散能力，可变电阻常用于对电路板面积要求苛刻，并且后续电路对正向、反向过压有一定容限的系统。图7所示电路能够对后续电路提供有效的过压脉冲保护(正向和负向瞬态电压，电压高于可变电阻器的击穿电压)。电容有助于滤除低能量的正、负瞬态电压。

　　分立保护电路的优缺点

　　上述所有电路各有其优缺点，图5所示电路是一个简单的瞬态保护电路，只包含一个TVS管、一个滤波电容和一个保险丝，但缺点是必须选择击穿电压大于可能出现的最大稳态电压的TVS二极管，启动时该电压通常是电池电压的2倍(经常>26V，持续时间超过1分钟)。否则，如果没有正确选用TVS，使得TVS管在较低电压下导通，随后会因为连续的功率耗散而烧坏。

　　由于VI特性已经限定了击穿电压以上的电流变化斜率，TVS二极管还存在一定的内阻，该电阻会使钳位电压因较高电流而升高。如，28V的TVS管(例如SMBJ28)在发生抛负载时会使后续电路的电压达到45V，这种情况下，所用后续电路必须能够承受45V的电压(图3)。显然，这将使后续ECU电路元件的选择复杂化，而这些电路通常只能工作在汽车标称工作电压的上限(大约17V)。高压半导体器件或其它元件价格昂贵，会增加ECU的成本并占用宝贵的电路板空间。

　　为了尽可能降低最大过压值，需要选择击穿电压接近于稳态最高电压(例如，启动电压)的TVS管。由此可能引发在接近击穿电压时(甚至在12V汽车标称电压下)产生较大的漏电流。汽车引擎停止工作时，这一漏电流使得ECU设计人员很难达到OEM(设备生产商)对低静态电流的要求。

　　正常工作条件下，图6中的二极管(D1)所示约有>0.7V的压降，这会产生两方面的问题：

　　压降会产生一定的功耗。

　　ECU很难工作在低压状态。

　　对于大电流应用，如汽车防抱死系统，所消耗的电流可以轻易超过10A。例如，对于系统中1V压降的二极管将造成10W的功耗，在有限尺寸的电路板上，耗散如此大的功率几乎是不可能的。采用单个或双肖特基二极管在某些应用中可以减缓这个问题。假定压降为0.5V，在10A负载电流时，双肖特基二极管的功耗为5W。这依然是一个难以接受的功耗，设计人员不得不使用大尺寸的散热器。

　　如上所述，二极管压降本身会产生一定的负面影响。例如，在一个14.4V的音频系统中，最大输出功率取决于所能获得的最大扬声器驱动电压。而为了避免电池反接，系统中会在电源上增加一个二极管，由此可能产生1V的压降，使输出功率损失约8.4dBW(对于2Ω的桥接扬声器)。

　　汽车在寒冷环境下启动时，ECU必须能够工作在低压状态，任何不必要的电压跌落都会影响系统工作。冷启动时，汽车制造商规定的输入电压为5.5V甚至更低。用来防止电池反接的二极管压降会占用很大的裕量。例如，汽车电池电压在ECU输入连接器处降到5.5V，减去电池反接保护二极管的0.7V压降，真正供给电路的电压只有4.8V