有源高壓瞬態保護器設計

圖5.利用濾波電容、瞬態抑制二極管和保險絲構成的簡單過壓保護電路

為了避免在難以接近的ECU部位更換保險絲，或保證ECU的連續運轉，必須采取其它技術，如額外的串聯保護。圖6電路可使ECU免遭電池反接以及瞬態負壓(D2)、高于TVS二極管(D1)擊穿電壓的正向過壓脈沖(拋負載和低能量瞬態電壓)的沖擊。所選二極管D2的反向峰值電壓必須大于可能出現的負脈沖最大值。

圖6.用二極管取代圖5中的保險絲，該電路不但提供過壓保護并且提供負向瞬態電壓保護和電池反接保護。

考慮到其小尺寸、低成本和較高的功率耗散能力，可變電阻常用于對電路板面積要求苛刻，并且后續電路對正向、反向過壓有一定容限的系統。圖7所示電路能夠對后續電路提供有效的過壓脈沖保護(正向和負向瞬態電壓，電壓高于可變電阻器的擊穿電壓)。電容有助于濾除低能量的正、負瞬態電壓。

圖7.當電路板面積受限同時又需要為后續電路提供過壓保護時，可以利用可變電阻器(示例中的VDR)取代TVS二極管，只要過壓脈沖(正或負瞬態脈沖)高于可變電阻器的擊穿電壓，發生正向或負向過壓時，后續電路必須有一定的容量。

分立保護電路的優缺點

上述所有電路各有其優缺點，圖5所示電路是一個簡單的瞬態保護電路，只包含一個TVS管、一個濾波電容和一個保險絲，但缺點是必須選擇擊穿電壓大于可能出現的最大穩態電壓的TVS二極管，啟動時該電壓通常是電池電壓的2倍(經常>26V，持續時間超過1分鐘)。否則，如果沒有正確選用TVS，使得TVS管在較低電壓下導通，隨后會因為連續的功率耗散而燒壞。

由于VI特性已經限定了擊穿電壓以上的電流變化斜率，TVS二極管還存在一定的內阻，該電阻會使鉗位電壓因較高電流而升高。如，28V的TVS管(例如SMBJ28)在發生拋負載時會使后續電路的電壓達到45V，這種情況下，所用后續電路必須能夠承受45V的電壓(圖3)。顯然，這將使后續ECU電路元件的選擇復雜化，而這些電路通常只能工作在汽車標稱工作電壓的上限(大約17V)。高壓半導體器件或其它元件價格昂貴，會增加ECU的成本并占用寶貴的電路板空間。

為了盡可能降低最大過壓值，需要選擇擊穿電壓接近于穩態最高電壓(例如，啟動電壓)的TVS管。由此可能引發在接近擊穿電壓時(甚至在12V汽車標稱電壓下)產生較大的漏電流。汽車引擎停止工作時，這一漏電流使得ECU設計人員很難達到OEM(設備生產商)對低靜態電流的要求。

正常工作條件下，圖6中的二極管(D1)所示約有>0.7V的壓降，這會產生兩方面的問題：

壓降會產生一定的功耗。

ECU很難工作在低壓狀態。

對于大電流應用，如汽車防抱死系統，所消耗的電流可以輕易超過10A。例如，對于系統中1V壓降的二極管將造成10W的功耗，在有限尺寸的電路板上，耗散如此大的功率幾乎是不可能的。采用單個或雙肖特基二極管在某些應用中可以減緩這個問題。假定壓降為0.5V，在10A負載電流時，雙肖特基二極管的功耗為5W。這依然是一個難以接受的功耗，設計人員不得不使用大尺寸的散熱器。

如上所述，二極管壓降本身會產生一定的負面影響。例如，在一個14.4V的音頻系統中，最大輸出功率取決于所能獲得的最大揚聲器驅動電壓。而為了避免電池反接，系統中會在電源上增加一個二極管，由此可能產生1V的壓降，使輸出功率損失約8.4dBW(對于2Ω的橋接揚聲器)。

汽車在寒冷環境下啟動時，ECU必須能夠工作在低壓狀態(圖2)，任何不必要的電壓跌落都會影響系統工作。冷啟動時，汽車制造商規定的輸入電壓為5.5V甚至更低。用來防止電池反接的二極管壓降會占用很大的裕量。例如，汽車電池電壓在ECU輸入連接器處降到5.5V，減去電池反接保護二極管的0.7V壓降，真正供給電路的電壓只有4.8V。

假如5V微控制器通過一個壓差為500mV的線性穩壓器供電，這時微控制器能夠獲得的供電電壓僅為4.3V，無法支持其正常工作，有可能使其進入復位狀態，丟失存儲器數據或導致整個ECU死機。GPS導航系統是一個比較典型的例子：汽車啟動之前輸入目的地址，系統必須保證在以后的冷啟動過程中不會丟失數據。

對于圖7所示包含可變電阻的應用，通常對電路板面積要求非常嚴格。與TVS管一樣，根據具體應用的最高穩態直流電壓確定可變電阻的鉗位電壓。然而，當電壓高于擊穿電壓時，可變電阻的VI特性曲線相對于TVS二極管要緩慢得多(圖4)。因此，可變電阻相對TVS管會使后續電路承受更高的電壓，從而提高了后續電路的器件成本、封裝尺寸以及電路板空間。

通過將鉗位電壓設置在相對較低的電平，保持盡可能低的過壓保護點，又會增大正常工作時的靜態電流。標稱電壓下的靜態電流通常高于TVS管，實際效果與具體元件選擇有關。

有源瞬態保護方案

考慮到以上分立保護電路的諸多缺點，有源保護電路提供了一個更好的選擇。對于要求低靜態電流、低工作電壓并具有電池反接保護和過壓保護的方案，可以選擇MAX16013/MAX16014¹過壓保護/檢測電路。

此類器件的工作原理十分簡單(圖8)。IC直接監測輸入電壓，并通過控制兩個外部pFET功率開關在故障條件下斷開負載的連接。外部MOSFET在5.5V和所設置的上限電源電壓之間導通，上限電壓可通過連接在SET引腳的分壓電阻調節，范圍通常在20V至28V之間。

圖8.MAX16013和MAX16014可提供有源瞬態保護功能，直接監測電源電壓，當檢測到故障時，通過控制兩個外部p溝道FET開關，斷開負載與故障電源。

發生故障時，FETP2有兩種不同模式。第一種模式下，P2僅僅相當于一個簡單的開關，在過壓條件下斷開開關，從而避免高壓對下游器件的破壞。第二種模式下，P2相當于可調節的瞬態抑制器，將輸出電壓鉗制在所允許的最大過壓點。