用有源高壓瞬態保護器替代傳統的汽車電子無源保護

大多數汽車電子系統需要過壓、電池反接和瞬態保護，在這些保護電路中使用有源保護器件能夠獲得低功耗、最佳工作電壓門限、降低器件成本、降低靜態電流等諸多優勢。本文詳細討論了有源方案相對于傳統保護電路的優勢。

引言

汽車內部、外部各種各樣的電子及電磁干擾常常使汽車電子設備處于危險的工作狀況，降低電子設備的性能，并可能引發故障甚至損壞。最嚴重的干擾D大幅值的正向、反向過壓和瞬變D多數由汽車電子系統內部產生，或者是不恰當的(錯誤的)操作所致。

汽車內部產生的瞬態電壓

在汽車電子網絡中，電子控制單元(ECU)通過線束互聯，大多數ECU直接或通過啟動開關由汽車電池供電。即使在常規操作中也會存在電氣干擾和高頻影響，通過配線系統傳導，最終耦合或以輻射方式干擾到車載電子設備。干擾源包括啟動系統、交流電機、負載切換、開關抖動以及“拋負載” (即直流電機運行過程中切斷電源，由此產生的電壓)。

這些浪涌中最具破壞性的是“拋負載” (圖1)，這種情況發生在引擎正在運轉的過程中，在交流電機正在給電池充電時斷開電池連接。產生的瞬態電壓幅度取決于斷開連接時交流電機的轉速和場激勵的大小。這一浪涌過程可能持續幾百毫秒，產生100V以上的電壓，對半導體電路具有潛在的致命影響。

圖1. 典型的拋負載浪涌波形：a)沒有抑制;b)提供抑制。

啟動、冷啟動、電池反接

另外一個風險是啟動過程中存在的“雙電池”電壓，此時電纜跳接到另一組24V網絡系統的汽車電池，最終用24V電池開啟12V系統。下面再來考慮另一情況，當啟動引擎時，特別是在寒冷天氣，電池沒有充滿的情況下，機油變得非常粘稠，引擎需要提供更大的扭矩，因此，需要電池提供更大的電流，較大的電流負載會導致電源電壓跌落，從標稱12V跌落到5V以下。這種跌落會持續數十毫秒，引起電子系統短時間掛起(圖2)。一旦引擎啟動，電壓將返回至標稱值。

圖2. 汽車冷啟動時的典型電壓波形

另外一個值得注意的因素是，當電池連接錯誤時，汽車電子必須能夠承受電池反接的電壓(例如-14V)。

電源故障情況下的保護

上述異常條件促使設計人員選擇適當的保護措施，以避免電源故障造成的影響。分析顯示拋負載脈沖是能量最強的一類干擾。為避免電子電路受此類脈沖的破壞，目前有兩種保護措施： 在所有汽車交流電機內部采用中心電壓鉗位(中心拋負載抑制，圖1b)。 為每個ECU提供保護電路。

系統仍然需要第二級抑制電路，在電路板上濾除低能量脈沖，例如，正、負瞬態電壓以及電池瞬間反接導致的尖峰脈沖。這些脈沖通常通過小尺寸的大容值電容、反向保護二級管或者是與瞬態抑制二極管(TVS)或可變電阻串聯的電感進行濾除。

中心拋負載抑制通常通過交流發電機的內部鉗位電路(二極管)實現，用于吸收拋負載能量，承受啟動時的電池電壓。盡管采取了鉗位措施，如果將鉗位電壓設置在最大啟動電壓以上，將無法達到鉗位的目的，汽車電壓仍會高達36V。

那些不具備中心拋負載抑制功能的汽車電子系統必須采用本地保護措施，以抑制拋負載干擾信號。通常在遠離連接器端，在ECU內部增加保護電路，整個汽車內部需要眾多的這類保護措施，過多的元件會導致漏電流和整體成本的增加。板上拋負載保護電路通常采用TVS二極管(類似于齊納二極管)、可變電阻、以及抑制濾波器等，這些元件應連接到電源端。

下文給出了各種傳統的板上保護電路。

標準過壓抑制器件

在板級水平有幾類器件可用于過壓鉗位。

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TVS二極管

雪崩二極管(與齊納二極管類似，圖3)是能夠抑制所有超出其擊穿電壓的鉗位器件。它們能夠吸收較高的能量，保護電子電路免遭尖峰電壓和拋負載的破壞。這些二極管具有快速開啟、緩慢關斷特性。與其它過壓保護器件(如：可變電阻)相比，雪崩二極管對過壓事件的響應速度更快。其性能指標不會隨著使用壽命的延長以及瞬態電壓作用次數的增多而降低。在其擊穿電壓附近，雪崩抑制二極管具有較大的漏電流。這類二極管通常表示為Transil®、TransZorb®或簡稱為TVS二極管。

圖3. 瞬態電壓抑制器特性(VBR = 擊穿電壓， VC = 峰值脈沖電流IP對應的鉗位電壓)。

可變電阻器

可變電阻是與電壓相關的電阻(VDR)。相應的，該非線性電阻在高于某個特定電壓后阻值會迅速降低(圖4)。在鉗位正向和負向電壓時，其功能類似于背靠背的齊納二極管。能夠以很小的封裝尺寸和較低的成本承受相對較高的電流和能量，但當電壓接近鉗位電壓時，漏電流較大。鉗位電壓也會隨電流的增加而明顯提高。可變電阻器在重復受到浪涌沖擊時性能會受到一定影響，通常也具有更高的“鉗位電壓”，與TVS二極管相比，這些因素會明顯降低其響應速度。

圖4. 典型的可變電阻器特性(VC = 峰值脈沖電流IP對應的鉗位電壓)

分立式保護電路

一種簡單且性價比較高的保護電路是將負載與鉗位電路(如TVS二級管)并聯，在電容之前加一個保險絲(圖5)。該電路可使ECU在出現高于TVS二極管(D1)擊穿電壓的瞬態過壓以及拋負載條件下為系統提供保護。當出現負的瞬態電壓或穩定的反向電壓時，TVS正向導通，從而將負向電壓鉗位在其導通電壓(例如-1V)，為后續電路提供保護。對于能量較低的負瞬態電壓，例如：繼電器或螺線管開關引入的過壓，可以通過電容(ClowE)濾除。如果持續保持正向或反向過壓狀況，保險絲將熔斷。