【導讀】汽車行業是國民經濟的支柱產業,是當今世界衡量一個國家發展水平的重要標志之一。汽車的發展給整個人類帶來了巨大的變化,汽車技術也取得了令人矚目的進步。本文主要從汽車電路的特點入手,設計一款能夠保護汽車用電設備的保護電路,以便使汽車用電設備工作在額定電壓下,保證汽車電器正常運行。
車環境對電子產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的標稱電壓范圍內，其它需要迫切應對的問題包括負載突降、冷車發動、電池反向、雙電池助推、尖峰信號、噪聲和極寬的溫度范圍。在負載突降時，交流發電機的輸出電壓迅速升高到60V或更高的電壓；冷車發動指的是在低溫時起動汽車，這會引起電池電壓下降至6V或更低；電池反向是在激活一個沒電的電池時，由于粗心地將電纜極性接反造成的。很多牽引車都配備兩個串聯起來的12V電池，以在寒冷的天氣中幫助起動一個電池沒電的汽車。這將使電氣系統的電壓范圍提高到了28V，直到汽車起動且牽引車司機斷開跨接電纜為止。
無源保護電路
用于汽車電子產品的無源保護網絡如圖1所示。與此相同或類似的電路廣泛用于保護與汽車 12V 總線連接的各種系統。這種網絡防止高壓尖峰、持續過壓、電池反向和電流過度消耗造成損害。圖1的電流保護作用很明顯，如果負載電流超過1A的時間很長，保險絲F1就會熔化。D1與F1結合防止電池反向連接造成損害，大電流流經正向偏置的D1并燒斷保險絲。電解電容器大約在額定電壓的150%時有一個有趣的特性：隨著終端電壓的提高，這種電容消耗的電流也越來越大，就C1而言，它在輸入持續升高時起箝位作用（最終燒斷保險絲）。雙電池助推時的電壓為28V左右，這不會燒斷保險絲，因為C1 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的轉換率，從而在存在尖峰時幫助C1實現箝位。
圖 1：以簡單性為特點的無源保護網絡
無源網絡的主要缺點是它依靠燒斷保險絲來防止過流、過壓和電池反向造成的損害。還有一個缺點是，它是依靠電解電容實現箝位的。這種電容器老化以后，電解質會變干，等效串聯電阻（ESR）提高的特性也就消失了，這會損害箝位效果。有時D1采用大的齊納二極管以幫助這個電容器發揮作用。人們已經設計出了有源電路來克服這些缺點。
有源電路
圖2顯示了一個有源解決方案，該方案用于屏蔽敏感電路，使其免受變化不定的12V汽車系統的影響。采用LT1641來驅動輸入N溝道 MOSFET，而上述提供無源解決方案就不具備這種附加保護：首先，LT1641在輸入低于9V時斷開負載，以防在低輸入電壓時系統失靈，并在起動時或充電系統出現故障時，減少系統向非關鍵負載提供寶貴的電流的機會；其次，LT1641在首次加電時逐漸升高輸出電壓，對負載實行軟啟動；第三，通過限流和定時斷路器保護輸出免受過載和短路影響。如果發生電流故障，斷路器就以1至2Hz的速率自動重新嘗試建立連接，可以設定保護電路上行線路保險絲的容限，讓它在LT1641的下行線路出現電流故障時不熔化；最后，圖2所示電路隔離出現在輸入端的過壓狀態，同時提供箝位輸出，以便負載電路在出現過壓時能繼續正常工作。
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，并向負載提供電源。27V齊納二極管D1的兩端分別連接柵極與地，但是在9至16V的工作電壓范圍內不起作用。當輸入升高到超過16V時，LT1641繼續給MOSFET的柵極充電，試圖保持MOSFET完全接通。如果輸入升得太高，齊納二極管就會對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100V的電壓，而且不受柵極箝位動作的影響。柵極箝位電路比無源解決方案的箝位電路精確得多，而且簡單地通過選擇一個具有合適擊穿電壓的D1，就可以輕松調整柵極箝位電路以滿足負載要求。
圖2所示電路在負載電流高達1A左右時工作得很好，但是就更高的負載電流而言，推薦使用圖3所示電路來防止MOSFET過度消耗功率。如果過壓狀態持續存在，如電氣系統由兩個串聯電池供電的時間超過通常所需時間，或負載突降后電流慢速上升以及MOSFET較小時，那么過度消耗功率是有風險的。輸出由D1和D2取樣，如果輸入超過16.7V，那么就向“SENSE”引腳反饋一個信號，以將輸出穩定在16.7V。這里的調節比圖1所示電路的調節更精確，并且可以通過選擇合適的齊納二極管輕松定制，以滿足負載的需求。
圖 2：過壓瞬態保護器將輸出箝位在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，這個引腳記錄MOSFET調節輸出所用的總時長。如果過壓狀態持續超過15ms，那么 LT1641就停機并允許MOSFET停止輸出調節。在大約半秒鐘以后，該電路嘗試重新啟動。這種重啟周期一直持續，直到過壓狀態消失并恢復正常工作為止。處理過流故障的方法與圖2描述的方法相同。
電池反向保護
簡單地增加一個串聯二極管，就可以給圖2或圖3所示電路增加電池反向保護功能。
圖 3：調整箝位電壓以在輸入浪涌上升時箝位，保護MOSFET免受功率過度消耗的影響
在大多數情況下，采用普通p-n二極管就可以，如果正向壓降很重要，可以選擇肖特基二極管。在隔離二極管中的功耗不可接受的關鍵應用中，圖4所示的簡單電路就可以解決這個問題。
圖 4：用于圖2和圖3的電池反向保護
在正常工作情況下，MOSFET Q2的體二極管正向偏置，并傳送功率至LT1641。LT1641接通時，Q2柵極獲得驅動，從而完全接通。如果輸入反向，那么Q3的射極就被拉低至低于地電平，Q3接通，從而將Q2的柵極拉低并保持其接近Q2的源極電平。在這種情況下，Q2保持斷開狀態，并隔離反向輸入，使其不能到達LT1641和負載電路。微安級電流流經1MΩ電阻，到達LT1641的“GATE”引腳。
高壓LDO用作電壓限幅器
最高輸入電壓額定值為25V或更低的降壓穩壓器（如LT1616一般不考慮用于汽車應用。然而，如果與LT3012B/LT3013B等低壓差（LDO）線性穩壓器結合使用，在輸入電壓上的缺點就可以輕松克服。這種尺寸小、效率高的組合如圖5所示，可以在汽車環境中提供3.3V輸出。
圖 5：LT3013B用作電壓限幅器
LT3013B擁有4V至80V的寬輸入電壓范圍，并集成了電池反向保護功能，無需特殊電壓限制或箝位電路，因此節省了成本和電路板面積。在以適中的負載電流工作時，LDO穩壓器的效率近似等于VOUT/VIN。如果VOUT比VIN低得多，那么LDO的效率就會下降。例如，將12V 輸入降至3.3V輸出時，效率僅為28%。
在圖5中，通過讓LT3013B在正常輸入電壓范圍內以低壓差方式工作實現更高的效率。在這種情況下，LT3013B的輸出電壓設定為 24V。該LDO的輸出電壓僅比VIN低400mV，它以97%的效率為LT1616降壓型穩壓器供電，而且電壓恰好在正常工作電壓范圍的中間。在負載突降情況下，VIN可能迅速升至高達80V，但是在VIN超過24.4V時，LT3013B將調整它的輸出，并將其有效地“限制”在24V，這剛好在 LT1616開關的額定電壓范圍內。如果VIN上升至高于24.4V，該LDO的效率會下降，但是這種情況持續時間很短，不會產生什么不良后果。LT1616將LT3013B受到限制的輸出轉換為3.3V。在12V輸入時，該開關的效率大約為80%。在冷車發動時，汽車的電壓可能降低至5V。在這種情況下，LT1616的輸入電壓為4.6V，恰好處于它的工作電壓范圍之內。LT3013B LDO穩壓器與LT1616開關結合，在不犧牲效率的前提下，可在12V汽車電氣系統典型的寬工作電壓范圍內提供穩定的3.3V輸出。
一個集成度更高的解決方案是LT3437。LT3437是一個200kHz的單片降壓型穩壓器，它的輸入電壓范圍為3.3V至80V。其在無負載時的100uA低靜態電流是今天始終保持接通系統所必需的。可以在LT3437的輸入端串聯一個低成本的二極管以提供電池反向保護。
總結
電路保護往往不僅僅是選一、兩個合適的器件那么簡單。在設計中，首先要對可能出現的異常情況逐一分析，選擇合適的保護方案。合適是指在滿足保護要求的條件下，均衡成本、風險、工藝、品質以及空間諸因素所得到的優化方案。好的保護方案既能提高產品的可靠性，又能降低總體成本。合理的硬件保護，是提高汽車質量,保障汽車安全運行的有力保證。
