中心議題:
- 無源保護(hù)電路
- 屏蔽敏感電路
- 免受變化不定的12V汽車系統(tǒng)的影響
- 電池反向保護(hù)
解決方案:
- LT1641在輸入低于9V時(shí)斷開負(fù)載
- 在首次加電時(shí)對負(fù)載實(shí)行軟啟動(dòng)
車環(huán)境對電子產(chǎn)品而言是非??量痰模喝魏芜B接到12V電源上的電路都必須工作在9V至16V的標(biāo)稱電壓范圍內(nèi),其它需要迫切應(yīng)對的問題包括負(fù)載突降、冷車發(fā)動(dòng)、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(fù)載突降時(shí),交流發(fā)電機(jī)的輸出電壓迅速升高到60V或更高的電壓;冷車發(fā)動(dòng)指的是在低溫時(shí)起動(dòng)汽車,這會(huì)引起電池電壓下降至6V或更低;電池反向是在激活一個(gè)沒電的電池時(shí),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(gè)串聯(lián)起來的 12V電池,以在寒冷的天氣中幫助起動(dòng)一個(gè)電池沒電的汽車。這將使電氣系統(tǒng)的電壓范圍提高到了28V,直到汽車起動(dòng)且牽引車司機(jī)斷開跨接電纜為止。
考慮到汽車電氣系統(tǒng)由大電流電動(dòng)機(jī)、繼電器、螺線管、車燈和不斷顫動(dòng)的開關(guān)觸點(diǎn)組成,因此出現(xiàn)尖峰信號和噪聲就一點(diǎn)也不奇怪了。另外,交流發(fā)電機(jī)是采用斬波勵(lì)磁調(diào)整的三相電機(jī),有時(shí)會(huì)以非常大的電流對電池充電。因此,對于工作在汽車環(huán)境中的電路設(shè)計(jì)來說,尤其是需要適應(yīng)在負(fù)載突降和雙電池助推情況下產(chǎn)生的高輸入電壓電路。
無源保護(hù)電路
用于汽車電子產(chǎn)品的無源保護(hù)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。
與此相同或類似的電路廣泛用于保護(hù)與汽車 12V 總線連接的各種系統(tǒng)。這種網(wǎng)絡(luò)防止高壓尖峰、持續(xù)過壓、電池反向和電流過度消耗造成損害。圖1的電流保護(hù)作用很明顯,如果負(fù)載電流超過1A的時(shí)間很長,保險(xiǎn)絲F1就會(huì)熔化。D1與F1結(jié)合防止電池反向連接造成損害,大電流流經(jīng)正向偏置的D1并燒斷保險(xiǎn)絲。電解電容器大約在額定電壓的150%時(shí)有一個(gè)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(xù)升高時(shí)起箝位作用(最終燒斷保險(xiǎn)絲)。雙電池助推時(shí)的電壓為28V左右,這不會(huì)燒斷保險(xiǎn)絲,因?yàn)镃1 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(tài)的轉(zhuǎn)換率,從而在存在尖峰時(shí)幫助C1實(shí)現(xiàn)箝位。
無源網(wǎng)絡(luò)的主要缺點(diǎn)是它依靠燒斷保險(xiǎn)絲來防止過流、過壓和電池反向造成損害。另一個(gè)缺點(diǎn)是,它依靠電解電容實(shí)現(xiàn)箝位。這種電容器老化以后,電解質(zhì)會(huì)變干,等效串聯(lián)電阻(ESR)提高的特性也就消失了,這會(huì)損害箝位效果。有時(shí)D1采用大的齊納二極管以幫助這個(gè)電容器發(fā)揮作用。人們已經(jīng)設(shè)計(jì)出了有源電路來克服這些缺點(diǎn)。
有源電路
圖2顯示了一個(gè)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(tǒng)的影響。采用LT1641來驅(qū)動(dòng)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(hù):首先,LT1641在輸入低于9V時(shí)斷開負(fù)載,以防在低輸入電壓時(shí)系統(tǒng)失靈,并在起動(dòng)時(shí)或充電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),減少系統(tǒng)向非關(guān)鍵負(fù)載提供寶貴的電流的機(jī)會(huì);其次,LT1641在首次加電時(shí)逐漸升高輸出電壓,對負(fù)載實(shí)行軟啟動(dòng);第三,通過限流和定時(shí)斷路器保護(hù)輸出免受過載和短路影響。如果發(fā)生電流故障,斷路器就以1至2Hz的速率自動(dòng)重新嘗試建立連接,可以設(shè)定保護(hù)電路上行線路保險(xiǎn)絲的容限,讓它在LT1641的下行線路出現(xiàn)電流故障時(shí)不熔化;最后,圖2所示電路隔離出現(xiàn)在輸入端的過壓狀態(tài),同時(shí)提供箝位輸出,以便負(fù)載電路在出現(xiàn)過壓時(shí)能繼續(xù)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(fù)載提供電源。27V齊納二極管D1的兩端分別連接?xùn)艠O與地,但是在9至16V的工作電壓范圍內(nèi)不起作用。當(dāng)輸入升高到超過16V時(shí),LT1641繼續(xù)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(huì)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(dá)100V的電壓,而且不受柵極箝位動(dòng)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(gè)具有合適擊穿電壓的D1,就可以輕松調(diào)整柵極箝位電路以滿足負(fù)載要求。
圖2所示電路在負(fù)載電流高達(dá)1A左右時(shí)工作得很好,但是就更高的負(fù)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(tài)持續(xù)存在,如電氣系統(tǒng)由兩個(gè)串聯(lián)電池供電的時(shí)間超過通常所需時(shí)間,或負(fù)載突降后電流慢速上升以及MOSFET較小時(shí),那么過度消耗功率是有風(fēng)險(xiǎn)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(gè)信號,以將輸出穩(wěn)定在16.7V。這里的調(diào)節(jié)比圖1所示電路的調(diào)節(jié)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(fù)載的需求。
總的功耗由“TIMER”引腳限制,這個(gè)引腳記錄MOSFET調(diào)節(jié)輸出所用的總時(shí)長。如果過壓狀態(tài)持續(xù)超過15ms,那么LT1641就停機(jī)并允許 MOSFET停止輸出調(diào)節(jié)。在大約半秒鐘以后,該電路嘗試重新啟動(dòng)。這種重啟周期一直持續(xù),直到過壓狀態(tài)消失并恢復(fù)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。
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電池反向保護(hù)
簡單地增加一個(gè)串聯(lián)二極管,就可以給圖2或圖3所示電路增加電池反向保護(hù)功能
在大多數(shù)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(guān)鍵應(yīng)用中,圖4所示的簡單電路就可以解決這個(gè)問題。
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(shí),Q2柵極獲得驅(qū)動(dòng),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?jǐn)嚅_狀態(tài),并隔離反向輸入,使其不能到達(dá)LT1641和負(fù)載電路。微安級電流流經(jīng)1MΩ電阻,到達(dá)LT1641的“GATE”引腳。
高壓LDO,可延長電池壽命;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(wěn)壓器(如LT1616)一般不考慮用于汽車應(yīng)用。然而,如果與 LT3012B/LT3013B等低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器結(jié)合使用,在輸入電壓上的缺點(diǎn)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(huán)境中提供3.3V輸出。
LT3013B擁有4V至80V的寬輸入電壓范圍,并集成了電池反向保護(hù)功能,無需特殊電壓限制或箝位電路,因此節(jié)省了成本和電路板面積。在以適中的負(fù)載電流工作時(shí),LDO穩(wěn)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(huì)下降。例如,將12V輸入降至3.3V輸出時(shí),效率僅為28%。
在圖5中,通過讓LT3013B在正常輸入電壓范圍內(nèi)以低壓差方式工作實(shí)現(xiàn)更高的效率。在這種情況下,LT3013B的輸出電壓設(shè)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(wěn)壓器供電,而且電壓恰好在正常工作電壓范圍的中間。在負(fù)載突降情況下,VIN可能迅速升至高達(dá)80V,但是在VIN超過24.4V時(shí),LT3013B將調(diào)整它的輸出,并將其有效地“限制”在24V,這剛好在LT1616開關(guān)的額定電壓范圍內(nèi)。如果VIN上升至高于24.4V,該LDO的效率會(huì)下降,但是這種情況持續(xù)時(shí)間很短,不會(huì)產(chǎn)生什么不良后果。
LT1616將LT3013B受到限制的輸出轉(zhuǎn)換為3.3V。在12V輸入時(shí),該開關(guān)的效率大約為80%。在冷車發(fā)動(dòng)時(shí),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(nèi)。LT3013B LDO穩(wěn)壓器與LT1616開關(guān)結(jié)合,在不犧牲效率的前提下,可在12V汽車電氣系統(tǒng)典型的寬工作電壓范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的3.3V輸出。
一個(gè)集成度更高的解決方案是LT3437。LT3437是一個(gè)200kHz的單片降壓型穩(wěn)壓器,它的輸入電壓范圍為3.3V至80V。其在無負(fù)載時(shí)的 100uA低靜態(tài)電流是今天始終保持接通系統(tǒng)所必需的??梢栽贚T3437的輸入端串聯(lián)一個(gè)低成本的二極管以提供電池反向保護(hù)。