考慮到汽車電氣系統由大電流電動機、繼電器、螺線管、車燈和不斷顫動的開關觸點組成,因此出現尖峯信號和噪聲就一點也不奇怪了。另外,交流發電機是採用斬波勵磁調整的三相電機,有時會以非常大的電流對電池充電。因此,對於工作在汽車環境中的電路設計來說,尤其是需要適應在負載突降和雙電池助推情況下產生的高輸入電壓電路。
無源保護電路
用於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於保護與汽車 12V 總線連接的各種系統。這種網絡防止高壓尖峯、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,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並燒斷保險絲。電解電容器大約在額定電壓的150%時有一個有趣的特性:隨着終端電壓的提高,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爲28V左右,這不會燒斷保險絲,因爲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,以限制峯值故障電流以及輸入瞬態的轉換率,從而在存在尖峯時幫助C1實現箝位。
圖 1:以簡單性爲特點的無源保護網絡
有源電路
圖2顯示了一個有源解決方案,該方案用於屏蔽敏感電路,使其免受變化不定的12V汽車系統的影響。採用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在輸入低於9V時斷開負載,以防在低輸入電壓時系統失靈,並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,對負載實行軟啓動;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;最後,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。
圖 2:過壓瞬態保護器將輸出箝位在24V左右,如果輸入降至低於9V就斷接
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,或負載突降後電流慢速上升以及MOSFET較小時,那麼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,那麼就向“SENSE”引腳反饋一個信號,以將輸出穩定在16.7V。這裏的調節比圖1所示電路的調節更精確,並且可以通過選擇合適的齊納二極管輕鬆定製,以滿足負載的需求。
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,那麼LT1641就停機並允許MOSFET停止輸出調節。在大約半秒鐘以後,該電路嘗試重新啓動。這種重啓週期一直持續,直到過壓狀態消失並恢復正常工作爲止。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
圖 4:用於圖2和圖3的電池反向保護
高壓LDO用作電壓限幅器
最高輸入電壓額定值爲25V或更低的降壓穩壓器(如LT1616)一般不考慮用於汽車應用。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鬆克服。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
在圖5中,通過讓LT3013B在正常輸入電壓範圍內以低壓差方式工作實現更高的效率。在這種情況下,LT3013B的輸出電壓設定爲24V。該LDO的輸出電壓僅比VIN低400mV,它以97%的效率爲LT1616降壓型穩壓器供電,而且電壓恰好在正常工作電壓範圍的中間。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,並將其有效地“限制”在24V,這剛好在LT1616開關的額定電壓範圍內。如果VIN上升至高於24.4V,該LDO的效率會下降,但是這種情況持續時間很短,不會產生什麼不良後果。
LT1616將LT3013B受到限制的輸出轉換爲3.3V。在12V輸入時,該開關的效率大約爲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的輸入電壓爲4.6V,恰好處於它的工作電壓範圍之內。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範圍內提供穩定的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,它的輸入電壓範圍爲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。