車環(huán)境對電子產(chǎn)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(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、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,交流發(fā)電機的輸出電壓迅速升高到60V或更高的電壓;冷車發(fā)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(lián)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(tǒng)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(chǎn)品的無源保護網(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的電流保護作用很明顯,如果負(fù)載電流超過1A的時間很長,保險絲F1就會熔化。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(xù)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(tài)的轉(zhuǎn)換率,從而在存在尖峰時幫助C1實現(xiàn)箝位。
圖 1:以簡單性為特點的無源保護網(wǎng)絡(luò)
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無源網(wǎng)絡(luò)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損害。另一個缺點是,它依靠電解電容實現(xiàn)箝位。這種電容器老化以后,電解質(zhì)會變干,等效串聯(lián)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(fā)揮作用。人們已經(jīng)設(shè)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(tǒng)的影響。采用LT1641來驅(qū)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(fù)載,以防在低輸入電壓時系統(tǒng)失靈,并在起動時或充電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,減少系統(tǒng)向非關(guān)鍵負(fù)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(fù)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(fā)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(shè)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(xiàn)電流故障時不熔化;最后,圖2所示電路隔離出現(xiàn)在輸入端的過壓狀態(tài),同時提供箝位輸出,以便負(fù)載電路在出現(xiàn)過壓時能繼續(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,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(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1A左右時工作得很好,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)由兩個串聯(lián)電池供電的時間超過通常所需時間,或負(fù)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(fēng)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(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。
圖 2:過壓瞬態(tài)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(diào)節(jié)輸出所用的總時長。如果過壓狀態(tài)持續(xù)超過15ms,那么 LT1641就停機并允許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。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。
電池反向保護
簡單地增加一個串聯(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功能。
圖 3:調(diào)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
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