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摘要：本文討論了汽車應(yīng)用中的典型供電架構(gòu)，并探討了如何在基本的電源設(shè)計(jì)中增加有源電壓限制功能，闡明了集成限壓器的必要性。文中還提供了幾個(gè)Maxim的有源電壓限幅器設(shè)計(jì)實(shí)例。
圖1. 汽車電源的基本示意圖
上述框圖主要包括以下幾個(gè)單元：
圖2給出了基本限壓電路的內(nèi)部構(gòu)造和典型應(yīng)用電路。
圖2. 72V應(yīng)用范例，外部MOSFET用作過壓保護(hù)開關(guān)/限幅控制，MAX6495–MAX6499電路圖提供了器件的過壓檢測方式，MAX6495電路圖給出了器件的內(nèi)部架構(gòu)。
在這個(gè)基本的限壓電路中，VIN給內(nèi)部電路供電，VIN的最大電壓為80V。OVSET端的分壓器設(shè)置過壓檢測門限，內(nèi)置電荷泵為低成本n溝道MOSFET的柵極驅(qū)動供電，從而降低系統(tǒng)成本。除了提供過壓門限外，這些IC還提供了欠壓檢測門限。
在另一方案是采用門限可調(diào)的窗式電壓限幅，圖3給出了一個(gè)相關(guān)的應(yīng)用范例。
圖3. MAX6499配置為一個(gè)過壓/欠壓窗式檢測器(左圖)，其基本功能框圖如右圖所示。
這種情況下，限壓電路可以防止MOSFET和負(fù)載工作在欠壓和過壓狀態(tài)?？梢試?yán)格限制輸出電壓范圍(將其限制在較窄的范圍內(nèi))，以降低對電壓調(diào)節(jié)器輸入范圍的技術(shù)要求，從而降低電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)成本。而在一些音頻應(yīng)用中，并不需要高精度的電壓調(diào)節(jié)，對于這些應(yīng)用，限壓電路的設(shè)計(jì)可以省去穩(wěn)壓電路。
如上所述，分壓器可以控制圖2所示IC的輸入電壓，分壓器也可以連接到限壓器的輸出端，如圖4所示。在后面的例子中，分壓器限制著負(fù)載上的電壓而不是簡單地將其切斷。從其性能測試數(shù)據(jù)可以看出限壓檢測是周期性進(jìn)行的。振蕩周期由負(fù)載電容、負(fù)載電流決定，可在很寬的范圍內(nèi)變化。周期振蕩包括兩個(gè)階段；第一個(gè)階段使MOSFET進(jìn)入有效模式，第二個(gè)階段將其關(guān)閉。
圖4. 器件配置成一個(gè)過壓限幅保護(hù)開關(guān)，CIN = 100μF、COUT =10μF、ROUT = 100Ω。
圖4所示電路配置使MOSFET周期性地進(jìn)入有效模式，使功率耗散在MOSFET上，需要考慮MOSFET散熱問題。基于這一原因，IC內(nèi)部包含了門限約為+160°C的高溫保護(hù)單元，當(dāng)溫度下降到+140°C以下時(shí)，電路恢復(fù)到正常模式。為了優(yōu)化設(shè)計(jì)，IC應(yīng)靠近MOSFET放置，使兩者具有良好的熱傳導(dǎo)通路。
眾所周知，電路板電源總線可能存在負(fù)向電壓尖峰或正向電壓尖峰。抑制負(fù)電壓的保護(hù)電路可以采用無源器件或特殊IC。圖5提供了MAX6496反向電壓保護(hù)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
圖5. 利用MAX6496實(shí)現(xiàn)過壓限制，具有電壓跌落反向保護(hù)功能(左圖)；右圖為功能框圖。
除了限制正向電壓以外，MAX6496還包含一個(gè)p通道MOSFET柵極控制電路，可以在正電壓時(shí)使MOSFET保持導(dǎo)通狀態(tài)，而在負(fù)電壓時(shí)保持關(guān)閉狀態(tài)。在高負(fù)載電流、低輸入電壓情況下，這個(gè)電路比典型的肖特基二極管更實(shí)用。
概述—典型的汽車電源架構(gòu)
圖1給出了一個(gè)典型的汽車電源簡化框圖。圖1. 汽車電源的基本示意圖
上述框圖主要包括以下幾個(gè)單元：
- 無源保護(hù)電路：限制+12V電源總線的正向電壓，并阻止產(chǎn)生負(fù)壓。
- 有源保護(hù)電路：該限壓器功能與無源保護(hù)電路類似，但使用的是晶體管等有源器件，與具有同樣功能的無源方案相比能夠提供更好的性價(jià)比，具有更小尺寸。
- 開關(guān)模式或線性穩(wěn)壓器：為指定負(fù)載提供適當(dāng)?shù)碾妷汉?a href="http://www.1cnz.cn/tags/電流/" target="_blank">電流，可能采用多路電源結(jié)構(gòu)。
在電源中集成限壓器
有源電壓限幅器的原理十分簡單，在器件的輸入和輸出之間增加一個(gè)MOSFET，限幅器控制該場效應(yīng)管的柵極。正常工作狀態(tài)下，打開MOSFET并為負(fù)載供電；如果電壓超過定義的門限值，限壓電路會關(guān)閉外部MOSFET，斷開電源與負(fù)載的連接。圖2給出了基本限壓電路的內(nèi)部構(gòu)造和典型應(yīng)用電路。
圖2. 72V應(yīng)用范例，外部MOSFET用作過壓保護(hù)開關(guān)/限幅控制，MAX6495–MAX6499電路圖提供了器件的過壓檢測方式，MAX6495電路圖給出了器件的內(nèi)部架構(gòu)。
在這個(gè)基本的限壓電路中，VIN給內(nèi)部電路供電，VIN的最大電壓為80V。OVSET端的分壓器設(shè)置過壓檢測門限，內(nèi)置電荷泵為低成本n溝道MOSFET的柵極驅(qū)動供電，從而降低系統(tǒng)成本。除了提供過壓門限外，這些IC還提供了欠壓檢測門限。
在另一方案是采用門限可調(diào)的窗式電壓限幅，圖3給出了一個(gè)相關(guān)的應(yīng)用范例。
圖3. MAX6499配置為一個(gè)過壓/欠壓窗式檢測器(左圖)，其基本功能框圖如右圖所示。
這種情況下，限壓電路可以防止MOSFET和負(fù)載工作在欠壓和過壓狀態(tài)?？梢試?yán)格限制輸出電壓范圍(將其限制在較窄的范圍內(nèi))，以降低對電壓調(diào)節(jié)器輸入范圍的技術(shù)要求，從而降低電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)成本。而在一些音頻應(yīng)用中，并不需要高精度的電壓調(diào)節(jié)，對于這些應(yīng)用，限壓電路的設(shè)計(jì)可以省去穩(wěn)壓電路。
如上所述，分壓器可以控制圖2所示IC的輸入電壓，分壓器也可以連接到限壓器的輸出端，如圖4所示。在后面的例子中，分壓器限制著負(fù)載上的電壓而不是簡單地將其切斷。從其性能測試數(shù)據(jù)可以看出限壓檢測是周期性進(jìn)行的。振蕩周期由負(fù)載電容、負(fù)載電流決定，可在很寬的范圍內(nèi)變化。周期振蕩包括兩個(gè)階段；第一個(gè)階段使MOSFET進(jìn)入有效模式，第二個(gè)階段將其關(guān)閉。
圖4. 器件配置成一個(gè)過壓限幅保護(hù)開關(guān)，CIN = 100μF、COUT =10μF、ROUT = 100Ω。
圖4所示電路配置使MOSFET周期性地進(jìn)入有效模式，使功率耗散在MOSFET上，需要考慮MOSFET散熱問題。基于這一原因，IC內(nèi)部包含了門限約為+160°C的高溫保護(hù)單元，當(dāng)溫度下降到+140°C以下時(shí)，電路恢復(fù)到正常模式。為了優(yōu)化設(shè)計(jì)，IC應(yīng)靠近MOSFET放置，使兩者具有良好的熱傳導(dǎo)通路。
眾所周知，電路板電源總線可能存在負(fù)向電壓尖峰或正向電壓尖峰。抑制負(fù)電壓的保護(hù)電路可以采用無源器件或特殊IC。圖5提供了MAX6496反向電壓保護(hù)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
圖5. 利用MAX6496實(shí)現(xiàn)過壓限制，具有電壓跌落反向保護(hù)功能(左圖)；右圖為功能框圖。
除了限制正向電壓以外，MAX6496還包含一個(gè)p通道MOSFET柵極控制電路，可以在正電壓時(shí)使MOSFET保持導(dǎo)通狀態(tài)，而在負(fù)電壓時(shí)保持關(guān)閉狀態(tài)。在高負(fù)載電流、低輸入電壓情況下，這個(gè)電路比典型的肖特基二極管更實(shí)用。
結(jié)論
本文討論的限壓電路都提供了相應(yīng)的特性參數(shù)，便于器件在各種場合的應(yīng)用。每個(gè)限壓電路在負(fù)載上電時(shí)允許72V的最大輸入電壓，而在負(fù)載切斷時(shí)允許80V的最大輸入電壓。下表總結(jié)了限壓IC的主要特性。|
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