如何設(shè)計汽車瞬態(tài)和過流保護濾波器
發(fā)布時間:2020-12-09 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】如今在世界的某個地方,已經(jīng)有汽車工程師開始構(gòu)想新的汽車信息娛樂系統(tǒng),但該系統(tǒng)在未來五年或更長時間內(nèi)不會實現(xiàn)。這是因為,信息娛樂系統(tǒng)應(yīng)用對電源有很多要求,而且該應(yīng)用目前僅處于概念階段。隨著信息娛樂系統(tǒng)具有日益復(fù)雜的電子功能,其所需的集成電路(IC)數(shù)量越來越多,而且這些IC都會共享12V電池的功率。
設(shè)計電源架構(gòu)時需要加入電源調(diào)節(jié)和保護功能,這樣才能確保系統(tǒng)在出現(xiàn)各種瞬態(tài)事件時良好運行。
在這篇文章中,我將介紹應(yīng)該注意的幾種典型瞬態(tài),以及TI如何幫助滿足瞬態(tài)保護需求。
典型瞬態(tài)
在四種常見場景中可能會發(fā)生瞬變。
圖1所示為第一種場景,即在交流發(fā)電機給電池充電的過程中,電池斷開導(dǎo)致的負載突降事件。負載突降會導(dǎo)致電壓上升;交流發(fā)電機的集中式鉗位電路將出現(xiàn)35V的最大電壓。
圖1:12V系統(tǒng)的負載突降曲線
圖2所示為第二種場景,即電源斷開時,在與電感負載并聯(lián)的模塊中產(chǎn)生較大的負電壓峰值(如國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 [ISO]7637-2測試脈沖1)。
圖2:ISO 7637-2測試脈沖
圖3所示為第三種場景,即系統(tǒng)的大容量電容在啟動期間導(dǎo)致浪涌電流,它會在電容器充電時引發(fā)更大的電流。
圖3:啟動期間的浪涌電流曲線(具有較大的容性負載)
第四種場景是電池電壓降低。圖4所示為冷啟動,即發(fā)動機在環(huán)境溫度低的條件下啟動。
圖4:典型的冷啟動波形
瞬態(tài)保護
提供瞬態(tài)保護的一種方法是使用理想二極管控制器。如圖5所示,使用電流感應(yīng)放大器和理想二極管控制器可以實現(xiàn)額外的過流保護,從而提供優(yōu)于濾波和電源調(diào)節(jié)的全面保護解決方案。
圖5:汽車瞬態(tài)和過流保護濾波器保護方框圖
負載突降保護
LM74810-Q1 利用過壓可調(diào)節(jié)特性,可在不需要的負載突降事件中提供保護。如圖6所示,LM74810-Q1的OV引腳可使用比較器發(fā)送出現(xiàn)過壓事件的信號。這會斷開用于驅(qū)動Q2金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的HGATE電壓。額定電壓較低的下游元件沒有輸入端發(fā)生瞬變時所需的電壓范圍,而將連接至OV引腳的電阻分壓器調(diào)整至您所需的閾值,則可以使用此類下游元件。LM74810-Q1器件的額定輸入電壓最大為65V,可在發(fā)生35V峰值電壓的瞬態(tài)事件時繼續(xù)工作。
圖6:具有過壓保護功能的LM74800典型方框圖
負電壓瞬態(tài)保護
LM74810-Q1,連同適當(dāng)?shù)腗OSFET和輸入端瞬態(tài)電壓抑制器(TVS),可在發(fā)生ISO 7637-2測試脈沖1等高負電壓瞬變時為系統(tǒng)提供保護。如果輸入電壓為負,則LM74810-Q1關(guān)斷并將DGATE拉低。然后,圖6中Q1的體二極管為系統(tǒng)提供反向電壓保護,并防止產(chǎn)生負電流。一旦輸入電壓恢復(fù)標(biāo)稱值,LM74810-Q1則重新導(dǎo)通,并使MOSFET正常工作。
TVS二極管可在ISO 7637-2測試脈沖1(典型值100V或以上)產(chǎn)生較大的負電壓尖峰時保護LM74810-Q1。輸入端TVS的擊穿電壓應(yīng)在35V負載突降和LM74810-Q1的65V最大額定電壓之間。出現(xiàn)負電壓時,TVS二極管擊穿電壓應(yīng)高于電池反向連接時的電壓,同時也要低至使TVS的負鉗位電壓不超過Q1 MOSFET兩端的電壓。
浪涌電流限制
LM74810-Q1具有浪涌電流限制功能,可在啟動期間控制電流大小。輸出端電容會限制電流,從而確保元件內(nèi)不會流經(jīng)超出安全工作范圍內(nèi)的電流。
如圖7所示,向LM74810-Q1的HGATE引腳添加電阻電容(RC)可減慢啟動期間的HGATE電壓斜升,從而實現(xiàn)浪涌電流限制。
圖7:通過LM7480x-Q1提供浪涌電流限制功能
過流保護
INA302-Q1 通過兩個獨立可調(diào)的閾值比較器輸出進行過流檢測。將低電平有效的比較器輸出連接至LM74810-Q1的使能引腳,可使 MOSFET 在出現(xiàn)過流時關(guān)斷。ALERT2比較器可靈活調(diào)節(jié)輸出信號的延遲,這在正常運行期間出現(xiàn)電流小幅升高、但不必觸發(fā)過流保護功能時非常有用。你可以通過更改器件DELAY引腳的電容器值來調(diào)整延遲持續(xù)時間,也可以通過 INA302-Q1 的ILIM引腳來調(diào)節(jié)過流事件的電流閾值;請參閱圖8中的R5。
圖 8:實現(xiàn)可調(diào)節(jié)的過壓和過流保護
低壓瞬態(tài)保護
冷啟動和熱啟動事件會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生低壓瞬變。在這類事件中,輸入電壓低于輸出電壓,就會產(chǎn)生負電流。對于需要維持正常運行的系統(tǒng)而言,負電流需要引起注意。由于輸出電壓會在存在輸出電容時降低,因此,要確保電流不會流回電池,需要反向電流阻斷功能。
由于LM74810-Q1可持續(xù)監(jiān)測Q1 MOSFET A引腳和C引腳之間的壓降,因此可提供低壓瞬態(tài)保護。如圖9和10所示,在正常工作期間,Q1兩端的電壓為正,電流流入負載。在輸入電壓低于輸出電壓等可能產(chǎn)生反向電流的場景中,LM74810-Q1會在Q1兩端電壓達到–4.5mV時快速響應(yīng),并關(guān)斷MOSFET,從而防止產(chǎn)生直流反向電流。
圖9:LM74810-Q1監(jiān)測Q1 MOSFET兩端的壓降,從而確保不產(chǎn)生直流反向電流
圖10:當(dāng)MOSFET兩端的壓降達到–4.5mV時,驅(qū)動Q1邏輯門電路的DGATE將拉低,從而提供反向電流阻斷
在嚴(yán)苛的汽車環(huán)境內(nèi)實現(xiàn)靈活性
通過在輸入端提供先進的系統(tǒng)保護,設(shè)計人員可提高設(shè)計的靈活性。這些保護器件不僅不會影響系統(tǒng)的正常運行,而且在汽車內(nèi)嚴(yán)苛的電氣環(huán)境中提供保護,更重要的是,還能通過更多的選擇機會,推動汽車系統(tǒng)內(nèi)其余部分的創(chuàng)新。
另外,與分立式方案相比,與上述器件類似的緊湊型雙器件保護系統(tǒng)能顯著減小總解決方案尺寸。更小的解決方案尺寸可為信息娛樂系統(tǒng)的其他部分提供更多空間,有助于實現(xiàn)更多創(chuàng)新。
我們希望此設(shè)計不僅能保護您的系統(tǒng),還能幫助您快速升級設(shè)計方案。
請參閱參考設(shè)計《汽車瞬態(tài)和過流保護濾波器參考設(shè)計》。
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