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1、汽车电子电源保护电路设计攻略车环境对电子产品而言是非常苛刻的：任何连接到12V电源上的电路都必须工作 在9V至16V的标称电压范围内，其它需要迫切应对的问题包括负载突 降、冷车 发动、电池反向、双电池助推、尖峰信号、噪声和极宽的温度范围。在负载突降 时，交流发电机的输出电压迅速升高到60V或更高的电压；冷车发动指的是在 低温时起动汽车，这会引起电池电压下降至6V或更低；电池反向是在激活一个 没电的电池时，由于粗心地将电缆极性接反造成的。很多牵引车都配备两个串联 起来的12V电池，以在寒冷的天气中帮助起动一个电池没电的汽车。这将使电气 系统的电压范围提高到了 28V，直到汽车起动且牵引车司机断开
2、跨接电缆为止。无源保护电路用于汽车电子产品的无源保护网络如图1所示。与此相同或类似的电路广泛 用于保护与汽车 12V 总线连接的各种系统。这种网络防止高压尖峰、持续过压、 电池反向和电流过度消耗造成损害。图1的电流保护作用很明显，如果负载电流 超过1A的时间很长，保 险丝F1就会熔化。D1与F1结合防止电池反向连接造 成损害，大电流流经正向偏置的D1并烧断保险丝。电解电容器大约在额定电压 的150%时有一个有趣的 特性：随着终端电压的提高，这种电容消耗的电流也越 来越大，就C1而言，它在输入持续升高时起箝位作用（最终烧断保险丝）。双 电池助推时的电压为28V左 右，这不会烧断保险丝，因为C12
3、5V的额定值足够 高，额外消耗的电流很少。电感器增加了很小的电阻，以限制峰值故障电流以及 输入瞬态的转换率，从而在存在尖峰时帮助C1实现箝位。无源网络的主要缺点是它依靠烧断保险丝来防止过流、过压和电池反向造成 损害。另一个缺点是，它依靠电解电容实现箝位。这种电容器老化以后，电解质 会变 干，等效串联电阻（ESR）提高的特性也就消失了，这会损害箝位效果。有 时D1采用大的齐纳二极管以帮助这个电容器发挥作用。人们已经设计出了有源 电路来 克服这些缺点。有源电路图2显示了一个有源解决方案，该方案用于屏蔽敏感电路，使其免受变化不 定的12V汽车系统的影响。采用LT1641($2.5125)来 驱动输入
4、N沟道MOSFET, 而上述提供无源解决方案就不具备这种附加保护：首先，LT1641在输入低于9V 时断开负载,以防在低输入电压时系统失灵,并在起动时或充 电系统出现故障 时，减少系统向非关键负载提供宝贵的电流的机会；其次，LT1641在首次加电 时逐渐升高输出电压，对负载实行软启动；第三，通过限流和定 时断路器保护 输出免受过载和短路影响。如果发生电流故障，断路器就以1至2Hz的速率自动 重新尝试建立连接，可以设定保护电路上行线路保险丝的容限，让它在LT1641 的下行线路出现电流故障时不熔化；最后，图2所示电路隔离出现在输入端的过 压状态，同时提供箝位输出，以便负载电路在出现过压时能继续正
5、常 工作。在12V输入的通常情况下，LT1641将MOSFET的栅极充电至大约20V以充分 提升MOSFET的电压，并向负载提供电源。27V齐纳二极管D1的两端分别连接栅 极与地，但是在9至16V的工作电压范围内不起作用。当输入升高到超过16V 时，LT1641继续给MOSFET的栅极充电，试图保持MOSFET完全接通。如果输入 升得太高，齐纳二极管就会对MOSFET的栅极箝位，并将输出电压限制在大约24V。 LT1641本身在其输入端能够处理高达100V的电压，而且不受栅极箝位动作的 影响。栅极箝位电路比无源解决方案的箝位电路精确得多，而且简单地通过选择 一个具有合适击穿电压的D1，就 可以
6、轻松调整栅极箝位电路以满足负载要求。图2所示电路在负载电流高达1A左右时工作得很好，但是就更高的负载电 流而言，推荐使用图3所示电路来防止MOSFET过度消耗功率。如果过压状态持 续 存在，如电气系统由两个串联电池供电的时间超过通常所需时间，或负载突降后 电流慢速上升以及MOSFET较小时，那么过度消耗功率是有风险的。输出由D1 和D2取样，如果输入超过16.7V,那么就向“SENSE”引脚反馈一个信号，以将 输出稳定在16.7V。这里的调节比图1所示电路的调节更精确，并且可以通过 选择合适的齐纳二极管轻松定制，以满足负载的需求。2曲C2图2：过压瞬态保护器将输出箝位在24V左右，如果输入降至
7、低于9V就断12U INPUT OVTOtOOVjai IRF53O 1ft4 i 2 V/1 AOUTPUTLT1&41-2Di1N5254B 37V. 5%TIMER GND PWHGDVct SEhlSt GATEClR lODriF 10415 时 1OT 1 1k接总的功耗由“TIMER”引脚限制，这个引脚记录MOSFET调节输出所用的总时 长。如果过压状态持续超过15ms，那么LT1641就停机并允许MOSFET停止输出 调节。在大约半秒钟以后，该电路尝试重新启动。这种重启周期一直持续，直到 过压状态消失并恢复正常工作为止。处理过流故障的方法与图2描述的方法相 同。电池反向保护简单
8、地增加一个串联二极管，就可以给图2或图3所示电路增加电池反向保护功能。6 N13ktjfllR9IKR213-k1%C3 fflnF L. 鮒一p 却帕12V INPUT 削T帖沖吋12V/?A 0UIPU7CL_ IGiiF MIN IM1IM 3S-VDI-Lr ?N5245S A t5V, 5% toiwhkHHxLT1M1-2TIMERGLJD PWRQC3 rRFSJC02 MpsjwaSENSE 甜压Clrji； i10OnF2QlhQ2WmW frLir图3：调整箝位电压以在输入浪涌上升时箝位，保护MOSFET免受功率过度消耗的影响在大多数情况下，采用普通p-n 二极管就可以，如
9、果正向压降很重要，可以选择 肖特基二极管。在隔离二极管中的功耗不可接受的关键应用中，图4所示的简单 电路就可以解决这个问题。03lOOkii2N3904IN414S1MQ TO GATE PIN12V INPUTWITH POTENTIAL REVERSE BATTERYFRF540TQ INPUT OfLT1641 CIRCUIT图 4：用于图2和图3的电池反向保护在正常工作情况下,MOSFET Q2的体二极管正向偏置，并传送功率至LT1641。LT1641接通时，Q2栅极获得驱动，从而完全接通。如果输入反向，那么Q3的射 极就被拉低至低于地电平，Q3接通，从而将Q2的栅极拉低并保持其接近Q
10、2的 源极电平。在这种情况下，Q2保持断开状态，并隔离反向输入，使其不能到达LT1641和负载 电路。微安级电流流经1MQ电阻，到达LT1641的“GATE”引脚。高压LDO用作电压限幅器最高输入电压额定值为25V或更低的降压稳压器(如LT1616($ 2.0502) 一般不考虑用于汽车应用。然而，如果与LT3012B($ 2.4100) /LT3013B($ 2.6500) 等低压差(LDO)线性稳压器结合使用，在输入电压上的缺点就可以轻松克服。 这种尺寸小、效率高的组合如图5所示，可以在汽车环境中提供3.3V输出。C l：TmKiBJlOS图5： LT3013B用作电压限幅器TDKC5:
11、TAI*O-YUDEfJ T祸灯為BJ3T DrK irni-sg LI: SUM-DA Cfi43*1OOIT161SGWFBLT3013B拥有4V至80V的宽输入电压范围，并集成了电池反向保护功能， 无需特殊电压限制或箝位电路，因此节省了成本和电路板面积。在以适中的 负 载电流工作时，LDO稳压器的效率近似等于VOUT/VIN。如果VOUT比VIN低得多， 那么LDO的效率就会下降。例如，将12V输入降至3.3V输出时，效率仅为28%。在图5中，通过让LT3013B在正常输入电压范围内以低压差方式工作实现更 高的效率。在这种情况下，LT3013B的输出电压设定为24V。该LDO的输出电压
12、仅比VIN低400mV，它以97%的效率为LT1616降压型稳压器供电，而且电压恰好 在正常工作电压范围的中间。在负载突 降情况下，VIN可能迅速升至高达80V， 但是在VIN超过24.4V时，LT3013B将调整它的输出，并将其有效地“限制”在 24V，这刚好在LT1616开关的额定电压范围内。如果VIN上升至高于24.4V，该 LDO的效率会下降，但是这种情况持续时间很短，不会产生什么不良后果。 LT1616将LT3013B受到限制的输出转换为3.3V。在12V输入时，该开关的效率 大约为80%。在冷车发动时，汽车的电压可能降低至5V。在这 种情况下，LT1616 的输入电压为4.6V，恰好处于它的工作电压范围之内。LT3013B LDO稳压器与LT1616开关结合，在不牺牲效率的前提下，可在12V汽车电气系统典型的宽工 作电压范围内提供稳定的3.3V输出。一个集成度更高的解决方案是LT3437 ( $ 2.6500)。 LT3437是一个200kHz 的单片降压型稳压器，它的输入电压范围为3.3V至80V。其在无负载时的100uA 低静态电流是今天始终保持接通系统所必需的。可以在LT3437的输入端串联一 个低成本的二极管以提供电池反向保护。
