高頻汽車電源設計

　　瞬態(tài)過壓保護

　　汽車系統中，大多數過壓條件都是由感性負載的開關操作引起的瞬態(tài)過壓，這類負載包括啟動電機、燃油泵、車窗電機、繼電器線圈、螺線管、點火器件和分布電感等。任何感性負載上的脈沖電流都會產生過壓脈沖。根據幅度、持續(xù)時間的要求，可以選擇濾波器、金屬氧化物可變電阻、瞬態(tài)電壓抑制器等抑制這類瞬態(tài)過壓。圖1至圖4說明了ISO7637對過壓抑制的要求，表1是對ISO7637規(guī)定的總結。

圖1. 周期性的開關操作會產生周期性的負脈沖，幅度在(80V至-150V，持續(xù)時間1ms至140ms，典型源阻抗為5Ω至25Ω。

圖2. 周期性的開關操作使電路產生正向脈沖電壓，幅度在+75V至+150V，典型持續(xù)時間50μs。典型源阻抗為2Ω至10Ω。

圖3. 周期性開關操作在電路中產生-150V、100ns的負脈沖(3a)和100V、100ns的正脈沖(3b)，源阻抗典型值為50Ω。

圖4. 交流電機以大電流給放電電池充電時突然中斷，將會產生一個甩負載脈沖。電流突降會在電機輸出端產生一個高壓，以保持系統內部的總能量。瞬態(tài)持續(xù)過程取決于電機勵磁電路的時間常數和調節(jié)器的響應時間。

表1. 來自不同OEM的傳導抑制測試*

　　如上所述，電池電壓不能直接供給低電壓、高性能開關轉換器，而是將電池連接到瞬態(tài)電壓抑制起，如MOV或旁路電容及其后續(xù)的傳統限幅電路。這些簡單電路一般采用p溝道MOSFET構成(圖5a)。p溝道MOSFET的額定電壓為50V至100V，具體取決于VBAT輸入端的瞬態(tài)電壓。

　　利用12V齊納二極管(Z1)保護MOSFET的柵-源極，防止柵-源電壓超過VGSMAX, 當輸入電壓(VBAT)低于齊納管Z2的擊穿電壓時，MOSFET處于飽和狀態(tài)。輸入電壓發(fā)生瞬變時，MOSFET將阻止高于Z2擊穿電壓的電壓通過。這個電路的缺點是使用了一個昂貴的p溝道MOSFET和許多外圍元件。

圖5a. 輸入限幅電路(保護電路)采用了一個p溝道MOSFET。

　　另一方案是使用NPN晶體管，NPN管的基極電壓嵌位在VZ3, 將發(fā)射極電壓調整在(VZ3 - VBE)。這個方案成本較低，但VBE壓降產生一定的損耗：PLOSS = IIN x VBE。另外，VBE壓降也增加對電池最小工作電壓的要求，尤其是在冷啟動情況(圖5b)。第三個方案是使用n溝道MOSFET，n溝道MOSFET的選擇范圍較廣，而且便宜，可以作為隔離元件使用。其柵極驅動比較復雜，要求VG高于源極電壓。

圖5b. 輸入限幅電路(保護電路)采用了一個NPN晶體管。

圖5c. 輸入限幅電路(保護電路)采用了一個n溝道MOSFET。