1.前言

在當今世界的某個地方，一位汽車工程師正在為汽車設想一種信息娛樂系統(tǒng)，該系統(tǒng)將在五年或更長時間內無法實現(xiàn)。

這包括將當今僅作為概念存在的應用的電源要求考慮在內。隨著信息娛樂系統(tǒng)在復雜性和電子功能方面的發(fā)展，集成電路 (IC) 的數(shù)量也在增加，并且這些 IC 都從 12 V 電池共享電源。

設計這些電源架構需要實施電源調節(jié)和保護，以確保跨不同瞬態(tài)事件的系統(tǒng)功能。

瞬態(tài)可能發(fā)生在四種常見情況下。
2.典型瞬變

圖 1 描述了第一種情況，即在電池充電期間電池與交流發(fā)電機斷開連接引起的負載突降事件。拋負載事件會導致電壓升高；對于交流發(fā)電機上的集中鉗位，最大電壓為 35 V。

圖 1：12V 系統(tǒng)的負載突降配置文件

圖 2 是第二種情況，其中一個大的負電壓峰值（如國際標準化組織 [ISO] 7637-2 測試脈沖 1），當電源斷開時，模塊與感性負載并聯(lián)時會出現(xiàn)這種情況。

圖 2：ISO 7637-2 測試脈沖

如圖 3 所示，第三種情況是啟動期間由系統(tǒng)的大電容引起的浪涌電流，這可能會在電容器充電時導致更高的電流。

圖 3：大容性負載啟動期間的浪涌電流曲線

第四種情況是電池電壓下降。圖 4 是冷啟動，當發(fā)動機在低環(huán)境溫度環(huán)境下啟動時。

圖 4：典型的舊曲柄波形

3.瞬變保護

提供瞬態(tài)保護的一種方法是使用理想的二極管控制器。如圖 5 所示，使用帶有理想二極管控制器的電流檢測放大器可以提供額外的過流保護，從而在任何濾波和電源調節(jié)之前形成一個全面的保護解決方案。

圖 5：汽車瞬態(tài)和過流保護濾波器保護框圖

4.負載突降保護

的LM74810-Q1通過一個可調過壓保護功能提供從抑制負載突降事件的保護。如圖 6 所示，LM74810-Q1 有一個 OV 引腳，該引腳使用一個比較器來發(fā)出過壓事件信號。這將關閉驅動 Q2 金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 的 HGATE 電壓。將連接到 OV 引腳的電阻分壓器調整到您的首選閾值，可以在下游使用額定電壓較低的組件，這些組件不具有輸入端可能發(fā)生瞬變所需的必要電壓范圍。 LM74810-Q1 器件本身具有65V 的最大輸入額定值，并且在 35V 峰值瞬態(tài)事件期間應保持運行。

圖 6：具有 OV 保護的 LM74800 的典型框圖

5.負電壓瞬變保護

LM74810-Q1 連同適當?shù)?MOSFET 和輸入瞬態(tài)電壓抑制 (TVS)，可保護系統(tǒng)免受高負電壓瞬變的影響，例如 ISO 7637-2 測試脈沖 1。如果輸入電壓為負，LM74810-Q1 將關閉并導致 DGATE 拉低。然后，圖 6 中 Q1 的體二極管將為系統(tǒng)提供反向電壓保護并防止任何負電流流動。一旦輸入電壓恢復到其標稱狀態(tài)，LM74810-Q1 就會重新開啟并啟用 MOSFET 以進行正常操作。

在 ISO 7637-2 測試脈沖 1（通常為 –100 V 或更高）引起的大負電壓尖峰期間保護 LM74810-Q1 需要一個 TVS 二極管。輸入 TVS 擊穿電壓應高于 35V 拋負載條件，但低于 LM74810-Q1 的 65V 最大額定電壓。對于負電壓，TVS 二極管擊穿電壓應高于電池反向連接期間的電壓，但要足夠低，以便 TVS 的負鉗位電壓不超過 Q1 MOSFET 的電壓。

6.浪涌電流限制

LM74810-Q1 包括浪涌電流限制功能，可在啟動時控制電流。根據(jù)輸出端的電容大小，此功能會限制電流以確保組件不會承受超出安全操作范圍的高電流。

如圖 7 所示，向 LM74810-Q1 的 HGATE 添加一個電阻-電容 (RC) 會減慢啟動時的 HGATE 電壓斜坡，從而實現(xiàn)浪涌電流限制。

圖 7：使用 LM7480x-Q1 限制浪涌電流

7.過流保護

的INA302-Q1通過兩個獨立可調閾值比較器的輸出提供了過電流檢測。將低電平有效比較器輸出連接到 LM74810-Q1 的啟用引腳，允許 MOSFET 在遇到過流情況時關閉。ALERT2 比較器提供了輸出信號可調延遲的靈活性，如果在正常操作期間可能出現(xiàn)小電流增加，但您不希望在這種情況下觸發(fā)過流保護，這可能會很有用。您可以通過改變放置在器件 DELAY 引腳上的電容值來調整延遲的持續(xù)時間，并通過 INA302-Q1 的 ILIM 引腳調整過流事件的電流閾值；參見圖 8 中的R 5。

圖 8：實施可調過壓和過流保護

8.低壓瞬變保護

冷啟動和熱啟動事件會導致系統(tǒng)中出現(xiàn)低電壓瞬變。在這些事件期間，輸入低于輸出可能會產(chǎn)生負電流，這可能是需要維持功能的系統(tǒng)所關注的。由于輸出電壓將在存在的輸出電容允許的范圍內降低，因此確保電流不會流回電池需要反向電流阻斷。

LM74810-Q1 可以提供這種保護，因為它持續(xù)監(jiān)控 A 和 C 引腳之間 Q1 MOSFET 上的壓降。如圖 9 和 10 所示，在正常工作期間，Q1 兩端的電壓將為正，電流可以流向負載。在可能出現(xiàn)反向電流的情況下——例如當輸入低于輸出時——當 Q1 兩端的電壓達到 –4.5 mV 時，LM74810-Q1 將快速響應并關閉 MOSFET，從而防止直流反向電流。

圖 9：LM74810-Q1 監(jiān)控 Q1 MOSFET 兩端的壓降，以確保不會出現(xiàn)直流反向電流

圖 10：當 MOSFET 上的壓降達到 –4.5 mV 時，驅動 Q1 柵極的 DGATE 拉低，提供反向電流阻斷

9.在惡劣的汽車環(huán)境中的靈活性

通過在輸入端對系統(tǒng)進行高級保護，設計人員獲得了靈活性。這些保護設備有助于推動汽車內的創(chuàng)新，為系統(tǒng)的其余部分提供更多選擇機會，而無需擔心功能性或缺乏對汽車中惡劣電氣環(huán)境的保護。

此外，與分立實施相比，像此處描述的那樣的緊湊型兩設備保護系統(tǒng)可顯著減小總解決方案尺寸。更小的解決方案尺寸為信息娛樂解決方案的其余部分提供了更多的創(chuàng)新空間和機會。