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是否有適合汽車應(yīng)用的過(guò)壓和欠壓保護(hù)器件?

發(fā)布時(shí)間:2022-08-19 來(lái)源:ADI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】啟動(dòng)期間的點(diǎn)火起動(dòng)和關(guān)斷期間的負(fù)載突降是造成汽車電源線路中產(chǎn)生電壓瞬變的常見(jiàn)起因。這些欠壓(UV)和過(guò)壓(OV)瞬變的幅度很大,可能會(huì)對(duì)并非專用于極端條件下運(yùn)行的電路造成損壞。目前已開(kāi)發(fā)出專用的UV和OV保護(hù)器件,用于斷開(kāi)敏感型電子器件與電源瞬變之間的連接。


啟動(dòng)期間的點(diǎn)火起動(dòng)和關(guān)斷期間的負(fù)載突降是造成汽車電源線路中產(chǎn)生電壓瞬變的常見(jiàn)起因。這些欠壓(UV)和過(guò)壓(OV)瞬變的幅度很大,可能會(huì)對(duì)并非專用于極端條件下運(yùn)行的電路造成損壞。目前已開(kāi)發(fā)出專用的UV和OV保護(hù)器件,用于斷開(kāi)敏感型電子器件與電源瞬變之間的連接。


LTC4368就是一款專用的UV和OV保護(hù)器件。它利用窗口比較器來(lái)監(jiān)測(cè)和驗(yàn)證輸入電源。通過(guò)連接至UV和OV監(jiān)測(cè)器引腳的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)電源電壓。窗口比較器輸出驅(qū)動(dòng)兩個(gè)N通道MOSFET的柵極,以閉合或斷開(kāi)電源和負(fù)載之間的連接。


LTC4368的窗口比較器在其監(jiān)測(cè)器引腳上提供25 mV遲滯,以改善抗干擾度。遲滯可防止因電源線路中存在紋波或其他高頻振蕩導(dǎo)致MOSFET進(jìn)行錯(cuò)誤的導(dǎo)通/關(guān)斷切換。LTC4368提供的25 mV遲滯相當(dāng)于監(jiān)測(cè)器引腳閾值的5%,這在UV和OV保護(hù)器件中很常見(jiàn)。


為了保護(hù)電路或降低點(diǎn)火負(fù)載,在啟動(dòng)或關(guān)閉期間,必須將某些汽車附件電路與電源線路斷開(kāi)。由于存在較大瞬變,這些電路可能需要更多遲滯(超過(guò)LTC4368單獨(dú)提供的遲滯)。對(duì)于這類應(yīng)用,可以將LTC4368與提供可調(diào)遲滯的電源監(jiān)測(cè)器(例如 LTC2966)匹配,以滿足提供更高遲滯的要求。圖1所示為寬電壓范圍汽車電路保護(hù)器示例。在這個(gè)電路中,LTC2966用作窗口比較器,LTC4368則負(fù)責(zé)將負(fù)載連接至電源。


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圖1.利用寬電壓監(jiān)測(cè)器遲滯實(shí)施電源路徑控制。


提供電路保護(hù)的汽車UV/OV和過(guò)流監(jiān)測(cè)器


圖1所示的解決方案可保護(hù)易受汽車電源線路中欠壓、過(guò)壓和過(guò)流瞬變影響的電子器件。LTC2966監(jiān)測(cè)反向電壓、欠壓和過(guò)壓情況。監(jiān)測(cè)閾值和遲滯電平由INH和INL引腳上的電阻網(wǎng)絡(luò),以及RS1和RS2引腳上的電壓來(lái)配置。


OUTA是UV窗口比較器輸出,OUTB是OV窗口比較器輸出。這些輸出的極性可以通過(guò)PSA和PSB引腳選擇為相對(duì)于輸入反相或同相。在圖1中,它們配置為同相。LTC2966的OUTA和OUTB輸出上拉至LTC2966的REF引腳,然后直接饋入LTC4368的UV和OV引腳。


LTC4368提供反向電流和過(guò)流保護(hù)。電流檢測(cè)電阻R11的大小決定了反向電流電平和過(guò)流電平。LTC4368根據(jù)其過(guò)流比較器和LTC2966提供的監(jiān)測(cè)信息來(lái)確定是否應(yīng)將負(fù)載連接至電源。UV、OV和SENSE(過(guò)流)引腳都是影響決策的因素。如果三個(gè)引腳都滿足條件要求,則GATE引腳拉至VOUT 以上,負(fù)載則通過(guò)雙路N通道MOSFET電源路徑連接至電源。如果三個(gè)引腳中有任何一個(gè)不滿足要求,則GATE引腳拉至VOUT以下,負(fù)載與電源斷開(kāi)。


直接由電池供電的汽車應(yīng)用易受發(fā)動(dòng)機(jī)啟停期間較大的電壓波動(dòng)影響。在這種保護(hù)解決方案中,電壓監(jiān)測(cè)閾值由標(biāo)稱工作電壓,以及汽車啟動(dòng)或負(fù)載突降情況下的預(yù)期電壓決定,同時(shí)確保下游電子器件受到保護(hù)。


當(dāng)汽車點(diǎn)火裝置通電啟動(dòng)車輛時(shí),會(huì)產(chǎn)生啟動(dòng)瞬變。在此應(yīng)用中,LTC2966的通道A配置為檢測(cè)啟動(dòng)瞬變。


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圖2.VOUT 與VIN的關(guān)系曲線。


圖2所示為電源路徑處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)的輸入電壓。啟動(dòng)監(jiān)測(cè)器通道A配置為具有7 V降壓閾值和10 V升壓閾值。負(fù)載突降監(jiān)測(cè)器通道B配置配置為具有18 V升壓閾值和15 V降壓閾值。這些閾值通過(guò)查看不同的啟動(dòng)和負(fù)載突降波形規(guī)格獲得。如果需要,可以通過(guò)調(diào)節(jié)LTC2966的INL和INH輸入的電阻分壓器串來(lái)輕松配置不同閾值。


配置


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圖3.電阻分壓器決定電壓監(jiān)測(cè)器閾值。


圖3顯示如何計(jì)算得出此應(yīng)用的電阻分壓器值。LTC2966的REF引腳提供2.404 V。


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圖4.范圍和比較器輸出極性選擇。


圖4所示為該電路的范圍和輸出極性配置。每個(gè)通道的范圍根據(jù)要監(jiān)測(cè)的特定通道的電壓范圍來(lái)選擇。范圍由RS1A/B和RS2A/B引腳配置。LTC2966輸出引腳的極性,無(wú)論是拉高或是拉低,都是通過(guò)設(shè)置PSA和PSB引腳來(lái)確定的。在此應(yīng)用中,LTC4368的輸入引腳決定LTC2966輸出引腳的極性。對(duì)于要連接至電源的負(fù)載,UV引腳的電壓必須大于0.5 V,OV引腳的電壓必須小于0.5 V。


反向電壓保護(hù)


在圖1所示的解決方案中,LTC2966和LTC4368都受反向電壓保護(hù):LTC4368內(nèi)置?40 V反向電壓保護(hù),LTC2966則需要選擇保護(hù)器件。


5.png圖5.適用于LTC2966的反向電壓保護(hù)方法。


圖5顯示了適用于LTC2966的兩種反向電壓保護(hù)方法:一種是電阻解決方案,一種是二極管解決方案,具體選擇哪種取決于應(yīng)用。


在二極管解決方案中,二極管只在電路正常運(yùn)行(即正電壓)期間保持激活。LTC2966的電源電流為幾十微安,因此使用一個(gè)低功率二極管就足夠了,可以提供尺寸小巧的解決方案。在反向電壓事件期間,二極管會(huì)阻止電流從LTC2966電源引腳流出。選擇哪種二極管,由二極管的反向擊穿電壓決定。為了匹配LTC4368,應(yīng)該選擇40 V二極管。使用二極管解決方案之后,正向壓降可能會(huì)對(duì)欠壓鎖定閾值和電壓監(jiān)測(cè)閾值精度產(chǎn)生負(fù)面影響。


在電阻解決方案中,要選擇足夠大的電阻,以便在反向電壓事件期間,安全限制從LTC2966電源線路中引出的電流。但是,也要適當(dāng)考慮電阻的大小,確保對(duì)欠壓鎖定和電壓監(jiān)測(cè)閾值精度的影響最小。選擇合適的封裝尺寸,可以確保電阻保持安全功耗。


在這種應(yīng)用中,所監(jiān)測(cè)的電壓足夠低,與輸入串聯(lián)的二極管正向電壓會(huì)嚴(yán)重影響電壓監(jiān)測(cè)閾值的精度。使用電阻解決方案時(shí),可選擇使用1.96 kΩ限流電阻,以保護(hù)LTC2966不受反向電壓影響。如果輸入電壓下拉至?40 V以下,則選擇的電阻大小就能夠?qū)⑤斎胍_輸出的電流限制在20 mA。低值電阻僅導(dǎo)致幾毫伏壓降,因此電阻對(duì)閾值精度的影響可以忽略不計(jì)。

過(guò)流和浪涌電流保護(hù)


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圖6.應(yīng)用過(guò)流和浪涌電流保護(hù)。


LTC4368負(fù)責(zé)為應(yīng)用提供過(guò)流和浪涌電流保護(hù)。圖6顯示了相關(guān)組件。LTC4368內(nèi)部的比較器監(jiān)測(cè)電流檢測(cè)電阻R11兩端的壓降。如果是正向(VIN 至VOUT,過(guò)流比較器在SENSE至VOUT 的電壓超過(guò)50 mV時(shí)斷路。如果是負(fù)向(VOUT 至VIN,過(guò)流比較器在SENSE至VOUT 的電壓超過(guò)–3 mV時(shí)斷路。此應(yīng)用使用一個(gè)20 mΩ檢測(cè)電阻,將限流值設(shè)置為+2.5 A和–150 mA。


浪涌電流限制允許應(yīng)用在不置位正向過(guò)流保護(hù)的情況下上電。R10和C1為浪涌電流限制器件。


在本應(yīng)用中,將浪涌電流限制為1 A,遠(yuǎn)低于2.5 A的正向限流值。C1基于所需的浪涌限流值和C2的大小來(lái)選擇。R10可防止C1降低反向極性保護(hù)響應(yīng)速度,使快速下拉電路穩(wěn)定下來(lái),并防止在故障情況下發(fā)生震顫。


C4電容用于在正過(guò)流事件后設(shè)置重試延遲。重試延遲是檢測(cè)到過(guò)流事件后,MOSFET柵極保持低電平的時(shí)間。在此應(yīng)用中,重試延遲為250 ms。在MOSFET柵極添加10Ω電阻R14和R15,用于防止PCB布局寄生電容產(chǎn)生電路振蕩。


功能演示


啟動(dòng)事件


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圖7.完整的啟動(dòng)波形。


對(duì)原型進(jìn)行了基準(zhǔn)特性測(cè)試,結(jié)果如圖7所示。在點(diǎn)火激活之前,VIN 大于為通道A配置的10 V上升監(jiān)測(cè)閾值。LTC4368-2 UV被LTC2966的OUTA引腳拉高至其500 mV閾值以上,使得電源路徑激活,且VIN。


在啟動(dòng)過(guò)程中,12 V總線下拉至6 V。超過(guò)7 V降壓監(jiān)測(cè)閾值之后,OUTA立即下拉LTC4368-2的UV引腳。LTC4368-2對(duì)此做出響應(yīng),它將GATE引腳拉低,切斷開(kāi)關(guān)元件的電源,使VOUT 降至0 V。由電壓監(jiān)測(cè)電阻分壓器編程設(shè)置的3 V遲滯允許LTC2966忽略啟動(dòng)期間總線上出現(xiàn)的紋波。因此,在啟動(dòng)周期完成之前,開(kāi)關(guān)元件一直保持關(guān)閉。啟動(dòng)周期結(jié)束時(shí),電池電壓恢復(fù)到其標(biāo)稱值,該值大于10 V閾值。OUTA引腳將LTC4368-2 UV引腳拉高,開(kāi)關(guān)元件重新通電。


8.png

圖8.展開(kāi)的啟動(dòng)恢復(fù)。


圖8顯示啟動(dòng)恢復(fù)行為??梢钥吹?,LTC4368-2的內(nèi)部恢復(fù)定時(shí)器(一般為36 ms)在重新接通開(kāi)關(guān)元件的電源之前滿足要求。還可以看出,重新接通開(kāi)關(guān)元件的電源之后,VIN 暫時(shí)被拉低。這是因?yàn)閷?duì)電路的負(fù)載電容和串行輸入電感充電導(dǎo)致的。這表明需要寬電壓監(jiān)測(cè)閾值遲滯。此負(fù)載電容充電瞬變會(huì)被LTC2966忽略。


9.png

圖9.完整的負(fù)載突降波形。


圖9顯示電路的負(fù)載突降行為。在熄火之前,VIN為標(biāo)稱值。電源路徑已激活,且VOUT = VIN。在負(fù)載突降過(guò)程中,電池電壓上拉至100 V。超過(guò)18 V升壓監(jiān)測(cè)閾值之后,OUTB立即上拉LTC4368-2的0 V引腳。LTC4368-2對(duì)此做出響應(yīng),它將GATE引腳拉低,使電源路徑斷開(kāi),VOUT 降至0 V。開(kāi)關(guān)元件保持?jǐn)嚅_(kāi),直到負(fù)載突降放電至15 V。超過(guò)15 V降壓閾值后,LTC2966的OUTB下拉LTC4368-2的0 V引腳,在LTC4368-2內(nèi)部恢復(fù)定時(shí)器超時(shí)后,TC4368-2再次接通開(kāi)關(guān)元件的電源。


10.png

圖10.反向電壓保護(hù)測(cè)量。


圖10顯示采用1.96 kΩ電阻的情況,它在反向電壓事件期間限制LTC2966電源引腳輸出的電流。應(yīng)用的輸入電壓從0 V降至–40 V。VINA和VINB引腳輸出的電流限制在20 mA,VINA和VINB引腳的電壓保持低于接地電壓幾百毫伏。LTC2966安全經(jīng)受反向電壓事件。


正向過(guò)流保護(hù)


圖11顯示由R10和C1確定的浪涌限流值。如預(yù)料的一樣,浪涌電流限制在1 A,VOUT在不置位過(guò)流限值的情況下直接上拉至12 V。


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圖11.浪涌電流限值。


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圖12.置位正向過(guò)流保護(hù)和重試延遲。


圖12顯示LTC4368對(duì)正向過(guò)流事件的響應(yīng)。當(dāng)SENSE和VOUT引腳之間的電壓超過(guò)50 mV時(shí),LTC4368中的正向過(guò)流比較器斷路。電流檢測(cè)電阻R11的值為20 mΩ,可將應(yīng)用的限流值設(shè)置為2.5 A。


在本演示中,電流陡然升高,直至過(guò)流保護(hù)置位。如預(yù)期的一樣,過(guò)流保護(hù)在2.5 A時(shí)激活。LTC4368去除來(lái)自電源VOUT 的負(fù)載,負(fù)載電流降至0 V。LTC4368重試定時(shí)器滿足要求之后,LTC4368將電源重新連接至負(fù)載。如果過(guò)流狀況消失,負(fù)載將保持與電源連接的狀態(tài)。否則,LTC4368將去除來(lái)自電源的負(fù)載??梢酝ㄟ^(guò)在RETRY引腳增加電容來(lái)增加重試延遲。如果需要,可以通過(guò)讓RETRY引腳接地來(lái)鎖定VOUT。在此電路中,重試定時(shí)器設(shè)置為250 ms。有關(guān)重試定時(shí)器的配置說(shuō)明,請(qǐng)參見(jiàn)LTC4368數(shù)據(jù)手冊(cè)。


13.png

圖13.置位反向過(guò)流保護(hù)。


圖13顯示LTC4368對(duì)反向過(guò)流瞬變的響應(yīng)。反向過(guò)流比較器檢測(cè)VOUT 和SENSE引腳之間的電壓。用于反向過(guò)流置位的電壓閾值取決于具體的產(chǎn)品型號(hào)。LTC4368-1在50 mV時(shí)置位,LTC4368-2在3 mV時(shí)置位。此應(yīng)用使用LTC4368-2型號(hào)。電流檢測(cè)電阻R11為20 mΩ。這將反向過(guò)流限值設(shè)置為150 mA。


在本例中,當(dāng)電源為負(fù)載提供100 mA時(shí),VOUT中存在電壓階躍,所以 VOUT的值大于VIN。隨著VOUT增大,ILOAD減小。電壓階躍足夠大,迫使電流從負(fù)載流向電源。這種情況會(huì)一直持續(xù),直到反向電流達(dá)到150 mA,反向過(guò)流比較器斷路。反向過(guò)流比較器斷路時(shí),GATE引腳被拉低。這會(huì)去除來(lái)自電源的負(fù)載,防止負(fù)載進(jìn)一步后向驅(qū)動(dòng)電源。LTC4368會(huì)讓柵極保持低電平,直到它檢測(cè)到VOUT降至低于VIN100 mV。


結(jié)論


本文中的汽車應(yīng)用顯示,使用專用保護(hù)器件可以簡(jiǎn)化汽車保護(hù)電路的實(shí)施方案。采用極少的附加電路將LTC2966和LTC4368-2組合在一起,可提供準(zhǔn)確、可靠和全面的瞬變保護(hù)。這些器件應(yīng)用靈活,可配置用于多種應(yīng)用。


LTC4368


●    寬工作電壓范圍:2.5V 至 60V

●    過(guò)壓保護(hù)至 100V

●    反向電源保護(hù)至 –40V

●    雙向電子電路斷路器:

    ○ +50mV 正向檢測(cè)門限

    ○ –50mV 反向 (LTC4368-1)

    ○ –3mV 反向 (LTC4368-2)

●    可調(diào) ±1.5% 欠壓和過(guò)壓門限

●    低工作電流:80μA

●    低停機(jī)電流:5μA

●    控制背對(duì)背 N 溝道 MOSFET

●    可隔離 50Hz 和 60Hz AC 電源

●    可熱插拔的電源輸入

●    引腳可選的過(guò)流自動(dòng)重試定時(shí)器或鎖斷

●    10 引腳 MSOP 和 3mm x 3mm DFN 封裝



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