如何設計汽車瞬態和過流保護濾波器

如今在世界的某個地方，已經有汽車工程師開始構想新的汽車信息娛樂系統，但該系統在未來五年或更長時間內不會實現。這是因爲，信息娛樂系統應用對電源有很多要求，而且該應用目前僅處於概念階段。隨着信息娛樂系統具有日益複雜的電子功能，其所需的集成電路(IC)數量越來越多，而且這些IC都會共享12V電池的功率。

設計電源架構時需要加入電源調節和保護功能，這樣才能確保系統在出現各種瞬態事件時良好運行。

在這篇文章中，我將介紹應該注意的幾種典型瞬態，以及TI如何幫助滿足瞬態保護需求。

典型瞬態

在四種常見場景中可能會發生瞬變。

圖1所示爲第一種場景，即在交流發電機給電池充電的過程中，電池斷開導致的負載突降事件。負載突降會導致電壓上升；交流發電機的集中式鉗位電路將出現35V的最大電壓。

圖1：12V系統的負載突降曲線

圖2所示爲第二種場景，即電源斷開時，在與電感負載並聯的模塊中產生較大的負電壓峯值（如國際標準化組織 [ISO]7637-2測試脈衝1）。

圖2：ISO 7637-2測試脈衝

圖3所示爲第三種場景，即系統的大容量電容在啓動期間導致浪湧電流，它會在電容器充電時引發更大的電流。

圖3：啓動期間的浪湧電流曲線（具有較大的容性負載）

第四種場景是電池電壓降低。圖4所示爲冷啓動，即發動機在環境溫度低的條件下啓動。

圖4：典型的冷啓動波形

瞬態保護

提供瞬態保護的一種方法是使用理想二極管控制器。如圖5所示，使用電流感應放大器和理想二極管控制器可以實現額外的過流保護，從而提供優於濾波和電源調節的全面保護解決方案。

圖5：汽車瞬態和過流保護濾波器保護方框圖

負載突降保護

LM74810-Q1 利用過壓可調節特性，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送出現過壓事件的信號。這會斷開用於驅動Q2金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)的HGATE電壓。額定電壓較低的下游元件沒有輸入端發生瞬變時所需的電壓範圍，而將連接至OV引腳的電阻分壓器調整至您所需的閾值，則可以使用此類下游元件。LM74810-Q1器件的額定輸入電壓最大爲65V，可在發生35V峯值電壓的瞬態事件時繼續工作。

圖6：具有過壓保護功能的LM74800典型方框圖

負電壓瞬態保護

LM74810-Q1，連同適當的MOSFET和輸入端瞬態電壓抑制器(TVS)，可在發生ISO 7637-2測試脈衝1等高負電壓瞬變時爲系統提供保護。如果輸入電壓爲負，則LM74810-Q1關斷並將DGATE拉低。然後，圖6中Q1的體二極管爲系統提供反向電壓保護，並防止產生負電流。一旦輸入電壓恢復標稱值，LM74810-Q1則重新導通，並使MOSFET正常工作。

TVS二極管可在ISO 7637-2測試脈衝1（典型值100V或以上）產生較大的負電壓尖峯時保護LM74810-Q1。輸入端TVS的擊穿電壓應在35V負載突降和LM74810-Q1的65V最大額定電壓之間。出現負電壓時，TVS二極管擊穿電壓應高於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。

浪湧電流限制

LM74810-Q1具有浪湧電流限制功能，可在啓動期間控制電流大小。輸出端電容會限制電流，從而確保元件內不會流經超出安全工作範圍內的電流。

如圖7所示，向LM74810-Q1的HGATE引腳添加電阻電容(RC)可減慢啓動期間的HGATE電壓斜升，從而實現浪湧電流限制。

圖7：通過LM7480x-Q1提供浪湧電流限制功能

過流保護

INA302-Q1 通過兩個獨立可調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 在出現過流時關斷。ALERT2比較器可靈活調節輸出信號的延遲，這在正常運行期間出現電流小幅升高、但不必觸發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整延遲持續時間，也可以通過 INA302-Q1 的ILIM引腳來調節過流事件的電流閾值；請參閱圖8中的R5。

圖 8：實現可調節的過壓和過流保護

低壓瞬態保護

冷啓動和熱啓動事件會導致系統發生低壓瞬變。在這類事件中，輸入電壓低於輸出電壓，就會產生負電流。對於需要維持正常運行的系統而言，負電流需要引起注意。由於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。

由於LM74810-Q1可持續監測Q1 MOSFET A引腳和C引腳之間的壓降，因此可提供低壓瞬態保護。如圖9和10所示，在正常工作期間，Q1兩端的電壓爲正，電流流入負載。在輸入電壓低於輸出電壓等可能產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，並關斷MOSFET，從而防止產生直流反向電流。