用有源高压瞬态保护器替代传统的汽车电子无源保护器件

引言

　　汽车内部、外部各种各样的电子及电磁干扰常常使汽车电子设备处于危险的工作状况，降低电子设备的性能，并可能引发故障甚至损坏。最严重的干扰-大幅值的正向、反向过压和瞬变-多数由汽车电子系统内部产生，或者是不恰当的(错误的)操作所致。

　　汽车内部产生的瞬态电压

　　在汽车电子网络中，电子控制单元(ECU)通过线束互联，大多数ECU直接或通过启动开关由汽车电池供电。即使在常规操作中也会存在电气干扰和高频影响，通过配线系统传导，最终耦合或以辐射方式干扰到车载电子设备。干扰源包括启动系统、交流电机、负载切换、开关抖动以及"抛负载" (即直流电机运行过程中切断电源，由此产生的电压)。

　　这些浪涌中最具破坏性的是"抛负载" (图1)，这种情况发生在引擎正在运转的过程中，在交流电机正在给电池充电时断开电池连接。产生的瞬态电压幅度取决于断开连接时交流电机的转速和场激励的大小。这一浪涌过程可能持续几百毫秒，产生100V以上的电压，对半导体电路具有潜在的致命影响。

图1. 典型的抛负载浪涌波形：a)没有抑制；b)提供抑制。

　　
启动、冷启动、电池反接

　　另外一个风险是启动过程中存在的"双电池"电压，此时电缆跳接到另一组24V网络系统的汽车电池，最终用24V电池开启12V系统。下面再来考虑另一情况，当启动引擎时，特别是在寒冷天气，电池没有充满的情况下，机油变得非常粘稠，引擎需要提供更大的扭矩，因此，需要电池提供更大的电流，较大的电流负载会导致电源电压跌落，从标称12V跌落到5V以下。这种跌落会持续数十毫秒，引起电子系统短时间挂起(图2)。一旦引擎启动，电压将返回至标称值。

图2. 汽车冷启动时的典型电压波形

　　另外一个值得注意的因素是，当电池连接错误时，汽车电子必须能够承受电池反接的电压(例如-14V)。

　　电源故障情况下的保护

　　上述异常条件促使设计人员选择适当的保护措施，以避免电源故障造成的影响。分析显示抛负载脉冲是能量最强的一类干扰。为避免电子电路受此类脉冲的破坏，目前有两种保护措施：

* 在所有汽车交流电机内部采用中心电压钳位(中心抛负载抑制，图1b)。
* 为每个ECU提供保护电路。

　　系统仍然需要第二级抑制电路，在电路板上滤除低能量脉冲，例如，正、负瞬态电压以及电池瞬间反接导致的尖峰脉冲。这些脉冲通常通过小尺寸的大容值电容、反向保护二级管或者是与瞬态抑制二极管(TVS)或可变电阻串联的电感进行滤除。

　　中心抛负载抑制通常通过交流发电机的内部钳位电路(二极管)实现，用于吸收抛负载能量，承受启动时的电池电压。尽管采取了钳位措施，如果将钳位电压设置在最大启动电压以上，将无法达到钳位的目的，汽车电压仍会高达36V。

　　那些不具备中心抛负载抑制功能的汽车电子系统必须采用本地保护措施，以抑制抛负载干扰信号。通常在远离连接器端，在ECU内部增加保护电路，整个汽车内部需要众多的这类保护措施，过多的元件会导致漏电流和整体成本的增加。板上抛负载保护电路通常采用TVS二极管(类似于齐纳二极管)、可变电阻、以及抑制滤波器等，这些元件应连接到电源端。

　　下文给出了各种传统的板上保护电路。

　　标准过压抑制器件

　　在板级水平有几类器件可用于过压钳位。

　　TVS二极管

　　雪崩二极管(与齐纳二极管类似，图3)是能够抑制所有超出其击穿电压的钳位器件。它们能够吸收较高的能量，保护电子电路免遭尖峰电压和抛负载的破坏。这些二极管具有快速开启、缓慢关断特性。与其它过压保护器件(如：可变电阻)相比，雪崩二极管对过压事件的响应速度更快。其性能指标不会随着使用寿命的延长以及瞬态电压作用次数的增多而降低。在其击穿电压附近，雪崩抑制二极管具有较大的漏电流。这类二极管通常表示为Transil®、TransZorb®或简称为TVS二极管。

图3. 瞬态电压抑制器特性(VBR = 击穿电压， VC = 峰值脉冲电流IP对应的钳位电压)。

　　可变电阻器

　　可变电阻是与电压相关的电阻(VDR)。相应的，该非线性电阻在高于某个特定电压后阻值会迅速降低(图4)。在钳位正向和负向电压时，其功能类似于背靠背的齐纳二极管。能够以很小的封装尺寸和较低的成本承受相对较高的电流和能量，但当电压接近钳位电压时，漏电流较大。钳位电压也会随电流的增加而明显提高。可变电阻器在重复受到浪涌冲击时性能会受到一定影响，通常也具有更高的"钳位电压"，与TVS二极管相比，这些因素会明显降低其响应速度。

图4. 典型的可变电阻器特性(VC = 峰值脉冲电流IP对应的钳位电压)

分立式保护电路

一种简单且性价比较高的保护电路是将负载与钳位电路(如TVS二级管)并联，在电容之前加