高频汽车电源设计

瞬态过压保护  

汽车系统中，大多数过压条件都是由感性负载的开关操作引起的瞬态过压，这类负载包括启动电机、燃油泵、车窗电机、继电器线圈、螺线管、点火器件和分布电感等。任何感性负载上的脉冲电流都会产生过压脉冲。根据幅度、持续时间的要求，可以选择滤波器、金属氧化物可变电阻、瞬态电压抑制器等抑制这类瞬态过压。图1至图4说明了ISO7637对过压抑制的要求，表1是对ISO7637规定的总结。  


  
如上所述，电池电压不能直接供给低电压、高性能开关转换器，而是将电池连接到瞬态电压抑制起，如MOV或旁路电容及其后续的传统限幅电路。这些简单电路一般采用p沟道MOSFET构成(图5a)。p沟道MOSFET的额定电压为50"100V，具体取决于VBAT输入端的瞬态电压。  
利用12V齐纳二极管(Z1)保护MOSFET的栅-源极，防止栅-源电压超过VGSMAX，当输入电压(VBAT)低于齐纳管Z2的击穿电压时，MOSFET处于饱和状态。输入电压发生瞬变时，MOSFET将阻止高于Z2击穿电压的电压通过。这个电路的缺点是使用了一个昂贵的p沟道MOSFET和许多外围元件。  


  
另一方案是使用NPN晶体管，NPN管的基极电压嵌位在VZ3，将发射极电压调整在(VZ3-VBE)。这个方案成本较低，但VBE压降产生一定的损耗：PLOSS=IIN×VBE。另外，VBE压降也增加对电池最小工作电压的要求，尤其是在冷启动情况(图5b)。第三个方案是使用n沟道MOSFET，n沟道MOSFET的选择范围较广，而且便宜，可以作为隔离元件使用。其栅极驱动比较复杂，要求VG高于源极电压。  
图5c给出了一个使用n沟道MOSFET开关的隔离电路，甩负载情况下，当VBAT电压超过设置门限时，MOSFET完全关闭。随后，只要VBAT电压高于设置门限，MOSFET将一直保持关闭状态。过压保护控制器MAX6398可以汽车过压(如甩负载或双电池供电)时，控制n沟道MOSFET，保护高性能电源，图6给出了方案的原理框图。图7至图9给出了实验室和实际工作环境下的噪声抑制测试结果，所采用的是n沟道MOSFET瞬态保护电路。  

  


  
图7的MAX5073双buck转换器的输入纹波、开关波形测试结果，转换器分别工作在2.2MHz开关频率，输入电容纹波的的频率为4.4MHz(CH1=第2路时钟源；CH2=第1路时钟源；CH3=输入电容纹波；CH4=时钟输出)。   


  
图中波形为图6所示保护器输出和两路转换器输出的响应特性，时间刻度分别为1s/cm(A)和1ms/cm(B)。(CH1=VBAT；CH2=VPROT；CH3=第1路输出；CH4=第2路输出)  


  
图中波形为保护器输出和两路转换器输出的响应特性，时间刻度分别为1s/cm(A)和200μs/cm(B)。(CH1=VBAT；CH2=VPROT；CH3=第1路输出；CH4=第2路输出)  

如图9所述，MAX6398功能模块完全支持汽车应用中的甩负载设计，提供低电压、高性能输出。利用保护电路、低电压、高频工作特性可有效节省电路板空间、降低成本。