设计汽车电源的瞬态和过流保护滤波器

1.前言

在当今世界的某个地方，一位汽车工程师正在为汽车设想一种信息娱乐系统，该系统将在五年或更长时间内无法实现。

这包括将当今仅作为概念存在的应用的电源要求考虑在内。随着信息娱乐系统在复杂性和电子功能方面的发展，集成电路 (IC) 的数量也在增加，并且这些 IC 都从 12 V 电池共享电源。

设计这些电源架构需要实施电源调节和保护，以确保跨不同瞬态事件的系统功能。

瞬态可能发生在四种常见情况下。
2.典型瞬变

图 1 描述了第一种情况，即在电池充电期间电池与交流发电机断开连接引起的负载突降事件。抛负载事件会导致电压升高；对于交流发电机上的集中钳位，最大电压为 35 V。

图 1：12V 系统的负载突降配置文件

图 2 是第二种情况，其中一个大的负电压峰值（如国际标准化组织 [ISO] 7637-2 测试脉冲 1），当电源断开时，模块与感性负载并联时会出现这种情况。

图 2：ISO 7637-2 测试脉冲

如图 3 所示，第三种情况是启动期间由系统的大电容引起的浪涌电流，这可能会在电容器充电时导致更高的电流。

图 3：大容性负载启动期间的浪涌电流曲线

第四种情况是电池电压下降。图 4 是冷启动，当发动机在低环境温度环境下启动时。

图 4：典型的旧曲柄波形

3.瞬变保护

提供瞬态保护的一种方法是使用理想的二极管控制器。如图 5 所示，使用带有理想二极管控制器的电流检测放大器可以提供额外的过流保护，从而在任何滤波和电源调节之前形成一个全面的保护解决方案。

图 5：汽车瞬态和过流保护滤波器保护框图

4.负载突降保护

的LM74810-Q1通过一个可调过压保护功能提供从抑制负载突降事件的保护。如图 6 所示，LM74810-Q1 有一个 OV 引脚，该引脚使用一个比较器来发出过压事件信号。这将关闭驱动 Q2 金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的 HGATE 电压。将连接到 OV 引脚的电阻分压器调整到您的首选阈值，可以在下游使用额定电压较低的组件，这些组件不具有输入端可能发生瞬变所需的必要电压范围。 LM74810-Q1 器件本身具有65V 的最大输入额定值，并且在 35V 峰值瞬态事件期间应保持运行。

图 6：具有 OV 保护的 LM74800 的典型框图

5.负电压瞬变保护

LM74810-Q1 连同适当的 MOSFET 和输入瞬态电压抑制 (TVS)，可保护系统免受高负电压瞬变的影响，例如 ISO 7637-2 测试脉冲 1。如果输入电压为负，LM74810-Q1 将关闭并导致 DGATE 拉低。然后，图 6 中 Q1 的体二极管将为系统提供反向电压保护并防止任何负电流流动。一旦输入电压恢复到其标称状态，LM74810-Q1 就会重新开启并启用 MOSFET 以进行正常操作。

在 ISO 7637-2 测试脉冲 1（通常为 –100 V 或更高）引起的大负电压尖峰期间保护 LM74810-Q1 需要一个 TVS 二极管。输入 TVS 击穿电压应高于 35V 抛负载条件，但低于 LM74810-Q1 的 65V 最大额定电压。对于负电压，TVS 二极管击穿电压应高于电池反向连接期间的电压，但要足够低，以便 TVS 的负钳位电压不超过 Q1 MOSFET 的电压。

6.浪涌电流限制

LM74810-Q1 包括浪涌电流限制功能，可在启动时控制电流。根据输出端的电容大小，此功能会限制电流以确保组件不会承受超出安全操作范围的高电流。

如图 7 所示，向 LM74810-Q1 的 HGATE 添加一个电阻-电容 (RC) 会减慢启动时的 HGATE 电压斜坡，从而实现浪涌电流限制。

图 7：使用 LM7480x-Q1 限制浪涌电流

7.过流保护

的INA302-Q1通过两个独立可调阈值比较器的输出提供了过电流检测。将低电平有效比较器输出连接到 LM74810-Q1 的启用引脚，允许 MOSFET 在遇到过流情况时关闭。ALERT2 比较器提供了输出信号可调延迟的灵活性，如果在正常操作期间可能出现小电流增加，但您不希望在这种情况下触发过流保护，这可能会很有用。您可以通过改变放置在器件 DELAY 引脚上的电容值来调整延迟的持续时间，并通过 INA302-Q1 的 ILIM 引脚调整过流事件的电流阈值；参见图 8 中的R 5。

图 8：实施可调过压和过流保护

8.低压瞬变保护

冷启动和热启动事件会导致系统中出现低电压瞬变。在这些事件期间，输入低于输出可能会产生负电流，这可能是需要维持功能的系统所关注的。由于输出电压将在存在的输出电容允许的范围内降低，因此确保电流不会流回电池需要反向电流阻断。

LM74810-Q1 可以提供这种保护，因为它持续监控 A 和 C 引脚之间 Q1 MOSFET 上的压降。如图 9 和 10 所示，在正常工作期间，Q1 两端的电压将为正，电流可以流向负载。在可能出现反向电流的情况下——例如当输入低于输出时——当 Q1 两端的电压达到 –4.5 mV 时，LM74810-Q1 将快速响应并关闭 MOSFET，从而防止直流反向电流。

图 9：LM74810-Q1 监控 Q1 MOSFET 两端的压降，以确保不会出现直流反向电流

图 10：当 MOSFET 上的压降达到 –4.5 mV 时，驱动 Q1 栅极的 DGATE 拉低，提供反向电流阻断

9.在恶劣的汽车环境中的灵活性

通过在输入端对系统进行高级保护，设计人员获得了灵活性。这些保护设备有助于推动汽车内的创新，为系统的其余部分提供更多选择机会，而无需担心功能性或缺乏对汽车中恶劣电气环境的保护。

此外，与分立实施相比，像此处描述的那样的紧凑型两设备保护系统可显着减小总解决方案尺寸。更小的解决方案尺寸为信息娱乐解决方案的其余部分提供了更多的创新空间和机会。