【導(dǎo)讀】啟動期間的點火起動和關(guān)斷期間的負(fù)載突降是造成汽車電源線路中產(chǎn)生電壓瞬變的常見起因。這些欠壓(UV)和過壓(OV)瞬變的幅度很大，可能會對并非專用于極端條件下運行的電路造成損壞。目前已開發(fā)出專用的UV和OV保護器件，用于斷開敏感型電子器件與電源瞬變之間的連接。
啟動期間的點火起動和關(guān)斷期間的負(fù)載突降是造成汽車電源線路中產(chǎn)生電壓瞬變的常見起因。這些欠壓(UV)和過壓(OV)瞬變的幅度很大，可能會對并非專用于極端條件下運行的電路造成損壞。目前已開發(fā)出專用的UV和OV保護器件，用于斷開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保護器件。它利用窗口比較器來監(jiān)測和驗證輸入電源。通過連接至UV和OV監(jiān)測器引腳的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測電源電壓。窗口比較器輸出驅(qū)動兩個N通道MOSFET的柵極，以閉合或斷開電源和負(fù)載之間的連接。
LTC4368的窗口比較器在其監(jiān)測器引腳上提供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進行錯誤的導(dǎo)通/關(guān)斷切換。LTC4368提供的25 mV遲滯相當(dāng)于監(jiān)測器引腳閾值的5%，這在UV和OV保護器件中很常見。
為了保護電路或降低點火負(fù)載，在啟動或關(guān)閉期間，必須將某些汽車附件電路與電源線路斷開。由于存在較大瞬變，這些電路可能需要更多遲滯（超過LTC4368單獨提供的遲滯）。對于這類應(yīng)用，可以將LTC4368與提供可調(diào)遲滯的電源監(jiān)測器（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器示例。在這個電路中，LTC2966用作窗口比較器，LTC4368則負(fù)責(zé)將負(fù)載連接至電源。
圖1.利用寬電壓監(jiān)測器遲滯實施電源路徑控制。
提供電路保護的汽車UV/OV和過流監(jiān)測器
圖1所示的解決方案可保護易受汽車電源線路中欠壓、過壓和過流瞬變影響的電子器件。LTC2966監(jiān)測反向電壓、欠壓和過壓情況。監(jiān)測閾值和遲滯電平由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PSA和PSB引腳選擇為相對于輸入反相或同相。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提供反向電流和過流保護。電流檢測電阻R11的大小決定了反向電流電平和過流電平。LTC4368根據(jù)其過流比較器和LTC2966提供的監(jiān)測信息來確定是否應(yīng)將負(fù)載連接至電源。UV、OV和SENSE（過流）引腳都是影響決策的因素。如果三個引腳都滿足條件要求，則GATE引腳拉至VOUT 以上，負(fù)載則通過雙路N通道MOSFET電源路徑連接至電源。如果三個引腳中有任何一個不滿足要求，則GATE引腳拉至VOUT以下，負(fù)載與電源斷開。
直接由電池供電的汽車應(yīng)用易受發(fā)動機啟停期間較大的電壓波動影響。在這種保護解決方案中，電壓監(jiān)測閾值由標(biāo)稱工作電壓，以及汽車啟動或負(fù)載突降情況下的預(yù)期電壓決定，同時確保下游電子器件受到保護。
當(dāng)汽車點火裝置通電啟動車輛時，會產(chǎn)生啟動瞬變。在此應(yīng)用中，LTC2966的通道A配置為檢測啟動瞬變。
圖2.VOUT 與VIN的關(guān)系曲線。
圖2所示為電源路徑處于活動狀態(tài)時的輸入電壓。啟動監(jiān)測器通道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。這些閾值通過查看不同的啟動和負(fù)載突降波形規(guī)格獲得。如果需要，可以通過調(diào)節(jié)LTC2966的INL和INH輸入的電阻分壓器串來輕松配置不同閾值。
配置
圖3.電阻分壓器決定電壓監(jiān)測器閾值。
圖3顯示如何計算得出此應(yīng)用的電阻分壓器值。LTC2966的REF引腳提供2.404 V。
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。每個通道的范圍根據(jù)要監(jiān)測的特定通道的電壓范圍來選擇。范圍由RS1A/B和RS2A/B引腳配置。LTC2966輸出引腳的極性，無論是拉高或是拉低，都是通過設(shè)置PSA和PSB引腳來確定的。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
在圖1所示的解決方案中，LTC2966和LTC4368都受反向電壓保護：LTC4368內(nèi)置?40 V反向電壓保護，LTC2966則需要選擇保護器件。
圖5.適用于LTC2966的反向電壓保護方法。
圖5顯示了適用于LTC2966的兩種反向電壓保護方法：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，正向壓降可能會對欠壓鎖定閾值和電壓監(jiān)測閾值精度產(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，確保對欠壓鎖定和電壓監(jiān)測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)測的電壓足夠低，與輸入串聯(lián)的二極管正向電壓會嚴(yán)重影響電壓監(jiān)測閾值的精度。使用電阻解決方案時，可選擇使用1.96 kΩ限流電阻，以保護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，因此電阻對閾值精度的影響可以忽略不計。
過流和浪涌電流保護
圖6.應(yīng)用過流和浪涌電流保護。
LTC4368負(fù)責(zé)為應(yīng)用提供過流和浪涌電流保護。圖6顯示了相關(guān)組件。LTC4368內(nèi)部的比較器監(jiān)測電流檢測電阻R11兩端的壓降。如果是正向（VIN 至VOUT，過流比較器在SENSE至VOUT 的電壓超過50 mV時斷路。如果是負(fù)向（VOUT 至VIN，過流比較器在SENSE至VOUT 的電壓超過–3 mV時斷路。此應(yīng)用使用一個20 mΩ檢測電阻，將限流值設(shè)置為+2.5 A和–150 mA。
浪涌電流限制允許應(yīng)用在不置位正向過流保護的情況下上電。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的大小來選擇。R10可防止C1降低反向極性保護響應(yīng)速度，使快速下拉電路穩(wěn)定下來，并防止在故障情況下發(fā)生震顫。
C4電容用于在正過流事件后設(shè)置重試延遲。重試延遲是檢測到過流事件后，MOSFET柵極保持低電平的時間。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
啟動事件
圖7.完整的啟動波形。
對原型進行了基準(zhǔn)特性測試，結(jié)果如圖7所示。在點火激活之前，VIN 大于為通道A配置的10 V上升監(jiān)測閾值。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。
在啟動過程中，12 V總線下拉至6 V。超過7 V降壓監(jiān)測閾值之后，OUTA立即下拉LTC4368-2的UV引腳。LTC4368-2對此做出響應(yīng)，它將GATE引腳拉低，切斷開關(guān)元件的電源，使VOUT 降至0 V。由電壓監(jiān)測電阻分壓器編程設(shè)置的3 V遲滯允許LTC2966忽略啟動期間總線上出現(xiàn)的紋波。因此，在啟動周期完成之前，開關(guān)元件一直保持關(guān)閉。啟動周期結(jié)束時，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，開關(guān)元件重新通電。
圖8.展開的啟動恢復(fù)。
圖8顯示啟動恢復(fù)行為。可以看到，LTC4368-2的內(nèi)部恢復(fù)定時器（一般為36 ms）在重新接通開關(guān)元件的電源之前滿足要求。還可以看出，重新接通開關(guān)元件的電源之后，VIN 暫時被拉低。這是因為對電路的負(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)測閾值遲滯。此負(fù)載電容充電瞬變會被LTC2966忽略。
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)載突降過程中，電池電壓上拉至100 V。超過18 V升壓監(jiān)測閾值之后，OUTB立即上拉LTC4368-2的0 V引腳。LTC4368-2對此做出響應(yīng)，它將GATE引腳拉低，使電源路徑斷開，VOUT 降至0 V。開關(guān)元件保持?jǐn)嚅_，直到負(fù)載突降放電至15 V。超過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)定時器超時后，TC4368-2再次接通開關(guān)元件的電源。
圖10.反向電壓保護測量。
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。
正向過流保護
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在不置位過流限值的情況下直接上拉至12 V。
圖11.浪涌電流限值。
圖12.置位正向過流保護和重試延遲。
圖12顯示LTC4368對正向過流事件的響應(yīng)。當(dāng)SENSE和VOUT引腳之間的電壓超過50 mV時，LTC4368中的正向過流比較器斷路。電流檢測電阻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，直至過流保護置位。如預(yù)期的一樣，過流保護在2.5 A時激活。LTC4368去除來自電源VOUT 的負(fù)載，負(fù)載電流降至0 V。LTC4368重試定時器滿足要求之后，LTC4368將電源重新連接至負(fù)載。如果過流狀況消失，負(fù)載將保持與電源連接的狀態(tài)。否則，LTC4368將去除來自電源的負(fù)載。可以通過在RETRY引腳增加電容來增加重試延遲。如果需要，可以通過讓RETRY引腳接地來鎖定VOUT。在此電路中，重試定時器設(shè)置為250 ms。有關(guān)重試定時器的配置說明，請參見LTC4368數(shù)據(jù)手冊。
圖13.置位反向過流保護。
圖13顯示LTC4368對反向過流瞬變的響應(yīng)。反向過流比較器檢測VOUT 和SENSE引腳之間的電壓。用于反向過流置位的電壓閾值取決于具體的產(chǎn)品型號。LTC4368-1在50 mV時置位，LTC4368-2在3 mV時置位。此應(yīng)用使用LTC4368-2型號。電流檢測電阻R11為20 mΩ。這將反向過流限值設(shè)置為150 mA。
在本例中，當(dāng)電源為負(fù)載提供100 mA時，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。這種情況會一直持續(xù)，直到反向電流達(dá)到150 mA，反向過流比較器斷路。反向過流比較器斷路時，GATE引腳被拉低。這會去除來自電源的負(fù)載，防止負(fù)載進一步后向驅(qū)動電源。LTC4368會讓柵極保持低電平，直到它檢測到VOUT降至低于VIN100 mV。
結(jié)論
本文中的汽車應(yīng)用顯示，使用專用保護器件可以簡化汽車保護電路的實施方案。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。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
● 過壓保護至 100V
● 反向電源保護至 –40V
● 雙向電子電路斷路器：
○ +50mV 正向檢測門限
○ –50mV 反向 (LTC4368-1)
○ –3mV 反向 (LTC4368-2)
● 可調(diào) ±1.5% 欠壓和過壓門限
● 低工作電流：80μA
● 低停機電流：5μA
● 控制背對背 N 溝道 MOSFET
● 可隔離 50Hz 和 60Hz AC 電源
● 可熱插拔的電源輸入
● 引腳可選的過流自動重試定時器或鎖斷
● 10 引腳 MSOP 和 3mm x 3mm DFN 封裝
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