宽电压范围汽车电路保护器

Albert Hinckley

启动期间的点火起动和停机期间的负载突降是汽车电源线上电压瞬变的常见来源。这些欠压（UV）和过压（OV）瞬变可能具有很大的幅度，并且会损坏未设计用于在这些极端情况下工作的电路。已经开发出专门的紫外线和OV保护器件，用于断开敏感电子设备与电源瞬变的联系。

LTC®4368 是专用的 UV 和 OV 保护器件的一个示例。它利用一个窗口比较器来监视和验证输入电源。电源电压由连接到 UV 和 OV 监视器引脚的电阻分压器网络监视。窗口比较器输出驱动两个 N 沟道 MOSFET 的栅极，这些 MOSFET 负责接通或断开电源和负载之间的连接。

LTC4368的窗口比较器在其监视器引脚上设计有25 mV迟滞，以提高抗扰度。迟滞可以防止由于电源线上的纹波或其他高频振荡而导致的假MOSFET开/关开关。LTC25的4368 mV迟滞相当于监控引脚阈值的5%，在UV和OV保护器件中很常见。

为了保护自身或减少点火负载，一些汽车附件电路必须在启动或关闭期间与电源线断开连接。由于涉及较大的瞬变，这些电路可能需要比 LTC4368 单独提供的更多的迟滞。对于此类应用，通过将 LTC4368 与具有可调迟滞的电源监视器 （例如 LTC2966） 匹配，可以满足增加的迟滞要求。图1是一个宽电压范围的汽车电路保护器示例。在该电路中，LTC2966 承担窗口比较器的角色，而 LTC4368 负责将负载连接至电源。

图1.具有宽电压监视器迟滞的电源路径控制。

带电路保护的汽车UV/OV和过流监控器

图1所示的解决方案可保护对汽车电源上存在的欠压、过压和过流瞬变敏感的电子设备。

LTC2966 可监视反向电压、欠压和过压情况。监控阈值和迟滞电平由 INH 和 INL 引脚上的电阻网络以及 RS1 和 RS2 引脚上的电压配置。OUTA是UV窗口比较器输出，OUTB是OV窗口比较器输出。这些输出的极性可以通过PSA和PSB引脚选择为相对于输入的反相或同相。在图1中，它们配置为同相。LTC2966 的 OUTA 和 OUTB 输出被上拉至 LTC2966 的 REF 引脚，并直接馈送到 LTC4368 的 UV 和 OV 引脚。

LTC4368 提供了反向电流和过流保护。电流检测电阻R11的大小决定了反向电流和过流水平。LTC4368 根据其过流比较器以及来自 LTC2966 的监视信息来决定是否应将负载连接至电源。UV、OV和SENSE（过流）引脚都参与决策过程。如果所有三个引脚都满足条件，则栅极引脚拉力高于V外负载将通过双通道 N 沟道 MOSFET 电源路径连接到电源。如果三个引脚中的任何一个不满意，GATE 引脚将拉到V 以下外并且负载与电源断开。

直接由电池供电的汽车应用在发动机启动和停止期间会受到较大的电压摆动。在该保护解决方案中，电压监控阈值基于标称工作电压和汽车起动或抛负载情况下的预期电压，同时确保下游电子设备受到保护。

当汽车点火通电以启动车辆时，会产生起动瞬变。在此应用中，LTC2966 的通道 A 配置为检测起动瞬变。

当汽车关闭时，会产生抛负载瞬变。当汽车线束中的电流突然停止时，电池总线上会出现高幅度电压尖峰。在此应用中，LTC2966 的通道 B 配置为检测抛负载瞬变。

图2.V外与 V在.

图2显示了电源路径处于活动状态的输入电压。起动监视器通道A配置为具有7 V的下降电压阈值和10 V的上升阈值。抛负载监控器通道B配置为具有18 V的上升阈值和15 V的下降阈值。这些阈值是通过查看不同的起动和抛负载波形规格获得的。如果需要，可通过调整 LTC2966 的 INL 和 INH 输入的电阻分压器串轻松配置不同的门限。

配置

图3.电压监视器阈值的电阻分压器确定。

图3显示了如何计算该应用的电阻分压器值。LTC2966的REF引脚为2.404 V供电。

图4.范围和比较器输出极性选择。

图4显示了该电路的范围和输出极性配置。每个通道的范围选择基于要监视的特定通道的电压范围。范围由 RS1A/B 和 RS2A/B 引脚配置。LTC2966 输出引脚的极性（无论它们拉高还是拉低）均通过设置 PSA 和 PSB 引脚来确定。在此应用中，LTC4368 的输入引脚决定了 LTC2966 输出引脚的极性。要将负载连接到电源，UV引脚必须大于0.5 V，OV引脚必须小于0.5 V。

反向电压保护

在图1所示的解决方案中，LTC2966和LTC4368均受到反向电压保护：LTC4368具有−40 V的内置反向电源保护，而LTC2966则需要选择元件。

图5.LTC2966 可能的反向电压保护方法。

图 5 示出了 LTC2966 的两种可能的反向电压保护方案 — 电阻解决方案和二极管解决方案 — 其中根据应用在它们之间进行选择。

在二极管溶液中，二极管仅在正常电路（即正电压）操作期间有效。LTC2966 的电源电流为数十微安，这意味着一个低功率二极管就足够了，并提供了一个小占板面积的解决方案。在一个反向电压事件期间，二极管阻止电流从 LTC2966 电源引脚流出。二极管的选择由二极管的反向击穿电压驱动。为了匹配LTC4368，应选择40 V二极管。二极管解决方案的结果是，正向压降可能会对欠压锁定阈值和电压监控阈值精度产生负面影响。

在电阻器解决方案中，电阻器选择得足够大，以便在反向电压事件期间安全地限制从 LTC2966 电源线拉出的电流。但是，注意电阻尺寸可确保对欠压锁定和电压监控阈值精度的影响最小。正确的封装尺寸选择可确保安全的电阻器功耗。

对于此应用，监控电压足够低，以至于与输入串联的二极管正向电压会显著降低电压监控阈值的精度。使用该电阻解决方案时，选择1.96 kΩ限流电阻器来保护LTC2966免受反向电压事件的影响。如果输入电压下拉至−20 V，电阻的尺寸可将输入引脚的电流限制为40 mA。低阻值电阻仅产生几毫伏的压降，因此电阻对阈值精度的影响可以忽略不计。

过流和浪涌电流保护

图6.应用过流和浪涌电流保护。

LTC4368 负责为该应用提供过流和浪涌电流保护。图 6 显示了负责的组件。LTC4368 内部的比较器监视电流检测电阻器 R11 两端的压降。在向前方向，V在到 V外，过流比较器在SENSE至V时会跳闸外电压超过 50 mV。在负方向上，V外到 V在，过流比较器在SENSE至V时会跳闸外电压超过 –3 mV。该应用采用20 mΩ检测电阻，将电流限值设置为+2.5 A和–150 mA。

浪涌电流限制允许应用在不置位正向过流保护的情况下上电。R10和C1是浪涌电流限制元件。

对于此应用，浪涌电流限制为 1 A，远低于 2.5 A 的正向电流限制。C1 的选择基于所需的浪涌电流限制和 C2 的大小。R10可防止C1减慢反极性保护的速度，稳定快速下拉电路，并防止故障条件下的颤振。

C4是在正过流事件后设置重试延迟的电容器。重试延迟是检测到过流事件后MOSFET栅极保持低电平的时间。在此应用程序中，重试延迟为 250 毫秒。MOSFET 栅极增加了 10 个Ω电阻 R14 和 R15，以防止 PCB 布局寄生效应引起的电路振荡。

功能演示

曲柄事件

图7.完整的起动波形。

对原型进行了台架表征，结果如图7所示。在点火启动之前，V在大于为通道A配置的10 V上升监视器阈值。LTC4368的OUTA引脚将LTC2-500 UV引脚拉至其2966 mV阈值以上，从而使电源路径变为活动电平并V外= V在.

在起动事件期间，12 V总线被下拉至6 V。超过7 V下降电压监视器阈值，OUTA立即下拉LTC4368-2的UV引脚。LTC4368-2 通过将其 GATE 引脚拉低来对此做出响应，从而使开关元件和 V外降至 0 V。由电压监视器电阻分压器设置的3 V迟滞允许LTC2966在启动期间忽略总线上的纹波。因此，开关元件将保持关闭状态，直到起动周期完成。当启动周期完成后，电池电压恢复到其标称值，大于10 V阈值。OUTA 引脚将 LTC4368-2 UV 引脚拉高，开关元件重新通电。

图8.扩展起动恢复。

图 8 显示了启动恢复行为。图中显示了LTC4368-2的内部恢复定时器（典型值为36 ms），该定时器在开关元件重新通电之前得到满足。还要观察到，一旦开关元件重新通电，V在瞬间被拉低。这是由于对电路的负载电容和串联输入电感进行充电。这表明需要宽电压监控阈值迟滞。LTC2966 忽略了此负载电容器的充电瞬态。

负载突降事件

图9.完整的负载突降波形。

图9显示了电路的抛负载行为。在点火停用之前，V在是其标称值。电源路径处于活动状态且 V外= V在.在抛负载事件期间，电池电压拉高至100 V。超过18 V上升电压监视器阈值，OUTB立即拉起LTC0-4368的2 V引脚。LTC4368-2 通过将其 GATE 引脚拉低来对此做出响应，从而打开电源路径和 V外降至 0 V。开关元件保持打开状态，直到抛负载放电至15 V。一旦超过15 V下降阈值，LTC2966的OUTB将下拉LTC0-4368的2 V引脚，在LTC4368-2内部恢复定时器到期后，LTC4368-2再次为开关元件通电。

反向电压保护

图 10.反向电压保护测量。

图10显示了1.96 kΩ电阻，用于在反向电压事件期间限制LTC2966电源引脚流出的电流。应用的输入电压从0 V斜坡上升至–40 V。电流出V型伊纳和 V国际投资银行引脚限制为 20 mA，电压为 V伊纳和 V国际投资银行引脚保持在地以下几百毫伏。LTC2966 可安全地承受反向电压事件。

正向过流保护

图11显示了由R10和C1确定的浪涌电流限制。正如预期的那样，浪涌电流限制在 1 A 和 V外干净利落地上拉至12 V，无需置位过流限值。

图 11.浪涌电流限制。

图 12.正向过流保护和重试延迟的断言。

图 12 示出了 LTC4368 对正过流事件的响应。LTC4368 中的正过流比较器在 SENSE 和 V 之间的电压触发时跳闸外引脚超过50 mV。电流检测电阻R11为20 mΩ，可将应用中的电流限值设置为2.5 A。

在本演示中，电流斜坡上升，直到过流保护置位。正如预期的那样，过流保护在2.5 A时激活。LTC4368 从电源 V 中移除负载外负载电流降至0 V。在满足 LTC4368 重试定时器要求后，LTC4368 将电源重新连接至负载。如果过流条件消失，则负载仍连接到电源。否则，LTC4368 将从电源中移除负载。通过向 RETRY 引脚添加电容，可以增加重试延迟量。如果需要，V外可以通过将 RETRY 引脚接地来闭锁。在此电路中，重试计时器设置为 250 ms。重试定时器配置在 LTC4368 的产品手册中进行了说明。

反向过流保护

图 13.反向过流保护的断位。

图 13 示出了 LTC4368 对反向过流瞬变的响应。反向过流比较器检测 V 之间的电压外和感应引脚。反向过流置位的电压阈值取决于版本。LTC4368-1的置位电压为50 mV，LTC4368-2的置位电压为3 mV。此应用采用 LTC4368-2 版本设计。电流检测电阻R11为20 mΩ。这将反向过流限值设置为150 mA。

在本例中，当电源为负载提供100 mA电流时，V引入电压阶跃。外，使 V外大于 V在.作为 V外增加，我负荷减少。电压阶跃足够大，足以迫使电流从负载流向电源。这种情况一直持续到反向电流达到150 mA，反向过流比较器跳闸。当反向过流比较器跳闸时，GATE引脚被拉低。这样可以从电源中移除负载，并防止负载进一步向后驱动电源。LTC4368 将保持栅极低电平，直到它检测出 V外降 100 mV 低于 V在.

结论

本文开发的汽车应用表明，使用专用保护器件可以简化汽车保护电路的实现。LTC2966 和 LTC4368-2 采用极少的额外电路，以提供准确、稳健和全面的瞬态保护。这些器件的灵活性使其能够配置为用于众多应用。

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