如何设计汽车瞬态和过流保护滤波器

如今在世界的某个地方，已经有汽车工程师开始构想新的汽车信息娱乐系统，但该系统在未来五年或更长时间内不会实现。这是因为，信息娱乐系统应用对电源有很多要求，而且该应用目前仅处于概念阶段。随着信息娱乐系统具有日益复杂的电子功能，其所需的集成电路(IC)数量越来越多，而且这些IC都会共享12V电池的功率。

设计电源架构时需要加入电源调节和保护功能，这样才能确保系统在出现各种瞬态事件时良好运行。

在这篇文章中，我将介绍应该注意的几种典型瞬态，以及TI如何帮助满足瞬态保护需求。

典型瞬态

在四种常见场景中可能会发生瞬变。

图1所示为第一种场景，即在交流发电机给电池充电的过程中，电池断开导致的负载突降事件。负载突降会导致电压上升；交流发电机的集中式钳位电路将出现35V的最大电压。


图1：12V系统的负载突降曲线

图2所示为第二种场景，即电源断开时，在与电感负载并联的模块中产生较大的负电压峰值（如国际标准化组织 [ISO]7637-2测试脉冲1）。

图2：ISO 7637-2测试脉冲

图3所示为第三种场景，即系统的大容量电容在启动期间导致浪涌电流，它会在电容器充电时引发更大的电流。


图3：启动期间的浪涌电流曲线（具有较大的容性负载）

第四种场景是电池电压降低。图4所示为冷启动，即发动机在环境温度低的条件下启动。


图4：典型的冷启动波形

瞬态保护

提供瞬态保护的一种方法是使用理想二极管控制器。如图5所示，使用电流感应放大器和理想二极管控制器可以实现额外的过流保护，从而提供优于滤波和电源调节的全面保护解决方案。


图5：汽车瞬态和过流保护滤波器保护方框图

负载突降保护

LM74810-Q1 利用过压可调节特性，可在不需要的负载突降事件中提供保护。如图6所示，LM74810-Q1的OV引脚可使用比较器发送出现过压事件的信号。这会断开用于驱动Q2金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的HGATE电压。额定电压较低的下游元件没有输入端发生瞬变时所需的电压范围，而将连接至OV引脚的电阻分压器调整至您所需的阈值，则可以使用此类下游元件。LM74810-Q1器件的额定输入电压最大为65V，可在发生35V峰值电压的瞬态事件时继续工作。


图6：具有过压保护功能的LM74800典型方框图

负电压瞬态保护

LM74810-Q1，连同适当的MOSFET和输入端瞬态电压抑制器(TVS)，可在发生ISO 7637-2测试脉冲1等高负电压瞬变时为系统提供保护。如果输入电压为负，则LM74810-Q1关断并将DGATE拉低。然后，图6中Q1的体二极管为系统提供反向电压保护，并防止产生负电流。一旦输入电压恢复标称值，LM74810-Q1则重新导通，并使MOSFET正常工作。

TVS二极管可在ISO 7637-2测试脉冲1（典型值100V或以上）产生较大的负电压尖峰时保护LM74810-Q1。输入端TVS的击穿电压应在35V负载突降和LM74810-Q1的65V最大额定电压之间。出现负电压时，TVS二极管击穿电压应高于电池反向连接时的电压，同时也要低至使TVS的负钳位电压不超过Q1 MOSFET两端的电压。

浪涌电流限制

LM74810-Q1具有浪涌电流限制功能，可在启动期间控制电流大小。输出端电容会限制电流，从而确保元件内不会流经超出安全工作范围内的电流。

如图7所示，向LM74810-Q1的HGATE引脚添加电阻电容(RC)可减慢启动期间的HGATE电压斜升，从而实现浪涌电流限制。


图7：通过LM7480x-Q1提供浪涌电流限制功能



过流保护

INA302-Q1 通过两个独立可调的阈值比较器输出进行过流检测。将低电平有效的比较器输出连接至LM74810-Q1的使能引脚，可使 MOSFET 在出现过流时关断。alert2比较器可灵活调节输出信号的延迟，这在正常运行期间出现电流小幅升高、但不必触发过流保护功能时非常有用。你可以通过更改器件DELAY引脚的电容器值来调整延迟持续时间，也可以通过 INA302-Q1 的ILIM引脚来调节过流事件的电流阈值；请参阅图8中的R5。


图 8：实现可调节的过压和过流保护

低压瞬态保护

冷启动和热启动事件会导致系统发生低压瞬变。在这类事件中，输入电压低于输出电压，就会产生负电流。对于需要维持正常运行的系统而言，负电流需要引起注意。由于输出电压会在存在输出电容时降低，因此，要确保电流不会流回电池，需要反向电流阻断功能。

由于LM74810-Q1可持续监测Q1 MOSFET A引脚和C引脚之间的压降，因此可提供低压瞬态保护。如图9和10所示，在正常工作期间，Q1两端的电压为正，电流流入负载。在输入电压低于输出电压等可能产生反向电流的场景中，LM74810-Q1会在Q1两端电压达到–4.5mV时快速响应，并关断MOSFET，从而防止产生直流反向电流。



图10：当MOSFET两端的压降达到–4.5mV时，驱动Q1逻辑门电路的DGATE将拉低，从而提供反向电流阻断

在严苛的汽车环境内实现灵活性

通过在输入端提供先进的系统保护，设计人员可提高设计的灵活性。这些保护器件不仅不会影响系统的正常运行，而且在汽车内严苛的电气环境中提供保护，更重要的是，还能通过更多的选择机会，推动汽车系统内其余部分的创新。

另外，与分立式方案相比，与上述器件类似的紧凑型双器件保护系统能显著减小总解决方案尺寸。更小的解决方案尺寸可为信息娱乐系统的其他部分提供更多空间，有助于实现更多创新。

我们希望此设计不仅能保护您的系统，还能帮助您快速升级设计方案。

来源：TI