ZHCADC8 November 2023 LM74930-Q1
引言
由于人們追求更高的安全性、先進(jìn)的信息娛樂連接功能、自動駕駛技術(shù)的創(chuàng)新以及越來越重視環(huán)境可持續(xù)性和車輛性能提升，因此電子電路在汽車系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。這些電子電路從車輛的蓄電池取電，由于電氣負(fù)載突變（例如發(fā)動機(jī)啟動或激活大功率配件）、交流發(fā)電機(jī)電壓波動以及外部影響（例如電氣干擾）等因素，可能會引起瞬變。負(fù)載突降脈沖（高能瞬態(tài)）被認(rèn)為是 ISO 16750-2 中定義的最具破壞性的脈沖之一。負(fù)載突降脈沖包括測試 A 和測試 B，先前在 ISO 7637-2 中將其指定為 5A 和 5B。本應(yīng)用簡報提供了有關(guān)使用 LM74930-Q1 保護(hù) 24V 系統(tǒng)中的汽車下行子系統(tǒng)免受負(fù)載突降脈沖影響的指導(dǎo)。
未抑制的負(fù)載突降
當(dāng)發(fā)電機(jī)向其輸送電流的負(fù)載突然斷開時，就會發(fā)生負(fù)載突降。在汽車電子產(chǎn)品中，這適用于在交流發(fā)電機(jī)為已連接其他電氣負(fù)載的電池充電時斷開電池。圖 1 所示為交流發(fā)電機(jī)與電池斷開連接時的典型負(fù)載突降情況。
圖 1 典型負(fù)載突降情況一些汽車系統(tǒng)包含集中式負(fù)載突降抑制功能，可以在 12V 電池系統(tǒng)中將峰值浪涌電壓鉗位到 35V，在 28V 電池系統(tǒng)中將峰值浪涌電壓鉗位到 58V。在缺少這種集中式抑制功能的設(shè)計中，浪涌電壓可能會表現(xiàn)出更高的峰值電壓。ISO 16750-2 標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載突降測試 A 中定義了未抑制的負(fù)載突降瞬變，電壓曲線如圖 2 所示。
圖 2 未抑制的負(fù)載突降脈沖表 1 列出了 12V 和 24V 電池系統(tǒng)的 ISO 16750-2 負(fù)載突降測試 A 的典型值。
| 參數(shù) | 12V 系統(tǒng) | 24V 系統(tǒng) |
|---|---|---|
| Us | 79V 至 101V | 151V 至 202V |
| Ri | 0.5? 至 4? | 1? 至 8? |
| td | 40ms 至 400ms | 100ms 至 350ms |
| tr |  |
|
在沒有集中式負(fù)載突降抑制方案的 24V 電池系統(tǒng)中，負(fù)載突降期間的浪涌電壓可高達(dá) 202V，并根據(jù)具體的測試條件持續(xù) 100 毫秒至 350 毫秒，這會導(dǎo)致嚴(yán)重的能量浪涌，從而對下游電氣元件構(gòu)成威脅。
使用 LM74930-Q1 防止未抑制的負(fù)載突降
保護(hù)汽車電子子系統(tǒng)免受未抑制的負(fù)載突降影響的基本方法是使用瞬態(tài)電壓抑制器。TVS 二極管吸收瞬態(tài)脈沖能量并將電壓鉗制在下游元件的絕對最大電壓范圍內(nèi)。TVS 中耗散的能量取決于負(fù)載突降源的峰值瞬態(tài)電壓、鉗位電壓、脈沖持續(xù)時間和輸入阻抗。要找到一個具有所需峰值額定功率和脈沖持續(xù)時間額定值的 TVS 二極管來有效吸收脈沖的最大能量，可能并非易事。ISO 16750-2 規(guī)范要求系統(tǒng)在一分鐘的間隔內(nèi)承受 10 個連續(xù)脈沖，并且 TVS 二極管在每次發(fā)生負(fù)載突降事件后都可能會降級，這讓問題變得更加復(fù)雜。需要多個高功率 TVS 棧（尺寸與 SMD 相同）才能鉗位到安全水平，從而導(dǎo)致整體設(shè)計尺寸和前端保護(hù)電路 BoM 成本增加。因此，要設(shè)計一種具有成本效益、尺寸合理且能夠有效屏蔽負(fù)載突降脈沖的系統(tǒng)，僅依靠 TVS 二極管并不容易實現(xiàn)。
直接由電池電源供電的汽車子系統(tǒng)通常在前端采用理想的二極管電路，可在感性負(fù)載與電池斷開連接期間保護(hù)下游電路免受電池反向連接或動態(tài)反極性條件的影響。TI 的 LM74930-Q1 理想二極管控制器設(shè)計（除了反向電池保護(hù)和反向電流阻斷之外）可以使用串聯(lián)電源路徑保護(hù)技術(shù)來保護(hù)子系統(tǒng)免受未抑制的負(fù)載突降的影響。該器件還提供過流和短路保護(hù)，適用于高功率應(yīng)用。如圖 3 所示，LM74930-Q1 配置為共源極拓?fù)洌商峁?200V 未抑制負(fù)載突降保護(hù)以及反向電池保護(hù)。
圖 3 典型應(yīng)用電路：200V 未抑制負(fù)載突降保護(hù)以及反向電池保護(hù)MOSFET Q1 用于關(guān)斷輸出電壓或?qū)⑤敵鲭妷恒Q位到可接受的安全水平，并保護(hù) MOSFET Q2 和下游電路免受 200V 輸入瞬態(tài)的影響。請注意，在電路中，只有 VS 引腳承受 200V 電壓，必須對該引腳進(jìn)行保護(hù)。一個串聯(lián) 10k? 電阻器和一個額定電壓為 60V 的齊納二極管跨接在 VS 至 GND 之間，將 VS 引腳上的電壓鉗制在器件的建議工作電壓范圍內(nèi)。電路的其余部分不會承受更高的電壓，因為 MOSFET Q1 可以完全關(guān)斷，也可以將輸出電壓鉗位到安全電平。通過調(diào)整 R3 和 R4 電阻器，可以使用過壓閾值來設(shè)置允許通過 MOSFET 的最大電壓。梯形電阻連接到輸入電源側(cè)時，電路將以過壓切斷模式工作。連接到 VOUT 側(cè)，電路在 VOUT 鉗位模式下運(yùn)行。VOUT 鉗位通過遲滯輸出開和關(guān)控制來實現(xiàn)，在這種控制中，當(dāng)輸出電壓上升到高于過壓上升閾值時開啟 HGATE，當(dāng)輸出電壓下降到低于過壓下降閾值時關(guān)閉 HGATE。
如果在輸出截止設(shè)計中當(dāng)存在負(fù)載突降瞬態(tài)時輸出可達(dá)到 0V，則 MOSFET Q1 的 VDS 最小額定值必須為 200V，而當(dāng)輸出鉗位到 37V (±1.5V) 時，該最小額定值必須為 164.5V。圖 4 和圖 5 分別顯示了使用 VOUT 鉗位和過壓切斷運(yùn)行模式時的未抑制負(fù)載突降保護(hù)。
圖 4 未抑制的負(fù)載突降 200V：輸出鉗位（R3 連接至 VOUT）和 OVCLAMP 連接至 GND
圖 5 未抑制的負(fù)載突降 200V：輸出切斷（R3 連接至 VBATT）對于輸出被鉗位的設(shè)計，MOSFET Q1 中的功率耗散至關(guān)重要。必須考慮 MOSFET 的安全工作區(qū) (SOA) 特性，確保留有足夠的設(shè)計裕度以實現(xiàn)可靠運(yùn)行。LM74930-Q1 還通過可編程計時器和斷路器功能支持過壓鉗位運(yùn)行。要使器件在過壓鉗位下通過斷路器功能運(yùn)行，請將 OVCLAMP 引腳連接到 OV 引腳。OVCLAMP 特性允許用戶根據(jù) MOSFET 電源處理能力選擇過壓鉗位運(yùn)行的持續(xù)時間，從而確保其在 SOA 內(nèi)運(yùn)行。圖 6 展示了采用 30ms 計時器和斷路器功能的 VOUT 鉗位運(yùn)行情況。
圖 6 未抑制的負(fù)載突降 200V：帶計時器的輸出鉗位（OVCLAMP 連接到 OV，TMR = 68nF）總結(jié)
為了確保汽車應(yīng)用中乘客的安全，電子子系統(tǒng)必須在所有情況下可靠運(yùn)行。為了實現(xiàn)這一點(diǎn)，制造商必須開發(fā)穩(wěn)健的子系統(tǒng)保護(hù)機(jī)制，以保護(hù)下游元件免受高能瞬態(tài)脈沖（例如未抑制的負(fù)載突降脈沖）的損壞。對于高功率應(yīng)用，LM74930-Q1 理想二極管控制器可驅(qū)動采用共源極拓?fù)溥B接的背對背外部 N 溝道 MOSFET，是一款極具吸引力的前端保護(hù)設(shè)計，可應(yīng)對 200V 未抑制的負(fù)載突降。設(shè)計人員可以選擇其中一種運(yùn)行模式：輸出切斷、輸出鉗位和帶有斷路器的輸出鉗位，來保護(hù)下游系統(tǒng)，同時保持 MOSFET 的安全運(yùn)行。ISO 16750-2 負(fù)載突降脈沖 A 在各種工作模式下的測試結(jié)果展示了基于 LM74930-Q1 的保護(hù)設(shè)計的恢復(fù)能力。