低静态电流浪涌抑制器如何提供坚固的汽车电源保护来符合 ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 要求?

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本文作者:

Dan Eddleman

凌力尔特公司(现隶属ADI公司)  混合信号产品部  高级应用工程师

汽车电源产生可怕的瞬态,可以轻而易举地摧毁遭遇瞬态的车载电子组件。随着时间推移,汽车中的电子组件迅速增多,对于各种已注意到的故障,汽车制造商该遇到的都遇到了,因此编辑了一份导致这些已注意到的故障之电源瞬态目录。制造商已经独立制定了标准和测试程序,以防止敏感电子组件受瞬态事件损害。不过,汽车制造商最近又与国际标准化组织 (ISO) 合作制定了 ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 标准,这些标准描述了可能发生的瞬态,并规定了测试方法以模拟这些瞬态。
 
ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 标准
 
ISO 7637 名为“公路车辆─来自传导及耦合的电气干扰”,是一种电磁干扰兼容性 (EMC) 规范。本文探讨这个文件 3 个组成部分的第二部分 ISO 7637-2,标题为“第二部分:仅沿电源线传导的电气瞬态”。
 
尽管 ISO 7637 主要是一种 EMC 规范,但是 2011 年之前,该规范也包括与电源质量有关的瞬态部分。2011 年,与电源质量而不是 EMC 有关的那些部分转移到了 ISO 16750“公路车辆 ─ 电气与电子设备的环境条件与测试”中,成为 ISO 16750 5 个组成部分的第二部分:“第二部分:电气负载”。
 
尽管大多数制造商仍然遵循自己的规范和要求而不是严格遵循 ISO 7637-2 和 ISO 16750-2,但发展趋势是,制造商的规范更加严格地遵循 ISO 标准,与 ISO 标准相比仅有微小变化。
 
ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 提供面向 12V 和 24V 系统的规范。为简单起见,本文仅讨论 12V 规范,并针对连接到汽车 12V 电源的电子组件提供一种保护电路。
 
负载突降
 
负载突降是最具挑战性的电源瞬态,因为这一瞬态事件中涉及很高的能量。当交流发电机给电池充电,以及电池连接缺失时,就发生负载突降事件。
 
没有内部电压箝位的交流发电机
 
最初,汽车中的交流发电机是没有箝位的,在负载突降时可能产生异常高的电压,对 12V 系统而言大约为 100V。较新的交流发电机从内部箝位,以在负载突降时,将最高电压限制到较低的值。因为存在较老的交流发电机,而一些新的交流发电机也不包含内部箝位,所以 ISO16750-2 中的负载突降规范分成了“测试 A─ 没有集中式负载突降抑制”和“测试 B─有集中式负载突降抑制”。
 
图 1 所示原理图显示了一个由交流发电机的 3 相定子绕组和 6 个二极管组成的整流器构成之电路,该电路将定子的 AC 输出转换成 DC,以给电池充电。当电池连接缺失时,所产生的电流如图 2 所示。因为没有电池吸收定子的电流,所以输出电压会像未箝位负载突降时所能看到的那样,急剧上升至非常高的值,如 ISO 16750-2 规范中给出的图 3 所示。这种情况对应于“测试 A—没有集中式负载突降抑制”中未箝位的交流发电机的情况。



图 1:标准交流发电机的 3 相定子绕组和 6 个二极管组成的整流器产生一个 DC 输出电压

 

图 1:标准交流发电机的 3 相定子绕组和 6 个二极管组成的整流器产生一个 DC 输出电压


图 2:未箝位负载突降:如果充电时电池连接缺失,交流发电机的输出电压可能迅速上升至100V。

 

图 2:未箝位负载突降:如果充电时电池连接缺失,交流发电机的输出电压可能迅速上升至100V。



图 3:ISO 16750-2 规范 (“测试 A”) 中描述的未箝位负载突降脉冲波形

 

图 3:ISO 16750-2 规范 (“测试 A”) 中描述的未箝位负载突降脉冲波形

 

具内部电压箝位的交流发电机
 
较新的交流发电机使用雪崩二极管,这种二极管很好地规定了反向击穿电压,可在负载突降时限制最高电压。图 4 显示,在使用 6 个雪崩二极管整流器的箝位交流发电机中,出现负载突降故障时的电流流动情况。如果汽车制造商强制采用箝位的交流发电机,那么“测试 B—有集中式负载突降抑制”就适用。图 5 显示了 ISO 16750-2 中“测试 B”的箝位波形。尽管 ISO 16750-2 针对箝位情况规定了 35V 最高电压,但是要知道,很多制造商在这一点上偏离了 ISO 16750-2,而提供自己的最高电压规范。


图 4:箝位负载突降:内部箝位的交流发电机使用之二极管很好地规定了反向击穿电压,可在负载突降时将输出电压限制到 35V。

 

图 4:箝位负载突降:内部箝位的交流发电机使用之二极管很好地规定了反向击穿电压,可在负载突降时将输出电压限制到 35V。


图 5:箝位的交流发电机负载突降脉冲波形

 

图 5:箝位的交流发电机负载突降脉冲波形

 

另外要知道,当负载突降规范属于 ISO 7637-2 的组成部分时,仅规定了一个脉冲。但是当负载突降规范 2011 年转移到 ISO 16750-2 中时,最低测试要求增加到包括多个脉冲,且脉冲之间的时间间隔为 1 分钟。
 
TVS(瞬态电压抑制器)保护问题
 
在 ISO 16750-2 中,“测试 A”和“测试 B”中交流发电机的内部电阻 Ri规定为 0.5Ω至 4Ω。这限制了提供给保护电路的最大能量。
 
不过,针对 ISO 16750-2 负载突降瞬态实施保护的人常常忽视的一个事实是:内部电阻 Ri不是与 35V 箝位电压串联的。Ri实际上出现在雪崩二极管之前,如图 6 所示。


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图 6:如果车载电子组件由击穿电压低于交流发电机箝位电压的 TVS二极管保护,那么 TVS二极管将被迫吸收交流发电机的所有能量。
 
如果车载电子组件局部上由并联器件保护,例如击穿电压低于 35V 的 TVS 二极管,那么 TVS 也许会被迫吸收交流发电机的能量。在这种情况下,交流发电机的内部箝位几乎没什么用处。负载突降的全部能量都传递给了车载电子组件的 TVS。有时在电子组件和 TVS 二极管之前放置一个串联电阻器,但不幸的是,即使在正常运行时,电阻器也会引入压降和额外的功耗。
 
采用浪涌抑制器的有源保护之优势
 
一种更好的解决方案是使用一个串联的有源保护器件,例如 LTC4380 低静态电流浪涌抑制器。LTC4380 的方框图如图 7 所示。完整的汽车保护解决方案如图 8 所示。


图 7:LTC4380 浪涌抑制器的方框图

 

图 7:LTC4380 浪涌抑制器的方框图



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图 8:基于 LTC4380 的电路针对 ISO 16750-2 和 ISO 7637-2 瞬态保护下游电子组件,同时提供高达 4A 的输出电流。