电子产品世界

图5. 利用滤波电容、瞬态抑制二极管和保险丝构成的简单过压保护电路

为了避免在难以接近的ECU部位更换保险丝，或保证ECU的连续运转，必须采取其它技术，如额外的串联保护。图6电路可使ECU免遭电池反接以及瞬态负压(D2)、高于TVS二极管(D1)击穿电压的正向过压脉冲(抛负载和低能量瞬态电压)的冲击。所选二极管D2的反向峰值电压必须大于可能出现的负脉冲最大值。

图6. 用二极管取代图5中的保险丝，该电路不但提供过压保护并且提供负向瞬态电压保护和电池反接保护。

.

考虑到其小尺寸、低成本和较高的功率耗散能力，可变电阻常用于对电路板面积要求苛刻，并且后续电路对正向、反向过压有一定容限的系统。图7所示电路能够对后续电路提供有效的过压脉冲保护(正向和负向瞬态电压，电压高于可变电阻器的击穿电压)。电容有助于滤除低能量的正、负瞬态电压。

图7. 当电路板面积受限同时又需要为后续电路提供过压保护时，可以利用可变电阻器(示例中的VDR)取代TVS二极管，只要过压脉冲(正或负瞬态脉冲)高于可变电阻器的击穿电压，发生正向或负向过压时，后续电路必须有一定的容量。

分立保护电路的优缺点

上述所有电路各有其优缺点，图5所示电路是一个简单的瞬态保护电路，只包含一个TVS管、一个滤波电容和一个保险丝，但缺点是必须选择击穿电压大于可能出现的最大稳态电压的TVS二极管，启动时该电压通常是电池电压的2倍(经常> 26V，持续时间超过1分钟)。否则，如果没有正确选用TVS，使得TVS管在较低电压下导通，随后会因为连续的功率耗散而烧坏。

由于VI特性已经限定了击穿电压以上的电流变化斜率，TVS二极管还存在一定的内阻，该电阻会使钳位电压因较高电流而升高。如，28V的TVS管(例如SMBJ28)在发生抛负载时会使后续电路的电压达到45V，这种情况下，所用后续电路必须能够承受45V的电压(图3)。显然，这将使后续ECU电路元件的选择复杂化，而这些电路通常只能工作在汽车标称工作电压的上限(大约17V)。高压半导体器件或其它元件价格昂贵，会增加ECU的成本并占用宝贵的电路板空间。

为了尽可能降低最大过压值，需要选择击穿电压接近于稳态最高电压(例如，启动电压)的TVS管。由此可能引发在接近击穿电压时(甚至在12V汽车标称电压下)产生较大的漏电流。汽车引擎停止工作时，这一漏电流使得ECU设计人员很难达到OEM (设备生产商)对低静态电流的要求。

正常工作条件下，图6中的二极管(D1)所示约有> 0.7V 的压降，这会产生两方面的问题： 压降会产生一定的功耗。 ECU很难工作在低压状态。

对于大电流应用，如汽车防抱死系统，所消耗的电流可以轻易超过10A。例如，对于系统中1V压降的二极管将造成10W的功耗，在有限尺寸的电路板上，耗散如此大的功率几乎是不可能的。采用单个或双肖特基二极管在某些应用中可以减缓这个问题。假定压降为0.5V，在10A负载电流时，双肖特基二极管的功耗为5W。这依然是一个难以接受的功耗，设计人员不得不使用大尺寸的散热器。

如上所述，二极管压降本身会产生一定的负面影响。例如，在一个 14.4V的音频系统中，最大输出功率取决于所能获得的最大扬声器驱动电压。而为了避免电池反接，系统中会在电源上增加一个二极管，由此可能产生1V的压降，使输出功率损失约8.4dBW (对于2Ω的桥接扬声器)。

汽车在寒冷环境下启动时，ECU必须能够工作在低压状态(图2)，任何不必要的电压跌落都会影响系统工作。冷启动时，汽车制造商规定的输入电压为5.5V甚至更低。用来防止电池反接的二极管压降会占用很大的裕量。例如，汽车电池电压在ECU输入连接器处降到5.5V，减去电池反接保护二极管的0.7V压降，真正供给电路的电压只有4.8V。

假如5V微控制器通过一个压差为500mV的线性稳压器供电，这时微控制器能够获得的供电电压仅为4.3V，无法支持其正常工作，有可能使其进入复位状态，丢失存储器数据或导致整个ECU死机。GPS导航系统是一个比较典型的例子：汽车启动之前输入目的地址，系统必须保证在以后的冷启动过程中不会丢失数据。

对于图7所示包含可变电阻的应用，通常对电路板面积要求非常严格。与TVS管一样，根据具体应用的最高稳态直流电压确定可变电阻的钳位电压。然而，当电压高于击穿电压时，可变电阻的VI特性曲线相对于TVS二极管要缓慢得多(图4)。因此，可变电阻相对TVS管会使后续电路承受更高的电压，从而提高了后续电路的器件成本、封装尺寸以及电路板空间。

通过将钳位电压设置在相对较低的电平，保持尽可能低的过压保护点，又会增大正常工作时的静态电流。标称电压下的静态电流通常高于TVS管，实际效果与具体元件选择有关。

有源瞬态保护方案

考虑到以上分立保护电路的诸多缺点，有源保护电路提供了一个更好的选择。对于要求低静态电流、低工作电压并具有电池反接保护和过压保护的方案，可以选择MAX16013/MAX16014¹过压保护/检测电路。

此类器件的工作原理十分简单(图8)。IC直接监测输入电压，并通过控制两个外部pFET功率开关在故障条件下断开负载的连接。外部MOSFET在5.5V和所设置的上限电源电压之间导通，上限电压可通过连接在SET引脚的分压电阻调节，范围通常在20V至28V之间。

.

图8. MAX16013和MAX16014可提供有源瞬态保护功能，直接监测电源电压，当检测到故障时，通过控制两个外部p沟道FET开关，断开负载与故障电源。

关键词： 有源 高压瞬态 保护器 保护器件