汽車電源會產(chǎn)生強大的瞬變，很容易破壞暴露的車載電子設(shè)備。隨著時間的推移，隨著電子設(shè)備在車輛中的激增，汽車制造商已經(jīng)適當(dāng)?shù)刈⒁獾搅斯收希幹屏艘粋€負責(zé)任的電源瞬變的流氓畫廊。制造商獨立制定了標準和測試程序，以防止敏感電子產(chǎn)品成為這些事件的犧牲品。然而，最近，汽車制造商與國際標準化組織（ISO）合作開發(fā)了ISO 7637-2和ISO 16750-2標準，這些標準描述了可能的瞬變并指定了模擬它們的測試方法。

ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 標準

ISO7637 的標題為“道路車輛 - 傳導(dǎo)和耦合引起的電氣干擾”，是一項電磁兼容性 （EMC） 規(guī)范。本文介紹本文檔三個部分中的第二個部分，即ISO 7637-2“第2部分：僅沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)”。

雖然ISO 7637主要是EMC規(guī)范，但在2011年之前，它還包括與電源質(zhì)量相關(guān)的瞬變。2011 年，與電源質(zhì)量而非 EMC 相關(guān)的部分被移至 ISO 16750，“道路車輛 - 電氣和電子設(shè)備的環(huán)境條件和測試”，在五個部分中的第二個部分“第 2 部分：電氣負載”。

雖然大多數(shù)制造商仍然保持自己的規(guī)范和要求，而不是逐字采用ISO 7637-2和ISO 16750-2，但有一種趨勢是更接近ISO標準，制造商規(guī)格遵循國際標準，只有微小的變化。

ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 提供了 12V 和 24V 系統(tǒng)的規(guī)范。為簡單起見，本文僅介紹12V規(guī)格，并介紹了一種用于保護連接到汽車12V電源的電子設(shè)備的電路。

負載突降

拋負載是電源瞬變中最具挑戰(zhàn)性的，因為事件中的能量很大。當(dāng)交流發(fā)電機正在為電池充電并且電池連接丟失時，就會發(fā)生這種情況。

不帶內(nèi)部電壓鉗位的交流發(fā)電機

最初，汽車中的交流發(fā)電機是松開的，在拋負載期間會產(chǎn)生非常大的電壓，對于12V系統(tǒng)約為100V。較新的交流發(fā)電機在內(nèi)部箝位，以在拋負載期間將最大電壓限制為較低的值。由于較舊的交流發(fā)電機和一些現(xiàn)代交流發(fā)電機不包括內(nèi)部箝位，因此ISO 16750-2中的拋負載規(guī)范分為“測試A-無集中拋負載抑制”和“測試B-具有集中式拋負載抑制”。

圖1顯示了交流發(fā)電機的三相定子繞組和將定子的交流輸出轉(zhuǎn)換為為電池充電的直流電的6二極管整流器的原理圖。當(dāng)電池連接斷開時，產(chǎn)生的電流如圖2所示。如果沒有電池吸收定子的電流，輸出電壓會浪涌到未箝位拋負載期間的非常高的電壓，如ISO 16750-2規(guī)范中的圖3所示。這與“測試 A - 無集中式拋負載抑制”中的無鉗位交流發(fā)電機場景相對應(yīng)。

圖1.標準交流發(fā)電機的 3 相定子繞組和 6 二極管整流器產(chǎn)生直流輸出電壓。

圖2.未鉗位負載突降：如果在充電過程中電池連接斷開，交流發(fā)電機的輸出電壓可能會浪涌至 100V。

圖3.未鉗位拋負載脈沖形狀，如 ISO 16750-2 規(guī)范（“測試 A...”）中所述。

帶內(nèi)部電壓鉗位的交流發(fā)電機

較新的交流發(fā)電機使用雪崩二極管，這些二極管具有明確規(guī)定的反向擊穿電壓，可限制負載突降期間的最大電壓。圖4顯示了在六個二極管整流器中使用雪崩額定二極管的鉗位交流發(fā)電機發(fā)生拋負載故障期間的電流。當(dāng)汽車制造商強制要求使用鉗位交流發(fā)電機時，“測試 B——具有集中拋負載抑制功能”適用。圖5顯示了ISO 16750-2中測試B的鉗位波形。盡管ISO 16750-2為這種鉗位情況規(guī)定了35V的最大電壓，但請注意，許多制造商通過提供自己的最大電壓規(guī)格而偏離了ISO 16750-2。

圖4.箝位拋負載：內(nèi)部箝位交流發(fā)電機具有具有明確規(guī)定的反向擊穿電壓的二極管，可在負載突降期間將輸出電壓限制為 35V。

圖5.鉗位交流發(fā)電機拋負載脈沖形狀。

另外，請注意，當(dāng)拋負載是ISO 7637-2的一部分時，只指定了一個脈沖，但是當(dāng)拋負載規(guī)范在2011年移至ISO 16750-2時，最低測試要求增加到包括脈沖之間間隔一分鐘的多個脈沖。

TVS 保護問題

內(nèi)阻，R我，在ISO 16750-2中，測試A和測試B中的交流發(fā)電機均規(guī)定在0.5Ω至4Ω之間。這限制了輸送到保護電路的最大能量。

然而，實施ISO 16750-2拋負載瞬變保護的人員經(jīng)常忽略一個事實：內(nèi)阻，R我，不與35V鉗位電壓串聯(lián)出現(xiàn)。R我實際上出現(xiàn)在雪崩二極管之前，如圖6所示。

圖6.如果板載電子設(shè)備受到TVS二極管的保護，TVS二極管在低于交流發(fā)電機鉗位電壓的電壓下?lián)舸瑒tTVS二極管將被迫吸收交流發(fā)電機的所有能量。

如果板載電子設(shè)備由擊穿電壓小于 35V 的 TVS（瞬態(tài)電壓抑制器）二極管等分流裝置本地保護，則 TVS 可能會被迫吸收交流發(fā)電機的能量。在這種情況下，交流發(fā)電機中的內(nèi)部鉗位幾乎沒有好處。整個拋負載能量通過車載電子設(shè)備輸送到 TVS。

有時在電子設(shè)備和TVS二極管前面放置一個串聯(lián)電阻器，但不幸的是，即使在正常工作期間，電阻器中也會引入壓降和額外的功耗。

ISO 16750-2 要求

雖然拋負載通常是 ISO 16750-2 中描述的最苛刻的條件，但還有許多其他要求。

反向電池

ISO 16750-2的第4.7節(jié)描述了“反向電壓”或大多數(shù)汽車工程師簡稱為“反向電池”。如您所料，此規(guī)范涵蓋了有人將電池連接且極性反轉(zhuǎn)的人為錯誤場景。顯然，除非提供足夠的保護，否則這可能導(dǎo)致破壞。

ISO 16750-2要求在所有輸入端施加14V反向測試電壓60秒，以確保系統(tǒng)正常運行而不會造成任何損壞。如果交流發(fā)電機沒有串聯(lián)的保險絲，并且交流發(fā)電機的整流二極管通過傳導(dǎo)反向連接電池提供的大量電流來限制電壓，則ISO 16750-2還允許4V反向電壓的替代測試條件。

最小和最大電源電壓

最小和最大電源電壓在第 4.2 節(jié)“直流電源電壓”中指定。12V 系統(tǒng)的最大電源電壓為 16V，最小電源電壓低至 6V。對于無法在低至6V下工作的硬件，ISO 16750-2中分配了其他“代碼”，以對器件的最低工作電壓進行分類。對于這一要求，設(shè)備應(yīng)連續(xù)運行。

電壓

ISO 16750-2 第 4.3 節(jié)描述了“過壓”要求。第一個要求模擬穩(wěn)壓器發(fā)生故障的情況。在此測試中，施加 18V 60 分鐘。根據(jù)應(yīng)用的不同，在執(zhí)行測試時，設(shè)備可能不需要正常運行，但在消除測試條件后必須恢復(fù)正常運行。第二個測試條件模擬施加24V的跨接啟動60秒。同樣，在測試過程中，設(shè)備可能不需要正常運行。

疊加交流電壓

第4.4.2節(jié)提供了“模擬直流電源上的剩余交流電”的測試條件。1V、2V 或 4V（指定為“嚴重性級別”）的峰峰值交流電壓從 50Hz 多次掃描至 25kHz。電壓的上限為16V，串聯(lián)阻抗在50mΩ至100mΩ之間。

供應(yīng)下降

ISO 16750-2 的第 4.5 和 4.6 節(jié)解決了輸入電源驟降的情況，這些條件是由于電池放電、汽車中的另一個設(shè)備發(fā)生故障并熔斷保險絲，或者當(dāng)啟動器導(dǎo)致電源電壓下降時。

第4.5節(jié)“電源電壓的緩慢降低和增加”模擬電池緩慢放電然后充電。電源電壓在幾分鐘內(nèi)放電至0V，然后緩慢恢復(fù)。顯然，沒有必要連續(xù)運行，但此測試驗證硬件不會以破壞性方式發(fā)生故障，并且在電源恢復(fù)時是否正常運行。

相比之下，第4.6節(jié)“電源電壓的不連續(xù)性”是一種更快的條件，它試圖模擬另一個電路中的故障，導(dǎo)致電源下降，直到另一個電路的保險絲熔斷。在這種情況下，電源降至4.5V持續(xù)100ms，然后以超過10ms的上升時間和下降時間恢復(fù)。

第4.6節(jié)的下一部分規(guī)定了一系列5秒的電源驟降，每個脈沖的電壓低于前一個脈沖。目的是驗證器件在電源驟降后是否正確復(fù)位。

第4.6節(jié)的第三部分也是最后一部分指定了代表車輛起始曲線的波形。它應(yīng)用于被測試的設(shè)備 10 次。所需的確切電壓和持續(xù)時間取決于所需的 I、II、III 或 IV 級，具體取決于應(yīng)用。I級的限制如下圖所示。

開路和短路保護

第 4.9 節(jié)介紹了“線路中斷”測試，并描述了確保設(shè)備在斷開連接然后恢復(fù)后恢復(fù)正常運行的過程。第4.10節(jié)描述了“短路保護”測試，并要求將每個輸入和輸出連接到最大電源電壓和接地60秒。

帶浪涌抑制器的主動保護的優(yōu)勢

更好的解決方案是使用串聯(lián)有源保護器件，例如 LTC4380 低靜態(tài)電流浪涌抑制器。LTC4380框圖如圖7所示。完整的汽車保護解決方案如圖8所示。

圖7.LTC4380浪涌抑制器的框圖

圖8.一個基于 LTC4380 的電路可保護下游電子器件免受 ISO 16750-2 和 ISO 7637-2 瞬變的影響，同時提供高達 4A 的輸出電流。

就其本質(zhì)而言，浪涌抑制器可保護下游電子設(shè)備免受負載突降以及ISO 16750-2和ISO 7637-2中的其他條件的影響，而無需依賴交流發(fā)電機的內(nèi)阻。圖8所示的浪涌抑制器解決方案在鉗位交流發(fā)電機下工作時提供不間斷電源。此外，如果它受到未夾緊的交流發(fā)電機的拋負載，它不會被損壞。在未箝位的情況下，它可能會關(guān)閉以保護自身，然后在冷卻期后自動重新為負載供電。重要的是要注意，只有在存在多個同時故障的情況下才會關(guān)閉電源：安裝了不正確的未鉗位交流發(fā)電機，并且在充電過程中電池連接丟失。

ISO 7637-2 要求

雖然ISO 7637-2的電能質(zhì)量部分在2011年移至ISO 16750-2，但脈沖1，2a，2b，3a和3b仍包含在ISO 7637-2中。

脈沖 1

脈沖 1 描述了與電源的連接中斷時，與感性負載并聯(lián)的電子設(shè)備觀察到的負瞬態(tài)。脈沖 1 開始時，隨著電源電壓的移除，電源電壓崩潰至 0V。此后不久，施加?150V脈沖，衰減時間為2ms。負脈沖的能量受10Ω串聯(lián)電阻的限制。

脈沖 2a

脈沖2a描述了當(dāng)電流中斷到與被測電子器件并聯(lián)的電路時可能發(fā)生的正電壓尖峰。如果線束中積聚電流，當(dāng)設(shè)備突然停止吸收電流時，線束電感中存儲的能量可能會導(dǎo)致電壓尖峰。該正尖峰的能量受2Ω串聯(lián)電阻的限制。

脈沖 2b

脈沖 2b 定義了當(dāng)點火開關(guān)關(guān)閉且直流電機充當(dāng)發(fā)電機時發(fā)生的情況。例如，如果加熱器在駕駛員關(guān)閉汽車時正在運行，則鼓風(fēng)機電機可以在系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時短時間內(nèi)為系統(tǒng)提供直流電源。

脈沖 3a 和 3b

脈沖 3a 和 3b 是開關(guān)過程（包括開關(guān)和繼電器上的電弧）可能產(chǎn)生的負尖峰和正尖峰。對于此規(guī)格，能量受50Ω串聯(lián)電阻的限制。

脈沖3a數(shù)字。

脈沖 3b 數(shù)字。

電涌抑制器保護解決方案的操作

圖8中的設(shè)計可保護下游電子設(shè)備免受ISO 16750-2和ISO 7637-2瞬變的影響，同時提供高達4A的輸出電流。同時，它可以保護上游系統(tǒng)免受下游電子設(shè)備短路故障等情況引起的過流事件的影響。這樣做時，它消耗了吝嗇的35μA靜態(tài)電流，這是現(xiàn)代汽車的一個重要考慮因素，在車輛不運行時具有無數(shù)的電池耗盡負載。

該保護解決方案基于 LTC4380 低電源電流浪涌抑制器，將輸出電壓限制在 22.7V，而輸入電壓高達 100V — 足以針對 ISO-16750-2 負載突降以及 ISO 7637-2 脈沖 1、2a、2b、3a 和 3b。它還可以防止反向電池條件下的電流流動，并在 ISO 16750-2 疊加交流電壓測試期間提供連續(xù)電源，其嚴重程度為 1，其中峰峰值交流電壓為 1V。 （在交流電壓較大的情況下，它可能會暫時關(guān)閉電源。當(dāng)輸入電壓降至4V時，為負載提供連續(xù)電源，以滿足ISO 16750-2的最低電源電壓要求。

該電路中的MOSFET通過限制在高功率耗散條件下花費的時間來保護，例如當(dāng)負載突降期間輸入電壓浪涌高電平時或輸出短路至地時。如果故障超過ISO 16750-2和ISO 7637-2中規(guī)定的條件，MOSFET M2將關(guān)閉以保護電路，并在適當(dāng)?shù)难舆t后重新施加電源。

例如，持續(xù)的100V輸入電壓或下游短路故障會導(dǎo)致浪涌抑制器通過限制M2中的電流進行自我保護，然后在故障持續(xù)存在時完全關(guān)閉。與并聯(lián)式保護相比，這種方法具有明顯的優(yōu)勢，分流式保護必須耗散連續(xù)功率——在最佳情況下熔斷保險絲;在最壞的情況下點燃火災(zāi)。

拋負載和過壓保護

為了了解圖8所示電路的工作原理，請考慮LTC4380的簡化描述。在正常工作期間，LTC4380 的內(nèi)部充電泵驅(qū)動 GATE 引腳以增強 M2。GATE 上的電壓被箝位至高于地電位的最大 35V（當(dāng) SEL = 0V 時），從而將 M2 源極的輸出電壓限制在 35V 以下。

圖8中的電路進一步改善了該電壓限值，增加了一個22V雪崩二極管D3，結(jié)合R6、R7、R8和2，將輸出電壓調(diào)節(jié)到雪崩二極管電壓22V的最大值，加上Q2的基極-發(fā)射極電壓，大約0.7V。當(dāng)輸出電壓超過22V + 0.7V = 22.7V時，Q2弱地下拉M2的柵極，以調(diào)節(jié)M2的源極和輸出電壓為22.7V。

反向保護

MOSFET M1 與 D1、D2、R1、R3、R4 和 Q1 結(jié)合使用，可保護電路免受反向電壓條件的影響。當(dāng)輸入降至地電位以下時，Q1將M1的柵極拉低至負輸入電壓，使MOSFET保持關(guān)斷。當(dāng)電池向后連接時，這可以防止反向電流流動，并保護輸出免受負輸入電壓的影響。

D2 和 R3 允許 LTC4380 的內(nèi)部充電泵在輸入為正時在正常工作期間增強 M1，從而使 M1 有效地成為一個簡單的直通器件，耗散小于 I2R = （4A）2? 恩智浦PSMN4R8-100BSE中的4.1mΩ = 66mW功率。

SOA 限制

當(dāng)輸入電壓較高時，通過控制MOSFET M2，將該電路的輸出電壓限制在安全水平。這會導(dǎo)致顯著的功耗，因為M2兩端的電壓下降，而電流被輸送到輸出端的負載。

如果輸入受到持續(xù)過壓條件的影響，或者電路輸出端的板載電子設(shè)備發(fā)生過流故障情況，則M2在由R13、R14、R15、C4、C5、C6和C14組成的定時器網(wǎng)絡(luò)配置的持續(xù)時間后關(guān)閉，從而保護M2。當(dāng) M2 處于電流限制狀態(tài)時，LTC4380 的 TMR 引腳上的輸出電流與 MOSFET M2 兩端的電壓成正比。

實際上，TMR 電流與 MOSFET M2 中的功耗成正比。TMR 引腳上的電阻/電容網(wǎng)絡(luò)類似于 MOSFET 瞬態(tài)熱阻的電氣模型。這有助于限制MOSFET的最大溫升，使其保持在額定安全工作區(qū)域內(nèi)。

由于允許的MOSFET SOA電流在高漏源電壓下會下降，因此當(dāng)輸入到輸出電壓超過20V加上Q3的基極-發(fā)射極電壓時，20V雪崩二極管D6與R9、R11和Q3一起向定時器網(wǎng)絡(luò)提供額外的電流。4.7V 雪崩二極管 D7 與 Q4、R12 和 C3 配合使用，以防止這些額外的電流將 TMR 引腳拉到其最大額定電壓 5V 以上。

該SOA跟蹤電路允許輸出在輸入上升到高電壓時保持安全供電。但是，如果持續(xù)的高功率故障條件持續(xù)太久，電路會通過關(guān)閉M2進行自我保護。

熱保護

LTC4380 的 TMR 引腳上的電阻器 / 電容器網(wǎng)絡(luò)可針對快于約 1 秒的事件提供保護。對于較慢的事件，M2 的外殼溫度受連接到 LTC4380 的 ON 引腳的電路的限制。

熱敏電阻，R個人通訊，是小型表面貼裝0402尺寸元件，在115°C時電阻為4.7K。 在115°C以上，其電阻隨溫度呈指數(shù)上升。為防止定時器網(wǎng)絡(luò)錯誤地在功率倍增器中積分失調(diào)，LTC4380 在 M2 的漏源電壓達到 0.7V 之前不會在 TMR 引腳上產(chǎn)生定時器電流。在 4A 和 0.7V 電壓下，MOSFET 可以連續(xù)耗散 0.7V ? 4A = 2.8W，而 TMR 網(wǎng)絡(luò)無需檢測 MOSFET 的溫升。PTC 電阻器，R個人通訊，如果 MOSFET M2 的外殼溫度超過 115°C，則與電阻 R17–R21 和晶體管 Q5A、Q5B、Q6A、Q7A 和 Q7B 配合使用，關(guān)閉電路。

不要對熱保護電路中的元件數(shù)量感到沮喪。整體解決方案相對容易實現(xiàn)，由占用電路板面積小的小組件組成。它是一個自偏置電路，當(dāng)R個人通訊等于R20的4.75kΩ值。當(dāng)溫度為R個人通訊，它靠近 M2，超過 115°C，其電阻增大并導(dǎo)致流過 Q5B 的電流比 Q5A 多。由于這會導(dǎo)致通過 R17 的電流多于 R18，因此 Q8A 的基極電壓上升，Q8A 的集電極將 LTC4380 的 ON 引腳拉低至低電平，從而關(guān)斷 M2。在較低溫度下，Q5A 的電流大于 Q5B，而 Q8A 保持關(guān)斷狀態(tài)，允許 ON 引腳的內(nèi)部上拉以保持 ON 引腳高電平。注意，ON引腳電流用作該自偏置電路通過二極管連接器件Q8B的啟動電流。

結(jié)論

ISO 16750-2 和 ISO 7637-2 規(guī)范描述了汽車系統(tǒng)中可能發(fā)生的挑戰(zhàn)性電氣瞬變。LTC?4380 低靜態(tài)電流浪涌抑制器可用于保護板載電子器件免受這些瞬變的影響，包括箝位和未箝位的負載突降脈沖。本文介紹的電路在面對來自現(xiàn)代鉗位交流發(fā)電機的拋負載脈沖時提供不間斷運行。當(dāng)面對更極端的未鉗位拋負載脈沖時，它會關(guān)斷以保護下游電子設(shè)備。其結(jié)果是符合 ISO 16750-2 和 ISO 7637-2 標準的穩(wěn)健解決方案，適用于消耗高達 4 A 電源電流的電子設(shè)備。

審核編輯：郭婷