汽车应用中的限压电路

摘要：本文讨论了汽车应用中的典型供电架构，并探讨了如何在基本的电源设计中增加有源电压限制功能，阐明了集成限压器的必要性。文中还提供了几个Maxim的有源电压限幅器设计实例。

概述—典型的汽车电源架构

图1给出了一个典型的汽车电源简化框图。


图1. 汽车电源的基本示意图

上述框图主要包括以下几个单元：

• 无源保护电路：限制+12V电源总线的正向电压，并阻止产生负压。
• 有源保护电路：该限压器功能与无源保护电路类似，但使用的是晶体管等有源器件，与具有同样功能的无源方案相比能够提供更好的性价比，具有更小尺寸。
• 开关模式或线性稳压器：为指定负载提供适当的电压和电流，可能采用多路电源结构。

在不同的应用中，这些部件的技术规格会有所不同。有些应用中并没有考虑这些因素，但会给系统的整体电气性能带来负面影响。实际上，上述单元电路的任何缺失都会增大系统设计的复杂度。

在电源中集成限压器

有源电压限幅器的原理十分简单，在器件的输入和输出之间增加一个MOSFET，限幅器控制该场效应管的栅极。正常工作状态下，打开MOSFET并为负载供电；如果电压超过定义的门限值，限压电路会关闭外部MOSFET，断开电源与负载的连接。

图2给出了基本限压电路的内部构造和典型应用电路。


图2. 72V应用范例，外部MOSFET用作过压保护开关/限幅控制，MAX6495–MAX6499电路图提供了器件的过压检测方式，MAX6495电路图给出了器件的内部架构。

在这个基本的限压电路中，VIN给内部电路供电，VIN的最大电压为80V。OVSET端的分压器设置过压检测门限，内置电荷泵为低成本n沟道MOSFET的栅极驱动供电，从而降低系统成本。除了提供过压门限外，这些IC还提供了欠压检测门限。

在另一方案是采用门限可调的窗式电压限幅，图3给出了一个相关的应用范例。


图3. MAX6499配置为一个过压/欠压窗式检测器(左图)，其基本功能框图如右图所示。

这种情况下，限压电路可以防止MOSFET和负载工作在欠压和过压状态。可以严格限制输出电压范围(将其限制在较窄的范围内)，以降低对电压调节器输入范围的技术要求，从而降低电压调节器的设计成本。而在一些音频应用中，并不需要高精度的电压调节，对于这些应用，限压电路的设计可以省去稳压电路。

如上所述，分压器可以控制图2所示IC的输入电压，分压器也可以连接到限压器的输出端，如图4所示。在后面的例子中，分压器限制着负载上的电压而不是简单地将其切断。从其性能测试数据可以看出限压检测是周期性进行的。振荡周期由负载电容、负载电流决定，可在很宽的范围内变化。周期振荡包括两个阶段；第一个阶段使MOSFET进入有效模式，第二个阶段将其关闭。


图4. 器件配置成一个过压限幅保护开关，CIN = 100µF、COUT =10µF、ROUT = 100Ω。

图4所示电路配置使MOSFET周期性地进入有效模式，使功率耗散在MOSFET上，需要考虑MOSFET散热问题。基于这一原因，IC内部包含了门限约为+160°C的高温保护单元，当温度下降到+140°C以下时，电路恢复到正常模式。为了优化设计，IC应靠近MOSFET放置，使两者具有良好的热传导通路。

众所周知，电路板电源总线可能存在负向电压尖峰或正向电压尖峰。抑制负电压的保护电路可以采用无源器件或特殊IC。图5提供了MAX6496反向电压保护的内部结构。


图5. 利用MAX6496实现过压限制，具有电压跌落反向保护功能(左图)；右图为功能框图。

除了限制正向电压以外，MAX6496还包含一个p通道MOSFET栅极控制电路，可以在正电压时使MOSFET保持导通状态，而在负电压时保持关闭状态。在高负载电流、低输入电压情况下，这个电路比典型的肖特基二极管更实用。

结论

本文讨论的限压电路都提供了相应的特性参数，便于器件在各种场合的应用。每个限压电路在负载上电时允许72V的最大输入电压，而在负载切断时允许80V的最大输入电压。下表总结了限压IC的主要特性。

Part Number	Package	Quiescent Current, µA	MOSFET Type	Auto Retry	Latch Up	Programmable Voltage Limiter	Reverse Battery Protection	Undervoltage Switch-Off Threshold (V)	Integrated Voltage Regulator	Enable Input	PowerOK Output
MAX6495	6/TDFN	24	n		X	X		5
MAX6496	8/TDFN	24	n + p	X		X	X	5
MAX6497	8/TDFN	15	n		X			5			X
MAX6498	8/TDFN	15	n	X				5			X
MAX6499	8/TDFN	15	n	X	X	X		Adj
MAX6397	8/TDFN	37	n	X		X			X		X
MAX6398	6/TDFN	11	N	X		X
MAX6399	8/TDFN	10	N	X	X	X					X
MAX16010	8/TDFN	20	-							X	X
MAX16011	8/TDFN	20	-							X	X
MAX16012	6/TDFN	20	-								X
MAX16013	6/TDFN	20	P	X		X	X			X
MAX16014	6/TDFN	20	P		X		X			X