作者： 德州儀器 Alexis Magana Lemus
今天在世上某處，一位工程師正在構想一套五年內不可能實現的車載資訊娛樂系統，因為其電源需求在今天僅止於理論。在車載資訊娛樂系統的複雜度與電子功能與時俱進的同時，其積體電路（ICs）數量也隨之提升，這些電路都仰賴12-V電池的電源。
設計這些電源架構需要導入電源調節與保護機制，以確保系統在面臨各種瞬態事件時仍正常運作。
本文將回顧可能造成影響的典型瞬態事件，以及TI將如何協助解決瞬態保護的需求。
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典型瞬態事件
瞬態事件可能在四種常見情境下發生，
圖1所示為第一種情境，即負載突降事件，肇因於更換電池時，電池與交流發電機分離。負載突降事件會造成電壓上升，像交流發電機的中央鉗位電壓，最高會升到35V。
圖1：12-V系統負載突降事件的電壓變化
圖2所示為第二種情境，即巨大負電壓峰值（例如國際標準化組織〔ISO〕7637-2測試脈衝1）；當電源切斷時，與電感性負載並聯的模組中會出現此情況。
圖2：ISO 7637-2測試脈衝
圖3所示為第三種情境，即系統的大電容值在發動時造成突入電流，可能會導致電流提高，因為電容正在充電。
圖3：發動時大電容性負載的突入電流變化
第四種情境是電池電壓下降，圖4為冷起動，即引擎在低溫環境發動。
圖4：典型冷啟動波型
瞬態保護
瞬態保護的其中一種作法是使用理想二極體控制器。如圖5所示，使用電流感測放大器搭配理想二極體控制器，可以提供額外的過電流保護，是一個全方位保護解決方案，可以放在任何濾波器與電源調節元件之前。
圖5：車用瞬態過電流保護濾波器之保護方塊圖
負載突降保護
LM74810-Q1透過可調整的過電壓功能，提供受抑制負載突降事件保護。如圖6所示，LM74810-Q1有OV針腳，作為偵測過電壓事件的比較器，它可以關閉驅動Q2金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）的HGATE電壓。調整連接至OV的電阻分壓器來設定偏好的閾值，好讓下游輸入端不能抵抗瞬態電壓的低電壓元件可以運作。LM74810-Q1裝置的可接受的最大電壓為65V，並可以在35V的尖峰瞬態事件中持續運作。
圖6：LM74800搭配過電壓保護之典型方塊圖
負電壓瞬態保護
LM74810-Q1搭載適合的MOSFET與輸入瞬態電壓抑制（TVS），可以保護系統免受大負電壓瞬態（如ISO 7637-2測試脈衝1）損害。如果輸入電壓為負值，LM74810-Q1將關閉，並拉低DGATE。圖6中，Q1的本體二極體會繼而提供系統反向電壓保護，避免發生反向電流。一旦輸入電壓恢復正常，LM74810-Q1會重新開啟，讓MOSFETs正常運作。
若要在ISO 7637-2測試脈衝1的大負電壓脈衝下（一般超過-100V）保護LM74810-Q1，需要一個TVS二極體。輸入TVS的分壓應高於負載突降條件35V，但低於LM74810-Q1最高額定電壓65V。負電壓狀況下，TVS二極體分壓應高於電池反接狀態下的電壓，但低到讓TVS的負鉗位電壓不致超過Q1 MOSFET的電壓。
突入電流限制
LM74810-Q1包含突入電流限制功能，可控制發動時的電流。根據輸出端電容值的不同，此功能可限制電流，確保元件不至於承受超過安全操作的電流。
如圖7所示，在LM74810-Q1的HGATE放一個電阻電容（RC），可以拖慢發動時的斜升電壓，藉此實現突入電流限制。
圖7：LM7480x-Q1的突入電流限制
過電流保護
INA302-Q1透過兩個獨立可調整的閾值比較器輸出，提供過電流保護。把低電位作動比較器的輸出接上LM74810-Q1的觸發針腳，就能使MOSFETs在遭遇過電流狀況時關閉。ALERT2比較器可以彈性調整輸出訊號延遲，避免在正常操作情境下的小幅電流上升誤觸過電流保護機制。要調整延遲時間的長短，可以透過裝置DELAY針腳所連接的電容大小來調整，而過電流事件的閾值可以透過INA302-Q1的ILIM針腳調整，參考圖8的R5。
圖8：導入可調整的過電壓與過電流保護
低電壓瞬態保護
冷起動與熱起動事件可能造成系統出現瞬間低電壓，在此狀況下，若輸入電位低於輸出電位，就可能造成電流逆流，危害系統正常功能。輸出電位會因輸出端電容值而拉低，所以需要阻擋逆向電流，以確保電流不會流回電池。
LM74810-Q1可以透過不斷監測Q1 MOSFET的A與C針腳之間的電位差，提供電流保護。如圖9與10所示，正常操作下Q1兩端的電位差是正的，電流流向負載。當輸入比輸出低、可能產生逆向電流的狀況發生時，LM74810-Q1會在Q1兩端壓差達到-4.5mV的時候快速反應，關閉MOSFET，藉此保護DC逆向電流。
圖9：LM74810-Q1監視Q1 MOSFET的壓差，以確保不會發生DC逆向電流
圖10：當MOSFET兩端壓差達到-4.5mV時，驅動Q1閘極的DGATE會拉低，阻擋逆向電流
嚴峻車用環境中的設計彈性
系統有了先進的輸入端保護，設計就能更有彈性。這些保護裝置驅動車用領域的創新，因為系統其他部分可以有更多選擇，不用擔心功能失常或缺乏可以應付車內嚴峻電子環境的保護措施。
另外，比起分離式設計，一個如本文所述精巧的雙裝置保護系統，可以大大減少整個產品的體積。產品體積小，就能讓出更多空間，也能讓資訊娛樂系統有更多創新。
除了保護您的系統，我們也希望這個設計能催生您下一代產品設計。
參考設計請見「車用瞬態過電流保護濾波器參考設計」。