| 凌力爾特公司設計工程師 Andrew J. Thomas 汽車電源面臨的挑戰(zhàn) 汽車電源系統(tǒng)面臨著諸多的挑戰(zhàn),這使得汽車電子產(chǎn)品的設計變得更加困難。在這些挑戰(zhàn)中,首屈一指的就是電池系統(tǒng)有可能使由其供電的電子元件承受非常寬的電壓和動態(tài)范圍。根據(jù)環(huán)境的不同,一個電子元件可能要承受從 -14 V(如果電池極性倒置)到 60V(負載突降過程中)的電源電壓,而且經(jīng)歷這些電源電壓后,電子元件要完好無損。而當需要考慮成本和效率時,這將成為一個難以實現(xiàn)的要求。 汽車電源監(jiān)控系統(tǒng) 電源監(jiān)控器集成電路可成為許多汽車電源系統(tǒng)的一個有用組成部分。雖然人們在設計監(jiān)控器時為其賦予了面向各種潛在應用的眾多功能,但是,其功能基本上可以歸結為：一旦IC的某個被監(jiān)視的電壓輸入超出了其正常工作范圍,則立即檢測出來并通知其他的電路,以便這些電路根據(jù)所提供的信息采取相應的行動。汽車電源環(huán)境對監(jiān)控器的選擇有特殊的限制。下面將深入分析這些要求。 監(jiān)控器應盡可能直接由電池電壓供電。 監(jiān)控器至少應能夠監(jiān)控像電池電壓一樣高的電壓,而且在滿足應用容差性的條件下報告欠壓或過壓故障。 監(jiān)控器必須能正常處理汽車系統(tǒng)中比較高的干擾和其他高頻含量。 另一方面,汽車系統(tǒng)通常不像其他應用（如手持設備）那樣受到功率的限制,所以監(jiān)控器的選擇稍微容易一些。這意味著,如果可提供更適合應用的特性和性能,一個具有較高靜態(tài)電流的監(jiān)控器能被使用。 當使用高可用的電源供電時,監(jiān)控器將最有效地工作。監(jiān)控器需要確保將其監(jiān)控的所有電源中發(fā)生的任何異常情況通知給系統(tǒng)中的所有其他電路。很顯然,如果監(jiān)控器本身不能供電,就無法滿足這個要求。因此,為獲得最好的可靠性,監(jiān)控器應該由一種在所有條件下都可工作的電源供電。在汽車里,這種電源就是電池。 相對來說,很少有監(jiān)控器可在 12V電源下直接工作（大部分應該是5V）,幾乎沒有監(jiān)控器可在電源發(fā)生 60V 負載突降的情況下幸免于難。某種類型的電源穩(wěn)壓器可以用來使監(jiān)控器避免受到高電源電壓的影響。理想的情況是,這個穩(wěn)壓器本身包括在監(jiān)控器內(nèi),以減少監(jiān)控器解決方案所使用的元件數(shù)量和占板空間。由于很難（最好條件下）找到一種可承受負載突降的內(nèi)置穩(wěn)壓器,所以具有分流調節(jié)電源功能的元件是最好的選擇。這些元件通常在電源引腳上有一個內(nèi)置的齊納二極管（或相等的器件）,可保持電源電壓處于合理狀態(tài),并且在電池和電源引腳之間需要一個串聯(lián)降壓電阻器。該方案具有雙重優(yōu)勢,可在任意高的電源電壓下工作,而且可固有地保護監(jiān)控器免受電池反向的影響。 監(jiān)控方式 在許多汽車系統(tǒng)中,監(jiān)控器的一個重要功能就是監(jiān)控電池電壓,使電池電壓維持在系統(tǒng)電路可接受的工作范圍內(nèi)。監(jiān)控器可監(jiān)控來自兩方面的輸入：內(nèi)部設置或外部調整。內(nèi)置門限允許用戶可直接將監(jiān)控輸入引腳與被監(jiān)控的電源連接起來,而無需任何外部元件。但是,監(jiān)控門限必須選擇內(nèi)置形式。這些選擇幾乎常常基于標準邏輯電源（5V 以下）,因此常常不適合電池監(jiān)控。此外,如果把監(jiān)控輸入引腳直接連接到電池上,就必須承受 60V 的尖峰電壓。 因為這些原因,外部可調整輸入通常是一種更好的選擇。調整輸入的固定門限比較低,大約為 0.5V,但卻是高阻抗輸入,所以可與被監(jiān)控電源的一個電阻分壓器進行連接。這個分壓器中的這些電阻器可以設置在任意高的電壓監(jiān)控門限值。外部分壓器還提供了一種靈活性,即能夠專門與所研究系統(tǒng)的特性（例如：無論其最低工作電壓可至9.5V還是僅可至10V）相匹配來選擇可接受的電源范圍。分壓器中比較大的電阻也會保護監(jiān)控輸入,使其在負載突降或其他異常事件條件下免受破壞電流的影響。 過壓與欠壓監(jiān)控 電池監(jiān)控輸入也可能需要檢測電池的過壓或欠壓情況。這兩種情況很容易發(fā)生,而且都會削弱系統(tǒng)的功能�；镜谋O(jiān)控器常常只提供欠壓監(jiān)控。如果過壓監(jiān)控門限的設置獨立于欠壓門限,則兩個具有獨立電阻分壓器的外部可調整輸入通常就必須用來檢測欠壓或過壓。 即使在正常運行期間,汽車電源電壓也有可能具有大量的高頻分量,它們來自諸如時通時斷的雨刮器馬達和車前燈等負載、交流發(fā)電機輸出所產(chǎn)生的紋波以及各種形式的EMI。監(jiān)控器處理高頻含量的形式可嚴重影響該監(jiān)控器的有效性。例如,接近工作范圍邊緣電源電壓的交流發(fā)電機波紋就是不受歡迎的方式,因為它可導致微處理器復位引腳以幾千赫的頻率跳變。從某種程度上說,利用監(jiān)控門限的遲滯可以解決這個問題。這常常并不是一種理想的解決方案,因為遲滯等于門限準確度的下降,這將縮短系統(tǒng)的啟動時間或要求放寬元件的工作電源范圍。 波紋問題也可通過復位超時方法來緩解,這是監(jiān)控器常有的。當一個電源從工作范圍之外轉換到工作范圍之內(nèi)時,在指示電源良好之前,監(jiān)控器會等待一段預定的時間。如果電源在該超時周期中的任何時點再次脫離工作范圍,則超時將被復位,并在下一次電壓進入工作范圍時重新開始。定時器可避免來自輸出端的低于超時的任何高頻行為。另一方面,定時器也可通過超時周期而延遲系統(tǒng)的啟動和恢復,因此要想取得平衡就必須發(fā)揮電源和微處理器的特性。一些監(jiān)控器可提供可調整的超時周期,以實現(xiàn)給定系統(tǒng)優(yōu)化的折衷,而其他則來自工廠編程和固定超時（一般為 200ms）,這可節(jié)省用戶外部元件的設置時間。 最后,大多數(shù)模塊都將繼續(xù)通過短暫的電壓瞬變在超過其正常工作范圍的條件下工作,這主要取決于本地電源旁路電容器。此外,這個瞬變的可接受周期常常隨振幅而改變。例如,一個系統(tǒng)可能要在 2V干擾條件下運行 50 s,或者在1V干擾下運行100 s。因為這個原因,許多監(jiān)控器可提供某種輸入干擾過濾,以響應電源干擾中的能量,而不僅僅是它的振幅。 LTC2909 監(jiān)控器 作為一個應用實例,考慮一下凌力爾特公司非常適合汽車環(huán)境要求的 LTC2909 監(jiān)控器。它有一個分流調節(jié)的電源引腳,以及為 UV 和 OV 檢測配置的外部可調輸入、多種超時選項和輸入干擾過濾。圖 1 是一個簡單的應用。在這個應用中,不論電池電壓下降到 10V 以下還是升到 16V 以上,該元件都可提供一個低態(tài)有效的故障信號,使系統(tǒng)避免因這些情況而受到影響。這些電壓由電阻器R1～R3來設定,并可以容易地進行調整,這樣,雙電池跳變起動（在此期間VCC有可能為28V）就不會被認為是一種故障條件。超時周期可以由電容器 CTMR 確定為 20ms,有助于實現(xiàn)快速啟動并抑制高于 50Hz 頻率的周期性干擾。改變電容值可以獲得更多干擾免疫性和更快速的啟動。如果需要獨立的過壓和欠壓故障輸出,LTC2913 可提供類似的特性但有獨立的輸出,這也可以承受較高的電壓。 
圖2所示是一個更為復雜的假設的電源系統(tǒng),它展示了幾種使用監(jiān)控器的非傳統(tǒng)的好方法。該圖也顯示出一個系統(tǒng)中的 3 個 LTC2909 所提供的過壓、過流和過熱保護及欠壓系統(tǒng)復位。該系統(tǒng)采用 LT1641-2 熱插拔控制器作為控制的電子斷路器。IRLZ34 邏輯 NFET 作為分離開關,10m 檢測電阻器將電流極限值設置在4.7A。在出現(xiàn)過流故障后,LT1641-2 可以在 160ms（由 CT 設置）延遲后重新連接。為了稍微降低一些復雜性,該系統(tǒng)沒有為斷路器元件集成電池反向保護。 
左邊的兩個 LTC2909 負責監(jiān)控過壓和過熱條件。為了保證這些正常功能,必須采用 12V 輸入供電。VCC引腳是連接在一起的,電源電流僅流過一個降壓電阻器,因此該電阻器上的電壓往往將被調節(jié)至兩個器件的調節(jié)電壓當中較低的一個。
當任何一個電源電壓出現(xiàn)過壓,或者溫度傳感器的溫度高于 85℃時,兩個 LTC2909 中的一個就會拉低共享RST引腳。這將使 LT1641-2 ON 輸入降低,斷開電源開關。與此同時,通過Q2獲得電流,接通Q1,這將觸發(fā)2N6507 SCR,并由此把12V電源放電至系統(tǒng),從而消除過壓條件。在故障條件消失后,在 LTC2909 再次連接到 12V 輸入之前會施加一個 200ms 的超時。 第三個LTC2909負責在三個電源中的任何一個處于欠壓狀態(tài)時向系統(tǒng)提供一個主控器復位信號,而不管這種欠壓狀態(tài)是由于輸入電壓不足還是由于其中某個保護故障發(fā)生跳變所致。第三個電源監(jiān)視器門限由VCC欠壓閉鎖比較器提供,該門限與可調輸入具有相似的準確度。 一個在室溫下 100k 阻值的 Dale NTHS-1206N01 NTC 熱敏電阻可用來檢測溫度,實際上它可以放置在任何需要監(jiān)控溫度的地方。這個熱敏電阻是接地的緩沖基準輸出電阻分壓器的一部分。只要溫度低于85℃,熱敏電阻的阻值就比 RREF 大很多,所以 ADJ1 就會超過其門限,而且使RST升高。但是,如果溫度升高,熱敏電阻的阻抗就會下降,直到低至 ADJ1,在 85℃(或更高)時,其阻抗等于 RREF 就會引起復位。 電源監(jiān)控器對汽車電子系統(tǒng)是非常有用的。監(jiān)控器的正確使用能夠避免監(jiān)控器的異常電源條件處理這一難題,從而使得系統(tǒng)其余部分的設計更加簡單、迅速和經(jīng)濟劃算。汽車電源的挑戰(zhàn)需要考慮監(jiān)控器的選擇和應用的一些特殊問題：大多數(shù)監(jiān)控器根本不適合汽車環(huán)境。但是,也有一些非常適合汽車應用的監(jiān)控器。知道如何選擇和使用這些監(jiān)控器可使設計者的工作更加容易。 |
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