作者：David Megaw，ADI公司高级设计工程师

简介

为汽车电子系统供电时，不但需要满足高可靠性要求，还需要应对相对不太稳定的电池电压，具有一定挑战性。与车辆电池连接的电子和机械系统具有差异性，可能导致标称12 V电源出现大幅电压偏移。事实上，在一定时间段内，12 V电源的变化范围为–14 V至+35 V，且可能出现+150 V至–220 V的电压峰值。其中有些浪涌和瞬变在日常使用中出现，其他则是因为故障或人为错误导致。无论起因为何，它们对汽车电子系统造成的损害难以诊断，修复成本也很高昂。

通过总结上个世纪的经验，汽车制造商对会干扰运行、造成损坏的电子状况和瞬变进行了分类。国际标准化组织（ISO）对这些行业知识进行编译，制定出适用于道路车辆的ISO 16750-2和ISO 7367-2规范。汽车电子控制单元（ECU）使用的电源至少应该能够承受这些状况，且不造成损坏。至于关键系统，则必须保持其功能性和容差。这需要电源能够通过瞬变调节输出电压，以保持ECU运行。理想情况下，完整的电源解决方案无需使用保险丝，可以 大限度降低功耗，且采用低静态电流，在不耗尽电池电量的情况下，支持系统始终保持开启。

ISO 16750-2汽车电子系统面临的状况

ADI公司发布了多份刊物，详细介绍ISO 7367-2和ISO 16750-2规范，以及如何使用LTspice模拟这些规范。1，2，3，4

在 近的迭代中，ISO 7367-2电磁兼容规范主要介绍来自相对较高的阻抗源（2 Ω至50 Ω）的大幅度（》100 V）、短时持续（150 ns至2 ms）瞬变。这些电压峰值通常可以使用无源组件消除。图1显示定义的ISO 7367-2脉冲1，电容对于PC电源的重要性是不言而喻的，以及增加的330 μF旁路电容。电容将尖峰幅度从–150 V降低至–16 V，完全在反向电池保护电路支持的范围内。ISO 7367-2脉冲2a、3a和3b的能耗远低于脉冲1，所需的抑制电容也更少。

图1.ISO 7367-2：带和不带330 μF旁路电容的脉冲1。

ISO 16750-2主要介绍来自低阻抗源的长脉冲。这些瞬变无法轻松过滤，通常需要使用基于稳压器的主动式解决方案。一些更具挑战性的测试包括：负载突降（测试4.6.4）、电池反接（测试4.7）、叠加交变电压测试（测试4.4），以及发动机启动工况（测试4.6.3）。图2显示了这些测试脉冲的视图。ISO 16750-2中所示条件的差异性，加上ECU对电压和电流的要求，通常需要合并使用这些方案，输出滤波的电容则需要容量更大的，以满足所有要求。

负载突降

负载突降（ISO 16750-2：测试4.6.4）属于严重的瞬态过压，模拟电池断开，但交流发电机提供大量电流的情况。负载突降期间的峰值电压被分为受抑制电压或未受抑制电压，由3相交流发电机的输出是否使用雪崩二极管来决定。受抑制的负载突降脉冲限制在35 V，不受抑制的脉冲峰值范围则为79 V至101 V。无论是哪种情况，因为交流发电器定子绕组中存储了大量电磁能量，所以可能需要400 ms进行恢复。虽然大部分汽车制造商使用雪崩二极管，但随着人们对可靠性的要求不断增高，使得一些制造商要求ECU的峰值负载突降电压必须接近未受抑制情况下的电压。

解决负载突降问题的解决方案之一就是添加瞬变电压抑制器（TVS）二极管，从局部箝位ECU电源。更紧凑、容差更严格的方法则是使用主动浪涌抑制器，例如LTC4364，该抑制器以线性方式控制串接的N通道MOSFET，将 大输出电压箝位至用户配置的水平（例如，27 V）。浪涌抑制器可以帮助断开输出，支持可配置限流值和欠压锁定，且可使用背靠背NFET提供通常需要的反向电池保护。

对于线性稳压功率器件，例如浪涌抑制器，存在的隐患在于，在负载突降期间限制输出电压，或者在短路输出期间限制电流时，N通道MOSFET可能功耗较大。功率MOSFET的安全工作区域（SOA）限制 终会限制浪涌抑制器能够提供的 大电流。它还给出了在N通道MOSFET必须关闭，以避免造成损坏之前，必须保持稳压的时长限制（通常使用可配置定时器引脚设置）。这些SOA导致的限制随着工作电压升高变得更加严重，增加了浪涌抑制器在24 V和48 V系统中使用的难度。

更具扩展性的方法使用降压稳压器，消费者需要支付的电费也是相同的，该稳压器可在42 V输入下运行，例如LT8640S。开关稳压器与线性稳压器不同，因此从原则上来说，并无MOSFET SOA限制，但显然它更加复杂。降压稳压器的效率支持实施大电流操作，其顶部开关则允许输出断开，之所以这么叫是因为其是直接插入主板上的，并支持电流限制。至于降压稳压器静态电流问题，已由 新一代器件解决，这些器件仅消耗几微安电流，在无负载条件下也保持稳压。通过使用Silent Switcher技术和展频技术，薄的化氧化膜作介质的电容器.因为氧化膜有单向导电性质,所以电解电容器具有极性.容量大，开关噪声问题也得到大幅改善。

此外，有些降压稳压器能按占空比运行，保证顶部开关持续开启，通过电感将输入电压传输到输出。在过压或过流条件下，会触发开关操作，以分别限制输出电压或电流。这些降压稳压器（例如LTC7862）作为开关浪涌抑制器使用，实现低噪声、低损耗操作，同时保持开关模式电源的可靠性。

图2.一些更严格的ISO 16750-2测试的概述。

反向电压

当电池终端或跳线因为操作员故障反向连接时，会发生反向电压条件（也称为反向电池条件）。相关的ISO 16750-2脉冲（测试4.7）反复对DUT施加–14 V电压，每次60秒。关于此测试，有些制造商增加了自己的动态版本，在突然施加反向偏置（–4 V）之前，先起始地为此器件供电（例如，VIN = 10.8 V）。

快速研究数据手册后发现，很少有IC设计可以接受反向偏置，其中IC的绝对 小引脚电压一般限制在–0.3 V。低于地的电压如果超过一个二极管的电压，会导致额外电流流过内部结，例如ESD保护器件和功率MOSFET的体二极管。在反向电池条件下，极化旁路电容（例如铝电解电容）也可能受到损坏。

肖特基二极管可以防止反向电流，但在正常运行期间，正向电流更高时，这种方法会导致更大功耗。图3所示为基于串接P通道MOSFET的简单保护方案，这种方案可以降低功耗损失，但在低输入电压下（例如，发动机启动），因为器件阈值电压的原因，这种方案可能无法顺畅运行。更加有效的方法是使用理想的二极管控制器（例如LTC4376），以驱动串行N通道MOSFET，该MOSFET在负电压时切断输入电压。正常运行期间，理想二极管控制器调节N通道MOSFET的源漏电压降低到30 mV或更低，将正向压降和功耗降低超过一个数量级（相比肖特基二极管）。