引言

由于人們追求更高的安全性、先進的信息娛樂連接功能、自動駕駛技術的創新以及越來越重視環境可持續性和車輛性能提升，因此電子電路在汽車系統中的應用越來越廣泛。這些電子電路從車輛的蓄電池取電，由于電氣負載突變（例如發動機啟動或激活大功率配件）、交流發電機電壓波動以及外部影響（例如電氣干擾）等因素，可能會引起瞬變。負載突降脈沖（高能瞬態）被認為是 ISO 16750-2 中定義的最具破壞性的脈沖之一。負載突降脈沖包括測試 A 和測試 B，先前在 ISO 7637-2 中將其指定為 5A 和 5B。本應用簡報提供了有關使用 LM74930-Q1 保護 24V 系統中的汽車下行子系統免受負載突降脈沖影響的指導。

未抑制的負載突降

當發電機向其輸送電流的負載突然斷開時，就會發生負載突降。在汽車電子產品中，這適用于在交流發電機為已連接其他電氣負載的電池充電時斷開電池。圖 1 所示為交流發電機與電池斷開連接時的典型負載突降情況。

一些汽車系統包含集中式負載突降抑制功能，可以在 12V 電池系統中將峰值浪涌電壓鉗位到 35V，在 28V 電池系統中將峰值浪涌電壓鉗位到 58V。在缺少這種集中式抑制功能的設計中，浪涌電壓可能會表現出更高的峰值電壓。ISO 16750-2 標準負載突降測試 A 中定義了未抑制的負載突降瞬變，電壓曲線如圖 2 所示。

表 1 列出了 12V 和 24V 電池系統的 ISO 16750-2 負載突降測試 A 的典型值。

在沒有集中式負載突降抑制方案的 24V 電池系統中，負載突降期間的浪涌電壓可高達 202V，并根據具體的測試條件持續 100 毫秒至 350 毫秒，這會導致嚴重的能量浪涌，從而對下游電氣元件構成威脅。

使用 LM74930-Q1 防止未抑制的負載突降

保護汽車電子子系統免受未抑制的負載突降影響的基本方法是使用瞬態電壓抑制器。TVS 二極管吸收瞬態脈沖能量并將電壓鉗制在下游元件的絕對最大電壓范圍內。TVS 中耗散的能量取決于負載突降源的峰值瞬態電壓、鉗位電壓、脈沖持續時間和輸入阻抗。要找到一個具有所需峰值額定功率和脈沖持續時間額定值的 TVS 二極管來有效吸收脈沖的最大能量，可能并非易事。ISO 16750-2 規范要求系統在一分鐘的間隔內承受 10 個連續脈沖，并且 TVS 二極管在每次發生負載突降事件后都可能會降級，這讓問題變得更加復雜。需要多個高功率 TVS 棧（尺寸與 SMD 相同）才能鉗位到安全水平，從而導致整體設計尺寸和前端保護電路 BoM 成本增加。因此，要設計一種具有成本效益、尺寸合理且能夠有效屏蔽負載突降脈沖的系統，僅依靠 TVS 二極管并不容易實現。

直接由電池電源供電的汽車子系統通常在前端采用理想的二極管電路，可在感性負載與電池斷開連接期間保護下游電路免受電池反向連接或動態反極性條件的影響。TI 的 LM74930-Q1 理想二極管控制器設計（除了反向電池保護和反向電流阻斷之外）可以使用串聯電源路徑保護技術來保護子系統免受未抑制的負載突降的影響。該器件還提供過流和短路保護，適用于高功率應用。如圖 3 所示，LM74930-Q1 配置為共源極拓撲，可提供 200V 未抑制負載突降保護以及反向電池保護。

MOSFET Q1 用于關斷輸出電壓或將輸出電壓鉗位到可接受的安全水平，并保護 MOSFET Q2 和下游電路免受 200V 輸入瞬態的影響。請注意，在電路中，只有 VS 引腳承受 200V 電壓，必須對該引腳進行保護。一個串聯 10k? 電阻器和一個額定電壓為 60V 的齊納二極管跨接在 VS 至 GND 之間，將 VS 引腳上的電壓鉗制在器件的建議工作電壓范圍內。電路的其余部分不會承受更高的電壓，因為 MOSFET Q1 可以完全關斷，也可以將輸出電壓鉗位到安全電平。通過調整 R3 和 R4 電阻器，可以使用過壓閾值來設置允許通過 MOSFET 的最大電壓。梯形電阻連接到輸入電源側時，電路將以過壓切斷模式工作。連接到 VOUT 側，電路在 VOUT 鉗位模式下運行。VOUT 鉗位通過遲滯輸出開和關控制來實現，在這種控制中，當輸出電壓上升到高于過壓上升閾值時開啟 HGATE，當輸出電壓下降到低于過壓下降閾值時關閉 HGATE。

如果在輸出截止設計中當存在負載突降瞬態時輸出可達到 0V，則 MOSFET Q1 的 VDS 最小額定值必須為 200V，而當輸出鉗位到 37V (±1.5V) 時，該最小額定值必須為 164.5V。圖 4 和圖 5 分別顯示了使用 VOUT 鉗位和過壓切斷運行模式時的未抑制負載突降保護。

對于輸出被鉗位的設計，MOSFET Q1 中的功率耗散至關重要。必須考慮 MOSFET 的安全工作區 (SOA) 特性，確保留有足夠的設計裕度以實現可靠運行。LM74930-Q1 還通過可編程計時器和斷路器功能支持過壓鉗位運行。要使器件在過壓鉗位下通過斷路器功能運行，請將 OVCLAMP 引腳連接到 OV 引腳。OVCLAMP 特性允許用戶根據 MOSFET 電源處理能力選擇過壓鉗位運行的持續時間，從而確保其在 SOA 內運行。圖 6 展示了采用 30ms 計時器和斷路器功能的 VOUT 鉗位運行情況。

總結

為了確保汽車應用中乘客的安全，電子子系統必須在所有情況下可靠運行。為了實現這一點，制造商必須開發穩健的子系統保護機制，以保護下游元件免受高能瞬態脈沖（例如未抑制的負載突降脈沖）的損壞。對于高功率應用，LM74930-Q1 理想二極管控制器可驅動采用共源極拓撲連接的背對背外部 N 溝道 MOSFET，是一款極具吸引力的前端保護設計，可應對 200V 未抑制的負載突降。設計人員可以選擇其中一種運行模式：輸出切斷、輸出鉗位和帶有斷路器的輸出鉗位，來保護下游系統，同時保持 MOSFET 的安全運行。ISO 16750-2 負載突降脈沖 A 在各種工作模式下的測試結果展示了基于 LM74930-Q1 的保護設計的恢復能力。