采用箝位电路抑制车载电压瞬变

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由车载电气系统供电的电路必须能耐受严酷的环境。电压瞬变有可能是随机的,或重复性的。重复性的瞬变(例如引擎的转动)可能产生数百伏特的电压,但对于车载电子组件来说,*为剧烈的瞬变来源于负载倾卸(load dump)。

负载倾卸是急促的能量卸放,由于交流电机在为负载提供充电电流期间电池突然性的断开所导致。并且,车辆“借电”(jump starTIng,又称跳线跨接启动)也有可能因使用串联堆积式电池而导致一种过压状态。其它的瞬变可能源于点火系统的噪声、继电器开启及关闭以及诸如保险丝熔断等单稳态事件。

值得庆幸的是,*为剧烈的大能量瞬变可通过核心的抑制器进行处理;典型的抑制器被置于重要的(以及昂贵的)组件附近,具有高阻抗的通路连接到卸放源。车载的抑制器必须能够耐受峰值功率耗散超过1,500W的重复性负载卸放,并限制电池电源轨偏移小于±40V。

附加的保护电路常常是必需的,可更为有效的限制电压导轨。二极管反极性串行连接到附加的负载电路,可以分离电源导轨并有效地隔断反相的电压尖峰。设计人员将瞬变箝位至低于+40V的结论取决于电路所接受的电压。该电压接受功率的DC/DC稳压器必须能够耐受至少+40V的电压,以防止功率元件及控制电路产生过压(overstressing)。绝大多数的现代脉宽调制控制器(PWM)均能耐受超过+40V的电压,而无需损失任何有益的特性(例如同步运作,可能是满足设计某些特定目标的条件)。

限流电阻及箝位齐纳二极管典型地应用于小负载电流电路,一般来说低于0.1A,以确保串联电阻不产生过多的能量损耗。下图所描绘的电路提供了一个箝位输入电压至所期望的*大电压值的方法,同时仍可保持较大的电流输出能力并使得“典型的”非瞬变运转时的电路损耗*小化。

此电压箝位电路限制输出电压至27V

上图所示的电路设计限制输出电压至27V,由齐纳二极管D2限定。该输出电压旨在为**额定*大值为30V的DC/DC转换器提供电源。对于12V静态电压的输入,晶体管Q2处于“关闭”状态,电阻R3将P道沟FET管Q1的门极下拉至地,开启Q1。

输入电压高于3V时,Q1开始引导电流,并至少增强至4.5V。穿过Q1所引起的电压降非常低,其值取决于额定的Rds-on及输出负载电流。例如,3A的负载所引起的Q1两端的电压降仅为0.16V,而此时的输入为14V。二极管D1用于保护FET Q1,避免在高输入电压状态下Q1的门极—源极电压超过*大限额20V。对于输入电压不超过20V的设计,D1可以免去。

由于输入电压的升高,输出也将随之升高直至某数值,齐纳二极管D2击穿并开始引导电流。此时,输出电压被钳位为齐纳二极管D2、电阻R4、R6的电压之和。而R4及R6两端的总电压仅为0.6V左右。

晶体管Q3采用了射极跟随(emitter follower)的配置,因而电流增益近乎为1。由于集极电流流经Q3,使Q2产生偏置,并开始降低FET Q1的门极—源极电压。由于FET Q1对流经其本身的、过高的输入到输出电压的抑制(起了线性稳压器的作用),使得输出电压被保持在了27.6V。随着输入电压的增加,输出电压不再增加,因为额外的电流将流经齐纳二极管D2并迫使Q2降低Q1的门极—源极驱动电压。该闭环反馈防止了输出电压继续变化。

系统稳定性

当涉及到负反馈闭环控制系统之时,稳定性对于可预测的、可靠的运行是至关重要的。闭环增益及相位裕度(phase margin)决定了系统对外部干扰响应的优良程度,例如输入电压的改变。

晶体管Q3旨在配置作为单位增益以防止反馈通路引入过量的增益。晶体管Q2提供了等于其β值的电流增益,其典型值的范围处于50至200之间。FET Q1同样提供了等于其跨导乘上输出负载阻抗的增益。该增益也处于200的量级。总的闭环直流增益由上述两增益项决定,数值巨大,超过80dB。负载阻抗及输出电容所引起的传递函数极点使得FET Q1的增益在大于50Hz时以-1的斜率(或-20dB/十倍程[decade])滚降。输出电容的等效串联电阻(ESR)同样增加了一个零点,其位置由ESR及其自身电容值确定。从而使得输出的频率响应平坦带超过了6kHz。精细的修整Q2增益的频率响应可给出一个可接受的总体闭环频率响应。

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