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汽车系统电源监控器的选择和使用
Selecting and Using Power Supply Supervisors in Automotive Systems

凌力尔特公司设计工程师 Andrew J. Thomas


汽车电源面临的挑战

汽车电源系统面临着诸多的挑战,这使得汽车电子产品的设计变得更加困难。在这些挑战中,首屈一指的就是电池系统有可能使由其供电的电子元件承受非常宽的电压和动态范围。根据环境的不同,一个电子元件可能要承受从 -14 V(如果电池极性倒置)到 60V(负载突降过程中)的电源电压,而且经历这些电源电压后,电子元件要完好无损。而当需要考虑成本和效率时,这将成为一个难以实现的要求。


汽车电源监控系统

电源监控器集成电路可成为许多汽车电源系统的一个有用组成部分。虽然人们在设计监控器时为其赋予了面向各种潜在应用的众多功能,但是,其功能基本上可以归结为:一旦IC的某个被监视的电压输入超出了其正常工作范围,则立即检测出来并通知其他的电路,以便这些电路根据所提供的信息采取相应的行动。汽车电源环境对监控器的选择有特殊的限制。下面将深入分析这些要求。

监控器应尽可能直接由电池电压供电。

监控器至少应能够监控像电池电压一样高的电压,而且在满足应用容差性的条件下报告欠压或过压故障。

监控器必须能正常处理汽车系统中比较高的干扰和其他高频含量。

另一方面,汽车系统通常不像其他应用(如手持设备)那样受到功率的限制,所以监控器的选择稍微容易一些。这意味着,如果可提供更适合应用的特性和性能,一个具有较高静态电流的监控器能被使用。

当使用高可用的电源供电时,监控器将最有效地工作。监控器需要确保将其监控的所有电源中发生的任何异常情况通知给系统中的所有其他电路。很显然,如果监控器本身不能供电,就无法满足这个要求。因此,为获得最好的可靠性,监控器应该由一种在所有条件下都可工作的电源供电。在汽车里,这种电源就是电池。

相对来说,很少有监控器可在 12V电源下直接工作(大部分应该是5V),几乎没有监控器可在电源发生 60V 负载突降的情况下幸免于难。某种类型的电源稳压器可以用来使监控器避免受到高电源电压的影响。理想的情况是,这个稳压器本身包括在监控器内,以减少监控器解决方案所使用的元件数量和占板空间。由于很难(最好条件下)找到一种可承受负载突降的内置稳压器,所以具有分流调节电源功能的元件是最好的选择。这些元件通常在电源引脚上有一个内置的齐纳二极管(或相等的器件),可保持电源电压处于合理状态,并且在电池和电源引脚之间需要一个串联降压电阻器。该方案具有双重优势,可在任意高的电源电压下工作,而且可固有地保护监控器免受电池反向的影响。


监控方式

在许多汽车系统中,监控器的一个重要功能就是监控电池电压,使电池电压维持在系统电路可接受的工作范围内。监控器可监控来自两方面的输入:内部设置或外部调整。内置门限允许用户可直接将监控输入引脚与被监控的电源连接起来,而无需任何外部元件。但是,监控门限必须选择内置形式。这些选择几乎常常基于标准逻辑电源(5V 以下),因此常常不适合电池监控。此外,如果把监控输入引脚直接连接到电池上,就必须承受 60V 的尖峰电压。

因为这些原因,外部可调整输入通常是一种更好的选择。调整输入的固定门限比较低,大约为 0.5V,但却是高阻抗输入,所以可与被监控电源的一个电阻分压器进行连接。这个分压器中的这些电阻器可以设置在任意高的电压监控门限值。外部分压器还提供了一种灵活性,即能够专门与所研究系统的特性(例如:无论其最低工作电压可至9.5V还是仅可至10V)相匹配来选择可接受的电源范围。分压器中比较大的电阻也会保护监控输入,使其在负载突降或其他异常事件条件下免受破坏电流的影响。


过压与欠压监控

电池监控输入也可能需要检测电池的过压或欠压情况。这两种情况很容易发生,而且都会削弱系统的功能。基本的监控器常常只提供欠压监控。如果过压监控门限的设置独立于欠压门限,则两个具有独立电阻分压器的外部可调整输入通常就必须用来检测欠压或过压。

即使在正常运行期间,汽车电源电压也有可能具有大量的高频分量,它们来自诸如时通时断的雨刮器马达和车前灯等负载、交流发电机输出所产生的纹波以及各种形式的EMI。监控器处理高频含量的形式可严重影响该监控器的有效性。例如,接近工作范围边缘电源电压的交流发电机波纹就是不受欢迎的方式,因为它可导致微处理器复位引脚以几千赫的频率跳变。从某种程度上说,利用监控门限的迟滞可以解决这个问题。这常常并不是一种理想的解决方案,因为迟滞等于门限准确度的下降,这将缩短系统的启动时间或要求放宽元件的工作电源范围。


波纹问题也可通过复位超时方法来缓解,这是监控器常有的。当一个电源从工作范围之外转换到工作范围之内时,在指示电源良好之前,监控器会等待一段预定的时间。如果电源在该超时周期中的任何时点再次脱离工作范围,则超时将被复位,并在下一次电压进入工作范围时重新开始。定时器可避免来自输出端的低于超时的任何高频行为。另一方面,定时器也可通过超时周期而延迟系统的启动和恢复,因此要想取得平衡就必须发挥电源和微处理器的特性。一些监控器可提供可调整的超时周期,以实现给定系统优化的折衷,而其他则来自工厂编程和固定超时(一般为 200ms),这可节省用户外部元件的设置时间。

最后,大多数模块都将继续通过短暂的电压瞬变在超过其正常工作范围的条件下工作,这主要取决于本地电源旁路电容器。此外,这个瞬变的可接受周期常常随振幅而改变。例如,一个系统可能要在 2V干扰条件下运行 50 s,或者在1V干扰下运行100 s。因为这个原因,许多监控器可提供某种输入干扰过滤,以响应电源干扰中的能量,而不仅仅是它的振幅。


LTC2909 监控器

作为一个应用实例,考虑一下凌力尔特公司非常适合汽车环境要求的 LTC2909 监控器。它有一个分流调节的电源引脚,以及为 UV 和 OV 检测配置的外部可调输入、多种超时选项和输入干扰过滤。图 1 是一个简单的应用。在这个应用中,不论电池电压下降到 10V 以下还是升到 16V 以上,该元件都可提供一个低态有效的故障信号,使系统避免因这些情况而受到影响。这些电压由电阻器R1~R3来设定,并可以容易地进行调整,这样,双电池跳变起动(在此期间VCC有可能为28V)就不会被认为是一种故障条件。超时周期可以由电容器 CTMR 确定为 20ms,有助于实现快速启动并抑制高于 50Hz 频率的周期性干扰。改变电容值可以获得更多干扰免疫性和更快速的启动。如果需要独立的过压和欠压故障输出,LTC2913 可提供类似的特性但有独立的输出,这也可以承受较高的电压。

图1(略)


图2所示是一个更为复杂的假设的电源系统,它展示了几种使用监控器的非传统的好方法。该图也显示出一个系统中的 3 个 LTC2909 所提供的过压、过流和过热保护及欠压系统复位。该系统采用 LT1641-2 热插拔控制器作为控制的电子断路器。IRLZ34 逻辑 NFET 作为分离开关,10m 检测电阻器将电流极限值设置在4.7A。在出现过流故障后,LT1641-2 可以在 160ms(由 CT 设置)延迟后重新连接。为了稍微降低一些复杂性,该系统没有为断路器元件集成电池反向保护。

图2 多功能电源监控系统实例(略)

左边的两个 LTC2909 负责监控过压和过热条件。为了保证这些正常功能,必须采用 12V 输入供电。VCC引脚是连接在一起的,电源电流仅流过一个降压电阻器,因此该电阻器上的电压往往将被调节至两个器件的调节电压当中较低的一个。

当任何一个电源电压出现过压,或者温度传感器的温度高于 85℃时,两个 LTC2909 中的一个就会拉低共享RST引脚。这将使 LT1641-2 ON 输入降低,断开电源开关。与此同时,通过Q2获得电流,接通Q1,这将触发2N6507 SCR,并由此把12V电源放电至系统,从而消除过压条件。在故障条件消失后,在 LTC2909 再次连接到 12V 输入之前会施加一个 200ms 的超时。

第三个LTC2909负责在三个电源中的任何一个处于欠压状态时向系统提供一个主控器复位信号,而不管这种欠压状态是由于输入电压不足还是由于其中某个保护故障发生跳变所致。第三个电源监视器门限由VCC欠压闭锁比较器提供,该门限与可调输入具有相似的准确度。

一个在室温下 100k 阻值的 Dale NTHS-1206N01 NTC 热敏电阻可用来检测温度,实际上它可以放置在任何需要监控温度的地方。这个热敏电阻是接地的缓冲基准输出电阻分压器的一部分。只要温度低于85℃,热敏电阻的阻值就比 RREF 大很多,所以 ADJ1 就会超过其门限,而且使RST升高。但是,如果温度升高,热敏电阻的阻抗就会下降,直到低至 ADJ1,在 85℃(或更高)时,其阻抗等于 RREF 就会引起复位。

电源监控器对汽车电子系统是非常有用的。监控器的正确使用能够避免监控器的异常电源条件处理这一难题,从而使得系统其余部分的设计更加简单、迅速和经济划算。汽车电源的挑战需要考虑监控器的选择和应用的一些特殊问题:大多数监控器根本不适合汽车环境。但是,也有一些非常适合汽车应用的监控器。知道如何选择和使用这些监控器可使设计者的工作更加容易。

《世界电子元器件》2006.9
         
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