引言

由于人们追求更高的安全性、先进的信息娱乐连接功能、自动驾驶技术的创新以及越来越重视环境可持续性和车辆性能提升，因此电子电路在汽车系统中的应用越来越广泛。这些电子电路从车辆的蓄电池取电，由于电气负载突变（例如发动机启动或激活大功率配件）、交流发电机电压波动以及外部影响（例如电气干扰）等因素，可能会引起瞬变。负载突降脉冲（高能瞬态）被认为是 ISO 16750-2 中定义的最具破坏性的脉冲之一。负载突降脉冲包括测试 A 和测试 B，先前在 ISO 7637-2 中将其指定为 5A 和 5B。本应用简报提供了有关使用 LM74930-Q1 保护 24V 系统中的汽车下行子系统免受负载突降脉冲影响的指导。

未抑制的负载突降

当发电机向其输送电流的负载突然断开时，就会发生负载突降。在汽车电子产品中，这适用于在交流发电机为已连接其他电气负载的电池充电时断开电池。图 1 所示为交流发电机与电池断开连接时的典型负载突降情况。

一些汽车系统包含集中式负载突降抑制功能，可以在 12V 电池系统中将峰值浪涌电压钳位到 35V，在 28V 电池系统中将峰值浪涌电压钳位到 58V。在缺少这种集中式抑制功能的设计中，浪涌电压可能会表现出更高的峰值电压。ISO 16750-2 标准负载突降测试 A 中定义了未抑制的负载突降瞬变，电压曲线如图 2 所示。

表 1 列出了 12V 和 24V 电池系统的 ISO 16750-2 负载突降测试 A 的典型值。

在没有集中式负载突降抑制方案的 24V 电池系统中，负载突降期间的浪涌电压可高达 202V，并根据具体的测试条件持续 100 毫秒至 350 毫秒，这会导致严重的能量浪涌，从而对下游电气元件构成威胁。

使用 LM74930-Q1 防止未抑制的负载突降

保护汽车电子子系统免受未抑制的负载突降影响的基本方法是使用瞬态电压抑制器。TVS 二极管吸收瞬态脉冲能量并将电压钳制在下游元件的绝对最大电压范围内。TVS 中耗散的能量取决于负载突降源的峰值瞬态电压、钳位电压、脉冲持续时间和输入阻抗。要找到一个具有所需峰值额定功率和脉冲持续时间额定值的 TVS 二极管来有效吸收脉冲的最大能量，可能并非易事。ISO 16750-2 规范要求系统在一分钟的间隔内承受 10 个连续脉冲，并且 TVS 二极管在每次发生负载突降事件后都可能会降级，这让问题变得更加复杂。需要多个高功率 TVS 栈（尺寸与 SMD 相同）才能钳位到安全水平，从而导致整体设计尺寸和前端保护电路 BoM 成本增加。因此，要设计一种具有成本效益、尺寸合理且能够有效屏蔽负载突降脉冲的系统，仅依靠 TVS 二极管并不容易实现。

直接由电池电源供电的汽车子系统通常在前端采用理想的二极管电路，可在感性负载与电池断开连接期间保护下游电路免受电池反向连接或动态反极性条件的影响。TI 的 LM74930-Q1 理想二极管控制器设计（除了反向电池保护和反向电流阻断之外）可以使用串联电源路径保护技术来保护子系统免受未抑制的负载突降的影响。该器件还提供过流和短路保护，适用于高功率应用。如图 3 所示，LM74930-Q1 配置为共源极拓扑，可提供 200V 未抑制负载突降保护以及反向电池保护。

MOSFET Q1 用于关断输出电压或将输出电压钳位到可接受的安全水平，并保护 MOSFET Q2 和下游电路免受 200V 输入瞬态的影响。请注意，在电路中，只有 VS 引脚承受 200V 电压，必须对该引脚进行保护。一个串联 10kΩ 电阻器和一个额定电压为 60V 的齐纳二极管跨接在 VS 至 GND 之间，将 VS 引脚上的电压钳制在器件的建议工作电压范围内。电路的其余部分不会承受更高的电压，因为 MOSFET Q1 可以完全关断，也可以将输出电压钳位到安全电平。通过调整 R3 和 R4 电阻器，可以使用过压阈值来设置允许通过 MOSFET 的最大电压。梯形电阻连接到输入电源侧时，电路将以过压切断模式工作。连接到 VOUT 侧，电路在 VOUT 钳位模式下运行。VOUT 钳位通过迟滞输出开和关控制来实现，在这种控制中，当输出电压上升到高于过压上升阈值时开启 HGATE，当输出电压下降到低于过压下降阈值时关闭 HGATE。

如果在输出截止设计中当存在负载突降瞬态时输出可达到 0V，则 MOSFET Q1 的 VDS 最小额定值必须为 200V，而当输出钳位到 37V (±1.5V) 时，该最小额定值必须为 164.5V。图 4 和图 5 分别显示了使用 VOUT 钳位和过压切断运行模式时的未抑制负载突降保护。

对于输出被钳位的设计，MOSFET Q1 中的功率耗散至关重要。必须考虑 MOSFET 的安全工作区 (SOA) 特性，确保留有足够的设计裕度以实现可靠运行。LM74930-Q1 还通过可编程计时器和断路器功能支持过压钳位运行。要使器件在过压钳位下通过断路器功能运行，请将 OVCLAMP 引脚连接到 OV 引脚。OVCLAMP 特性允许用户根据 MOSFET 电源处理能力选择过压钳位运行的持续时间，从而确保其在 SOA 内运行。图 6 展示了采用 30ms 计时器和断路器功能的 VOUT 钳位运行情况。

总结

为了确保汽车应用中乘客的安全，电子子系统必须在所有情况下可靠运行。为了实现这一点，制造商必须开发稳健的子系统保护机制，以保护下游元件免受高能瞬态脉冲（例如未抑制的负载突降脉冲）的损坏。对于高功率应用，LM74930-Q1 理想二极管控制器可驱动采用共源极拓扑连接的背对背外部 N 沟道 MOSFET，是一款极具吸引力的前端保护设计，可应对 200V 未抑制的负载突降。设计人员可以选择其中一种运行模式：输出切断、输出钳位和带有断路器的输出钳位，来保护下游系统，同时保持 MOSFET 的安全运行。ISO 16750-2 负载突降脉冲 A 在各种工作模式下的测试结果展示了基于 LM74930-Q1 的保护设计的恢复能力。