船用發動機儀表拋負載過壓保護

陳 偉

(重慶川儀速達機電有限公司，重慶 400707)

0 引言

拋負載常存在于汽車、船舶、飛機等發動機電子設備的工作環境中。其過壓能量受發電機的特性、負載電流等因素影響。在船用發動機控制系統中，常采用24 V蓄電池作為電源。由于其拋負載過壓脈沖峰值高、源內阻小，導致船用發動機系統中拋負載能量非常強，對系統內電子設備極具破壞性。拋負載保護通常采用瞬態抑制二極管(transient voltage suppressor,TVS)等無源器件，但是由于殘壓和承受功率等問題，單個元件對24 V電源系統內拋負載抑制非常困難。本文通過對拋負載功率進行分析、計算，運用一種有源過壓保護技術，實現對拋負載過壓精確控制，為電子設備提供穩定的工作電源。

1 拋負載簡介

在發動機的電氣系統中，一般都有一個蓄電池，給各種電子設備、起動馬達等供電；通常還有一個發電機，發動機運行過程中一直給蓄電池充電。正常情況下，發電機給蓄電池充電不會產生過電壓。但是當線束老化或者接觸不良導致蓄電池和充電發電機線束斷開時，發電機會產生一個浪涌電壓。這個電壓持續時間為幾十到幾百毫秒，電壓峰值高。這種現象稱為“拋負載”，其會對電子設備造成極大損害。尤其是在高溫、高濕的船舶工作環境中，線路極易老化和腐蝕，極大地增加了發生拋負載的幾率。

ISO 16750-2給出了一個通用的拋負載電壓U與時間t的脈沖波形[1]，如圖1所示。

圖1 拋負載脈沖波形Fig.1 Load dump pulse waveform

圖1中：Us為拋負載測試波形峰值電壓；UA為測試初始供電電壓，即儀表的供電電壓；td為拋負載測試波形電壓從0.1(Us-UA)上升到0.9(Us-UA)、再降到0.1(Us-UA)的時間；tr為測試波形電壓從0.1(Us-UA)上升到0.9(Us-UA)的時間。

2 無源器件拋負載保護

目前，國內研究較多的拋負載保護是采用TVS、壓敏電阻等無源過壓保護器件[2-3]。由于TVS具有響應速度快、瞬間功率大、無老化等特點，無源器件拋負載保護多采用TVS。無源過壓保護器件拋負載保護方案如圖2所示。

圖2 無源過壓保護器件拋負載保護方案Fig.2 Passive overvoltage protection device load dump protection scheme

由圖2可知，保護器件常與負載電路并聯使用。當發生保護動作時，TVS電阻變得很小，TVS及前級串聯在電路中的器件需要承受大電流。所以當拋負載源內阻Ri很小時，TVS需要承受更多能量。

汽車多采用12 V電壓。對于12 V電壓系統來說，有成熟和低成本的TVS拋負載保護和后繼配套電源芯片。但是在24 V電壓系統中，電路設計方案和可選型器件則少得多。首先，24 V電壓系統的拋負載脈沖峰值高，拋負載源內阻小，其脈沖能量非常大。文獻[4]中，24 V電壓儀表采用單個SM8S33A的TVS，在Us=200 V、td=350 ms、Ri=1 Ω的拋負載測試時，會發生器件損壞。其主要原因在于：TVS雖然瞬間功率很大，但都是在10 μs/1 000 μs浪涌脈沖下的功率。隨著浪涌脈寬的增加，其功率成倍下降，目前還沒有單個能承受Us=200 V、td=350 ms、Ri=1 Ω拋負載測試的TVS。 其次，“冷啟動”至少選用36 V及以上的TVS。由于TVS有一定內阻，這個電阻會因為TVS動作時的大電流導致箝拉電壓升高[5]。36 V的TVS最大箝拉電壓Vc能達到58 V。這個殘壓電壓對于多數最大輸入電壓在40 V左右的電源芯片來說難以承受。這種情況下，一般采用多級保護或采用更高耐壓的后繼電路[6]。 TVS多級過壓保護方案如圖3所示。對于多級保護來說，由于線路中加入了電阻R1，只適用于負載電流小的儀表；而采用更高耐壓的后繼電路，勢必會增加電路的成本和復雜性。

圖3 TVS多級過壓保護方案Fig.3 TVS multistage overvoltage protection scheme

3 基于LTC4366-2的拋負載保護電路

LTC4366-2是凌特公司的一款有源過壓保護控制器。該控制器可通過調節外部電路，使其不受內部電路額定電壓值影響，并以非常高的電壓工作。其工作電壓可達9～500 V。LTC4366-2通過控制一個N溝道的MOSFET，在拋負載過壓過程中，將輸出電壓限制在箝位電位下，由MOSFET兩端承載過壓電壓，確保負載保持正常運行狀態。

LTC4366-2有源過壓保護控制器與傳統的無源過壓保護器件不同。通過調節外部MOSFET的導通電阻，過壓由MOSFET分擔，電源線路的電流不會增大，前級防反接電路元件無需采用大電流元件。基于LTC4366-2的拋負載保護電路如圖4所示。

圖4 基于LTC4366-2拋負載保護電路Fig.4 Load dump protection circuit based on LTC4366-2

①箝位電壓設置。

FB管腳是LTC4366-2的過壓調節放大器反饋輸入端，RFB1、RFB2組成的外部電阻分壓器通過內部的過壓調節放大器，把RFB1上的電壓調節到1.23 V。因此，箝位電壓URGE與RFB1、RFB2關系是：

(1)

②MOSFET選型要求。

在發生過壓期間，MOSFET承受輸入電壓與箝位電壓之間的差值。其承受的功率為負載電流乘以輸入電壓與箝位電壓差值。MOSFET過載能力差。為了保證器件可以具有較高穩定性和較長的使用壽命，必須對器件的電流、電壓、功耗進行一定的限制，使其運行在安全工作區(safe operation area，SOA)曲線下。不同脈沖寬度都有一個最大安全工作曲線，不同脈沖的最大安全工作曲線遵循“恒定功率平方乘以時間”(P2t)的函數關系。選取MOSFET的原則是最大安全工作曲線遵循的P2t函數關系值大于拋負載發生時過壓脈沖在MOSFET上的P2t值。

③過壓保護時間。

過壓保護時間用于設置過壓產生后箝位電壓時間。輸入電壓過壓時間超過設置時間后，LTC4366-2自動關斷MOSFET；9 s后，LTC4366-2自動重啟。這個延時用于MOSFET承受過壓能量的冷卻，避免MOSFET損壞。過壓保護時間調節原理是：輸入電壓超箝位電壓后，TIMER引腳以9 μA的電流源對Ct充電。該引腳電壓超過2.5 V后，觸發控制器關斷MOSFET。Ct與t的關系如下：

(2)

4 保護電路拋負載功耗計算

在拋負載標準ISO 16750-2中，24 V系統拋負載測試條件為:151 V≤Us≤202 V，100 ms≤td≤350 ms。根據文獻[7]，拋負載衰減遵循指數規律。考慮到拋負載上升時間tr遠小于衰減時間，將衰減10%Us的時間(td-tr)近似用td替代，拋負載電壓U與時間t的關系可以簡化為：

(3)

式中：Us為拋負載峰值電壓；τ為發電機時間常數，與勵磁線圈電阻和電感量有關。根據指數函數特性，td=2.3τ。

基于LTC4366-2的拋負載保護電路在發生過壓保護時，MOSFET管幾乎承受所有過壓能量。因此，其選型是該方案中的重要環節。由于流過MOSFET的電流與負載電流ILoad相同，因此在發生拋負載時，MOSFET上的平均功耗為：

(4)

積分計算得：

(5)

拋負載發生時，MOSFETS上的P2t為:

(6)

通過式(6)可以看出，MOSFET的P2t與Us、td、ILoad、t有關。在船舶產品應用中，定制化很多，很難獲得每個應用中的發電機特征參數。因此，以拋負載脈沖(Us=202 V，td=350 ms)來計算MOSFET的SOA要求，可以滿足絕大多數應用需要。當t大于350 ms時，可以滿足一個承受拋負載過壓且負載電路不斷電的應用，t的大小通過Ct來調節。但是如果負載電流大，MOSFET的選擇會變得困難。被保護儀表在過壓短時間斷電的情況下，可以調節電容Ct來選擇滿足應用要求的過壓承受時間，從而確保MOSFET管工作在安全區。

5 24 V電源系統保護模塊及測試

5.1 過壓箝位電壓測試

以LTC4366-2為核心芯片，設計24 V電源系統過壓保護模塊，箝位電壓配置為40 V，過壓保護時間調節為400 ms，保證拋負載發生時儀表不斷電；MOSFET選用IRFS4229PbF，在負載電流為0.6 A的儀表上進行測試。

首先搭建一個過壓測試裝置。該裝置由一個24 V直流電源、一個60 V直流電源、一個電源開關、兩個二極管和一個示波器構成。過壓測試裝置原理如圖所示。

圖5 過壓測試裝置原理圖Fig.5 Schematic diagram of overvoltage test device

開始測試前，兩個電源同時打開輸出電壓，關閉電源開關S1，被保護儀表由24 V電源供電。示波器設置為上升沿捕捉模式。待被保護儀表工作穩定后，閉合電源開關S1。被保護儀表由60 V電源供電，同時觸發示波器捕捉脈沖波形。根據測得的過壓保護波形圖可知：過壓保護模塊初始輸入/輸出電壓均為24 V，MOSFET幾乎無降壓；切換到60 V電壓后，輸出電壓被箝位到40 V,箝位時間約為400 ms。由于輸入過壓電壓未被撤銷，切斷輸出電壓，對MOSFET進行保護。在保護動作的上升沿和切斷輸出電壓下降沿有一定的斜坡，這與模塊的負載電容有關。在整個過壓保護過程中，模塊輸出端電壓始終限制在設定的40 V，無過沖脈沖電壓，不存在殘壓問題，可以為后續最大輸入電壓為40 V的電源電路提供穩定的電源。

5.2 拋負載測試

在西南計算機有限責任公司進行ISO 16750-2 脈沖5a的拋負載測試。拋負載發生器按內阻Ri=1 Ω、峰值電壓Us=200 V、脈沖時間td=350 ms進行試驗。測試結果表明，MOSFET完好無損，被保護儀表工作正常，證明該設計通過了拋負載測試。

5.3 測試結果

由試驗測試結果看，在合理選擇電路參數的基礎上，基于LTC4366-2有源過壓保護電路能精確控制輸出電壓，不存在TVS管的殘壓輸出現象，能承受ISO 16750-2 脈沖5a的沖擊，能有效地抑制電源拋負載過壓，穩定輸出電壓，使后繼電路可靠工作。

6 結束語

發動機電子設備內拋負載過壓破壞能量非常強大，尤其是24 V電源系統，會給電子產品帶來致命傷害。電子產品的可靠性一定程度上取決于電源電壓的穩定性，因此拋負載一直是發動機電子設備重要的測試項目，其保護技術一直是電路設計的關鍵技術之一。本文基于LTC4366-2有源過壓保護器，通過分析、計算拋負載脈沖功耗，設計了一種應用在24 V電源系統的拋負載過壓保護電路。經測試，該過壓保護方案控制精確，能經受拋負載脈沖沖擊測試。由于LTC4366-2工作電壓范圍寬，該方案也可用于工業自動化儀表浪涌抑制、高電壓分配等領域。

參考文獻:

[1] ISO.Road vehicles-Environmental conditions and testing for electrical and electronic equipment:ISO 16750-2 [S].2010:11-12.

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[3] 李曉娟.一重卡空調控制器故障改進和ISO7637瞬態干擾試驗[J].汽車實用技術,2015(10):82-85.

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