船用发动机仪表抛负载过压保护

陈 伟

(重庆川仪速达机电有限公司，重庆 400707)

0 引言

抛负载常存在于汽车、船舶、飞机等发动机电子设备的工作环境中。其过压能量受发电机的特性、负载电流等因素影响。在船用发动机控制系统中，常采用24 V蓄电池作为电源。由于其抛负载过压脉冲峰值高、源内阻小，导致船用发动机系统中抛负载能量非常强，对系统内电子设备极具破坏性。抛负载保护通常采用瞬态抑制二极管(transient voltage suppressor,TVS)等无源器件，但是由于残压和承受功率等问题，单个元件对24 V电源系统内抛负载抑制非常困难。本文通过对抛负载功率进行分析、计算，运用一种有源过压保护技术，实现对抛负载过压精确控制，为电子设备提供稳定的工作电源。

1 抛负载简介

在发动机的电气系统中，一般都有一个蓄电池，给各种电子设备、起动马达等供电；通常还有一个发电机，发动机运行过程中一直给蓄电池充电。正常情况下，发电机给蓄电池充电不会产生过电压。但是当线束老化或者接触不良导致蓄电池和充电发电机线束断开时，发电机会产生一个浪涌电压。这个电压持续时间为几十到几百毫秒，电压峰值高。这种现象称为“抛负载”，其会对电子设备造成极大损害。尤其是在高温、高湿的船舶工作环境中，线路极易老化和腐蚀，极大地增加了发生抛负载的几率。

ISO 16750-2给出了一个通用的抛负载电压U与时间t的脉冲波形[1]，如图1所示。

图1 抛负载脉冲波形Fig.1 Load dump pulse waveform

图1中：Us为抛负载测试波形峰值电压；UA为测试初始供电电压，即仪表的供电电压；td为抛负载测试波形电压从0.1(Us-UA)上升到0.9(Us-UA)、再降到0.1(Us-UA)的时间；tr为测试波形电压从0.1(Us-UA)上升到0.9(Us-UA)的时间。

2 无源器件抛负载保护

目前，国内研究较多的抛负载保护是采用TVS、压敏电阻等无源过压保护器件[2-3]。由于TVS具有响应速度快、瞬间功率大、无老化等特点，无源器件抛负载保护多采用TVS。无源过压保护器件抛负载保护方案如图2所示。

图2 无源过压保护器件抛负载保护方案Fig.2 Passive overvoltage protection device load dump protection scheme

由图2可知，保护器件常与负载电路并联使用。当发生保护动作时，TVS电阻变得很小，TVS及前级串联在电路中的器件需要承受大电流。所以当抛负载源内阻Ri很小时，TVS需要承受更多能量。

汽车多采用12 V电压。对于12 V电压系统来说，有成熟和低成本的TVS抛负载保护和后继配套电源芯片。但是在24 V电压系统中，电路设计方案和可选型器件则少得多。首先，24 V电压系统的抛负载脉冲峰值高，抛负载源内阻小，其脉冲能量非常大。文献[4]中，24 V电压仪表采用单个SM8S33A的TVS，在Us=200 V、td=350 ms、Ri=1 Ω的抛负载测试时，会发生器件损坏。其主要原因在于：TVS虽然瞬间功率很大，但都是在10 μs/1 000 μs浪涌脉冲下的功率。随着浪涌脉宽的增加，其功率成倍下降，目前还没有单个能承受Us=200 V、td=350 ms、Ri=1 Ω抛负载测试的TVS。 其次，“冷启动”至少选用36 V及以上的TVS。由于TVS有一定内阻，这个电阻会因为TVS动作时的大电流导致箝拉电压升高[5]。36 V的TVS最大箝拉电压Vc能达到58 V。这个残压电压对于多数最大输入电压在40 V左右的电源芯片来说难以承受。这种情况下，一般采用多级保护或采用更高耐压的后继电路[6]。 TVS多级过压保护方案如图3所示。对于多级保护来说，由于线路中加入了电阻R1，只适用于负载电流小的仪表；而采用更高耐压的后继电路，势必会增加电路的成本和复杂性。

图3 TVS多级过压保护方案Fig.3 TVS multistage overvoltage protection scheme

3 基于LTC4366-2的抛负载保护电路

LTC4366-2是凌特公司的一款有源过压保护控制器。该控制器可通过调节外部电路，使其不受内部电路额定电压值影响，并以非常高的电压工作。其工作电压可达9～500 V。LTC4366-2通过控制一个N沟道的MOSFET，在抛负载过压过程中，将输出电压限制在箝位电位下，由MOSFET两端承载过压电压，确保负载保持正常运行状态。

LTC4366-2有源过压保护控制器与传统的无源过压保护器件不同。通过调节外部MOSFET的导通电阻，过压由MOSFET分担，电源线路的电流不会增大，前级防反接电路元件无需采用大电流元件。基于LTC4366-2的抛负载保护电路如图4所示。

图4 基于LTC4366-2抛负载保护电路Fig.4 Load dump protection circuit based on LTC4366-2

①箝位电压设置。

FB管脚是LTC4366-2的过压调节放大器反馈输入端，RFB1、RFB2组成的外部电阻分压器通过内部的过压调节放大器，把RFB1上的电压调节到1.23 V。因此，箝位电压URGE与RFB1、RFB2关系是：

(1)

②MOSFET选型要求。

在发生过压期间，MOSFET承受输入电压与箝位电压之间的差值。其承受的功率为负载电流乘以输入电压与箝位电压差值。MOSFET过载能力差。为了保证器件可以具有较高稳定性和较长的使用寿命，必须对器件的电流、电压、功耗进行一定的限制，使其运行在安全工作区(safe operation area，SOA)曲线下。不同脉冲宽度都有一个最大安全工作曲线，不同脉冲的最大安全工作曲线遵循“恒定功率平方乘以时间”(P2t)的函数关系。选取MOSFET的原则是最大安全工作曲线遵循的P2t函数关系值大于抛负载发生时过压脉冲在MOSFET上的P2t值。

③过压保护时间。

过压保护时间用于设置过压产生后箝位电压时间。输入电压过压时间超过设置时间后，LTC4366-2自动关断MOSFET；9 s后，LTC4366-2自动重启。这个延时用于MOSFET承受过压能量的冷却，避免MOSFET损坏。过压保护时间调节原理是：输入电压超箝位电压后，TIMER引脚以9 μA的电流源对Ct充电。该引脚电压超过2.5 V后，触发控制器关断MOSFET。Ct与t的关系如下：

(2)

4 保护电路抛负载功耗计算

在抛负载标准ISO 16750-2中，24 V系统抛负载测试条件为:151 V≤Us≤202 V，100 ms≤td≤350 ms。根据文献[7]，抛负载衰减遵循指数规律。考虑到抛负载上升时间tr远小于衰减时间，将衰减10%Us的时间(td-tr)近似用td替代，抛负载电压U与时间t的关系可以简化为：

(3)

式中：Us为抛负载峰值电压；τ为发电机时间常数，与励磁线圈电阻和电感量有关。根据指数函数特性，td=2.3τ。

基于LTC4366-2的抛负载保护电路在发生过压保护时，MOSFET管几乎承受所有过压能量。因此，其选型是该方案中的重要环节。由于流过MOSFET的电流与负载电流ILoad相同，因此在发生抛负载时，MOSFET上的平均功耗为：

(4)

积分计算得：

(5)

抛负载发生时，MOSFETS上的P2t为:

(6)

通过式(6)可以看出，MOSFET的P2t与Us、td、ILoad、t有关。在船舶产品应用中，定制化很多，很难获得每个应用中的发电机特征参数。因此，以抛负载脉冲(Us=202 V，td=350 ms)来计算MOSFET的SOA要求，可以满足绝大多数应用需要。当t大于350 ms时，可以满足一个承受抛负载过压且负载电路不断电的应用，t的大小通过Ct来调节。但是如果负载电流大，MOSFET的选择会变得困难。被保护仪表在过压短时间断电的情况下，可以调节电容Ct来选择满足应用要求的过压承受时间，从而确保MOSFET管工作在安全区。

5 24 V电源系统保护模块及测试

5.1 过压箝位电压测试

以LTC4366-2为核心芯片，设计24 V电源系统过压保护模块，箝位电压配置为40 V，过压保护时间调节为400 ms，保证抛负载发生时仪表不断电；MOSFET选用IRFS4229PbF，在负载电流为0.6 A的仪表上进行测试。

首先搭建一个过压测试装置。该装置由一个24 V直流电源、一个60 V直流电源、一个电源开关、两个二极管和一个示波器构成。过压测试装置原理如图所示。

图5 过压测试装置原理图Fig.5 Schematic diagram of overvoltage test device

开始测试前，两个电源同时打开输出电压，关闭电源开关S1，被保护仪表由24 V电源供电。示波器设置为上升沿捕捉模式。待被保护仪表工作稳定后，闭合电源开关S1。被保护仪表由60 V电源供电，同时触发示波器捕捉脉冲波形。根据测得的过压保护波形图可知：过压保护模块初始输入/输出电压均为24 V，MOSFET几乎无降压；切换到60 V电压后，输出电压被箝位到40 V,箝位时间约为400 ms。由于输入过压电压未被撤销，切断输出电压，对MOSFET进行保护。在保护动作的上升沿和切断输出电压下降沿有一定的斜坡，这与模块的负载电容有关。在整个过压保护过程中，模块输出端电压始终限制在设定的40 V，无过冲脉冲电压，不存在残压问题，可以为后续最大输入电压为40 V的电源电路提供稳定的电源。

5.2 抛负载测试

在西南计算机有限责任公司进行ISO 16750-2 脉冲5a的抛负载测试。抛负载发生器按内阻Ri=1 Ω、峰值电压Us=200 V、脉冲时间td=350 ms进行试验。测试结果表明，MOSFET完好无损，被保护仪表工作正常，证明该设计通过了抛负载测试。

5.3 测试结果

由试验测试结果看，在合理选择电路参数的基础上，基于LTC4366-2有源过压保护电路能精确控制输出电压，不存在TVS管的残压输出现象，能承受ISO 16750-2 脉冲5a的冲击，能有效地抑制电源抛负载过压，稳定输出电压，使后继电路可靠工作。

6 结束语

发动机电子设备内抛负载过压破坏能量非常强大，尤其是24 V电源系统，会给电子产品带来致命伤害。电子产品的可靠性一定程度上取决于电源电压的稳定性，因此抛负载一直是发动机电子设备重要的测试项目，其保护技术一直是电路设计的关键技术之一。本文基于LTC4366-2有源过压保护器，通过分析、计算抛负载脉冲功耗，设计了一种应用在24 V电源系统的抛负载过压保护电路。经测试，该过压保护方案控制精确，能经受抛负载脉冲冲击测试。由于LTC4366-2工作电压范围宽，该方案也可用于工业自动化仪表浪涌抑制、高电压分配等领域。

参考文献:

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

[2] 黄学军,孙成明,陈赋民,等.TPMS汽车抛负载瞬态传导抗扰性试验和分析[J].南京师范大学学报(工程技术版),2010,10(3):20-24.

[3] 李晓娟.一重卡空调控制器故障改进和ISO7637瞬态干扰试验[J].汽车实用技术,2015(10):82-85.

[4] 唐含涵,谭廷庆,周亚棱.针对车载24V系统抛负载瞬态现象的过压保护电路设计[J].汽车技术,2014(12):40-44.

[5] 周志敏.TVS瞬态干扰抑制器性能与应用[J].电子设计应用,2003(3):75-76+80.

[6] 吴建军.直流电源引入端浪涌抑制技术研究[J].自动化与仪器仪表,2017(4):113-115.

[7] 姚亚夫,周海军.汽车抛负载电压的理论与试验研究[J].汽车工程,2002(5):451-454.