PPTC器件保护汽车电子设备免受电源极性反接的损害分析

中心议题：
    *  传统的二极管保护方式 
    *  聚合物正温度系数保护方式
    *  大功率MOSFET电路的保护 
    *  分析如何降低汽车的功率损失
解决方案：
    *  采用聚合物正温度系数（PPTC）器件

汽车电子设备必须具备应对电源极性接反故障的保护功能。当跳线电缆连接到错误的极性端子，或者连接到过放电的蓄电池时，以及在新蓄电池的安装位置颠倒时都会发生电源极性接反，如果不采取相应的保护措施，过多的热量会导致电子模块出现故障，或者导致汽车上的负载设备如电磁阀和电机出现故障，造成不安全隐患。传统的保护技术较为昂贵，并且会造成电压降过大，从而影响某些系统的性能。而采用聚合物正温度系数（PPTC）器件的新技术，例如Raychem的PolySwitch产品，就能同时解决这些缺点，而且还具有其他的优势。

传统的二极管保护方式

为了保护电子模块不因蓄电池极性接反而损坏，常用的解决方案是使用一个正向导通（整流）二极管来防止电流反向流动（见图1）。

采用正向导通二极管最根本的缺点就是内在的电压损耗（0.7～1.0V），以及电子模块的实际供电电压降低。对于系统中的某些汽车电子模块（如发动机控制装置）来说，工作电压是至关重要的，而且减少任何形式的电压降（例如正向导通二极管两端的电压值）对于确保车辆在蓄电池电压较低的状态下正常起动具有重要的意义。在另外一些情况下，例如音频系统，系统电压对输出功率（Po=V*I=V2/R）有着直接的影响。也就是说，会直接影响音频性能。为了将电压损耗控制到最低，某些电子模块采用了肖特基二极管来降低电压降，一般情况下可将电压降控制在0.5V以下。

如果在电池极性接反的保护中使用了标准的整流二极管或肖特基二极管，二极管的电流承载能力（电流额定值）就取决于将要连接到二极管上的负载的大小。在通过电子模块的电流值小于1A时，标准整流正向导通二极管的成本相对较低（低于0.05美元）。但是，如果使用了肖特基二极管，或者电流超过1A时，其成本就会相对增加。

在选择正向导通二极管的大小时需要考虑的另一个因素是浪涌电流的大小，以及设备能够吸收和分散在“负载断流”时所发生的浪涌电流的能力。交流发电机正在供给电流时，将汽车的蓄电池连接断开，会造成负载断流的事件。一般情况下，这种负载断流的波形在几毫秒内将达到其峰值电压。而对于硅器件来说，通常需要考虑到最差情况下的额定值。

聚合物正温度系数保护方式

例如PolySwitch的产品等聚合物正温度系数器件，由半晶体聚合物和导电性颗粒的复合体组成。在正常的运行状态下，器件内的导电性颗粒形成一个允许电流流过的低阻值通路。而在造成温度过高的故障状态下，例如过电流或环境温度过高的情况，聚合物内的晶体开始融化，并形成一种无定形物质，并造成导电颗粒之间的分离，导致器件的电阻值出现非常大的非线性增加。这种电阻值的增加通常在3个数量级以上，从而将电流降低至相对较低和安全的水平。PolySwitch聚合物正温度系数器件在故障清除后和电路电源断开后复位。

采用PolySwitch器件来取代上述应用中的正向导通二极管（见图2），提供了包括减少电压降等多项优势，这是因为聚合物正温度系数（PPTC）器件两端的电压降一般在0.1V以上。其次，聚合物正温度系数（PPTC）器件可对其他类型的电子部件提供额外的保护（伴热、导线、继电器和固态部件等）。


大功率MOSFET电路的保护

对于将大功率MOSFET用于各种负载的固态开关动作的电子模块，其他极性接反的情况主要集中在驱动配置的高压侧或低压侧（见图3a）。在极性接反的状态下，大功率MOSFET的内在二极管变为正向偏置，并允许电流能够流至与其连接的电机、灯或电磁阀负载（见图3b）。

 

这不会形成一种瞬间破坏的故障状态。但是，场效应管的功率消耗通常将增加约5倍，这是由于器件两端的电压降在这种情况下约为1V（电流流经内在二极管的PN结），而不是0.2V的额定正向VDS 电压（按场效应管漏极至源极之间进行测量）。除非采用正确的热量控制惯例，如使用尺寸足够大的散热器来耗散在极性接反状态持续期间产生的热量，否则在这种情况下持续工作将烧毁MOSFET。

这一附加散热器将增加本应用中的成本、重量和尺寸，而这些正是汽车制造商和供应商希望减少的领域。即使是采用热保护场效应晶体管，例如TEMPFET，仍无法防止在这种条件下不被烧毁，其原因在于场效应管的门极无法控制流经内在二极管的电流。

增加一个与负载串联的聚合物正温度系数器件，并将它与旁路二极管进行耦合（参见图4d），能够提供蓄电池极性接反故障的保护，并且可以采用尺寸较小的散热器。更为重要的是，它能够防止电流的反向流动，从而避免了电磁阀或电机的异常动作。


感应负载和蓄电池极性接反

对于感应负载，最为常见的处理方法是采用连接在负载两端的续流二极管，以抑制在负载切断时所产生的电压毛刺。图4a所示为用作高压侧和低压侧开关的带感应负载的大功率MOS场效应晶体管。在极性接反的状态下，电流将通过场效应管中的正向偏置的内在二极管和并联在负载两端的续流二极管进行流动，在电源的正极和负极端子之间建立起一个直接的短路通路（图4b）。制止这种电流流动的一种方式是，使用如图4c所示的正向导通二极管。但是，对于大电流负载，如前所述，这一解决方案可能因成本过高而无法采用。另一种替代方案是使用聚合物正温度系数器件，将其与较小的整流二极管耦合，这样只需耐受聚合物正温度系数器件“分断”所需要的浪涌电流，这点与必须连续支持全负载电流的正向导通二极管不同。

电机保护

绝大多数为使乘车者更加舒适和方便的小功率电机都是电刷式直流电机。双向电机（如动力车窗、动力座位和动力锁）的驱动方式是采用一个“H桥”配置，由4个大功率MOS场效应晶体管按图5a中的方便连接而成。

在使电机正向旋转时，场效应管1和4同时接通;而要使电机反向旋转时，场效应管2和3要同时接通。在反向极性连接情况下，对H桥电路所产生的等效电路为两个串联内在二极管并联在电源的正极和负极端子之间（见图5b），所以实际上建立了短路通路。

基于上述相同的原因，使用一个串联的正向导通二极管可能在经济上并不可行。但是，通过使用串联的聚合物正温度系数器件，既有助于提供经济可行的极性接反保护方式，而且同时将系统内的电压损耗降至最低（见图5c）。在极性接反条件下的等效电路如图5d所示。一般情况下，场效应管的内在二极管便于提供能使聚合物正温度系数器件在毫秒内分断所需的临时浪涌电流。

如图2、3b、4d和5d所示的电路，在极性接反状态下建立电流通路的二极管，必须具备一定的浪涌容量额定值，从而在二极管的安全运行区（SOA）内造成PPTC器件分断。也就是说，聚合物正温度系数器件的“分断时间”绝对不得超过二极管的浪涌电流的时间限制。聚合物正温度系数器件可在一系列的电流和最大分断时间额定值范围内进行选择，以满足绝大多数应用的需求。

降低汽车的功率损失

随着汽车负载量的不断增加，汽车制造商及其电子系统供应商正在策划下一代的汽车供电系统，以取代自20世纪50年代以来一直应用于汽车的12V蓄电池系统。这项PowerNet技术规定了汽车电源的电压限制为目前常规系统的3倍。

这个42V的系统，包括针对仍可用于双电压结构的12V产品的更严格的技术规范。因此，目前功率较低的产品仍能够继续使用多年，并与功率更高的产品相结合，共同应用在42V的总线上。由于成本与演进至42V电源的过程息息相关，汽车制造商正试图延缓这一过程，并寻求能够降低功率消耗的任何机会。

降低功率消耗的一种方式是采用无刷式直流电流以取代有刷电机，特别是针对功率更高的应用。无刷式直流电机具备不会发生磨损的优点，并且由于不带容易产生电弧的电刷，从而减少了电磁干扰。在三相式无刷电机中，场效应管电桥的拓扑结构是3个分支，与有刷直流电机的2个分支相似。蓄电池极性接反对无刷直流电机具有相同的影响，不过所幸的是，在图5c中所建议的聚合物正温度系数器件蓄电池接反保护配置方式也可用于无刷直流电机中。

使用聚合物正温度系数器件来替代串联二极管，对于那些已经接近可用电源系统全部能力的车型来说，能够提供其他额外的好处。由于串联二极管的功率损耗与电压成正比，在20A的电路中将0.7V的二极管电压降低到大约0.1V，能够减少（0.7－0.1）×20＝12W。在一般车辆所采用的数10台电机中，这项技术在一般情况下能够节省100W以上的功率。

而这三项节省的方式有可能将转变到更高电压系统的过程推迟1～2年。某些车型如通用的GMC Sierra和Chevrolet Silverado，将在2004年车型中采用有限的42V系统。在为42V汽车制订的技术规范中，不允许出现蓄电池接反的现象。这些业经讨论的方法能够帮助汽车制造商保证这些技术规范得到满足。