摘要：本文討論了汽車應用中的典型供電架構，并探討了如何在基本的電源設計中增加有源電壓限制功能，闡明了集成限壓器的必要性。文中還提供了幾個Maxim的有源電壓限幅器設計實例。

概述—典型的汽車電源架構

圖1給出了一個典型的汽車電源簡化框圖。


圖1. 汽車電源的基本示意圖

上述框圖主要包括以下幾個單元：

• 無源保護電路：限制+12V電源總線的正向電壓，并阻止產生負壓。
• 有源保護電路：該限壓器功能與無源保護電路類似，但使用的是晶體管等有源器件，與具有同樣功能的無源方案相比能夠提供更好的性價比，具有更小尺寸。
• 開關模式或線性穩壓器：為指定負載提供適當的電壓和電流，可能采用多路電源結構。

在不同的應用中，這些部件的技術規格會有所不同。有些應用中并沒有考慮這些因素，但會給系統的整體電氣性能帶來負面影響。實際上，上述單元電路的任何缺失都會增大系統設計的復雜度。

在電源中集成限壓器

有源電壓限幅器的原理十分簡單，在器件的輸入和輸出之間增加一個MOSFET，限幅器控制該場效應管的柵極。正常工作狀態下，打開MOSFET并為負載供電；如果電壓超過定義的門限值，限壓電路會關閉外部MOSFET，斷開電源與負載的連接。

圖2給出了基本限壓電路的內部構造和典型應用電路。


圖2. 72V應用范例，外部MOSFET用作過壓保護開關/限幅控制，MAX6495–MAX6499電路圖提供了器件的過壓檢測方式，MAX6495電路圖給出了器件的內部架構。

在這個基本的限壓電路中，VIN給內部電路供電，VIN的最大電壓為80V。OVSET端的分壓器設置過壓檢測門限，內置電荷泵為低成本n溝道MOSFET的柵極驅動供電，從而降低系統成本。除了提供過壓門限外，這些IC還提供了欠壓檢測門限。

在另一方案是采用門限可調的窗式電壓限幅，圖3給出了一個相關的應用范例。


圖3. MAX6499配置為一個過壓/欠壓窗式檢測器(左圖)，其基本功能框圖如右圖所示。

這種情況下，限壓電路可以防止MOSFET和負載工作在欠壓和過壓狀態。可以嚴格限制輸出電壓范圍(將其限制在較窄的范圍內)，以降低對電壓調節器輸入范圍的技術要求，從而降低電壓調節器的設計成本。而在一些音頻應用中，并不需要高精度的電壓調節，對于這些應用，限壓電路的設計可以省去穩壓電路。

如上所述，分壓器可以控制圖2所示IC的輸入電壓，分壓器也可以連接到限壓器的輸出端，如圖4所示。在后面的例子中，分壓器限制著負載上的電壓而不是簡單地將其切斷。從其性能測試數據可以看出限壓檢測是周期性進行的。振蕩周期由負載電容、負載電流決定，可在很寬的范圍內變化。周期振蕩包括兩個階段；第一個階段使MOSFET進入有效模式，第二個階段將其關閉。


圖4. 器件配置成一個過壓限幅保護開關，CIN = 100μF、COUT =10μF、ROUT = 100Ω。

圖4所示電路配置使MOSFET周期性地進入有效模式，使功率耗散在MOSFET上，需要考慮MOSFET散熱問題。基于這一原因，IC內部包含了門限約為+160°C的高溫保護單元，當溫度下降到+140°C以下時，電路恢復到正常模式。為了優化設計，IC應靠近MOSFET放置，使兩者具有良好的熱傳導通路。

眾所周知，電路板電源總線可能存在負向電壓尖峰或正向電壓尖峰。抑制負電壓的保護電路可以采用無源器件或特殊IC。圖5提供了MAX6496反向電壓保護的內部結構。


圖5. 利用MAX6496實現過壓限制，具有電壓跌落反向保護功能(左圖)；右圖為功能框圖。

除了限制正向電壓以外，MAX6496還包含一個p通道MOSFET柵極控制電路，可以在正電壓時使MOSFET保持導通狀態，而在負電壓時保持關閉狀態。在高負載電流、低輸入電壓情況下，這個電路比典型的肖特基二極管更實用。

結論

本文討論的限壓電路都提供了相應的特性參數，便于器件在各種場合的應用。每個限壓電路在負載上電時允許72V的最大輸入電壓，而在負載切斷時允許80V的最大輸入電壓。下表總結了限壓IC的主要特性。

Part Number	Package	Quiescent Current, μA	MOSFET Type	Auto Retry	Latch Up	Programmable Voltage Limiter	Reverse Battery Protection	Undervoltage Switch-Off Threshold (V)	Integrated Voltage Regulator	Enable Input	PowerOK Output
MAX6495	6/TDFN	24	n	?	X	X	?	5	?	?	?
MAX6496	8/TDFN	24	n + p	X	?	X	X	5	?	?	?
MAX6497	8/TDFN	15	n	?	X	?	?	5	?	?	X
MAX6498	8/TDFN	15	n	X	?	?	?	5	?	?	X
MAX6499	8/TDFN	15	n	X	X	X	?	Adj	?	?	?
MAX6397	8/TDFN	37	n	X	?	X	?		X	?	X
MAX6398	6/TDFN	11	N	X	?	X	?		?	?	?
MAX6399	8/TDFN	10	N	X	X	X	?		?	?	X
MAX16010	8/TDFN	20	-	?	?	?	?		?	X	X
MAX16011	8/TDFN	20	-	?	?	?	?		?	X	X
MAX16012	6/TDFN	20	-	?	?	?	?	?	?	?	X
MAX16013	6/TDFN	20	P	X	?	X	X	?	?	X	?
MAX16014	6/TDFN	20	P	?	X	?	X	?	?	X	?