中心議題：

• 汽車電子設(shè)備電源極性接反的傳統(tǒng)二極管保護方式
• 汽車電子設(shè)備電源極性接反的聚合物正溫度系數(shù)保護方式

解決方案：

• 大功率MOSFET電路的保護
• 電機保護

汽車電子設(shè)備必須具備應(yīng)對電源極性接反故障的保護功能。當跳線電纜連接到錯誤的極性端子，或者連接到過放電的蓄電池時，以及在新蓄電池的安裝位置顛倒時都會發(fā)生電源極性接反，如果不采取相應(yīng)的保護措施，過多的熱量會導(dǎo)致電子模塊出現(xiàn)故障，或者導(dǎo)致汽車上的負載設(shè)備如電磁閥和電機出現(xiàn)故障，造成不安全隱患。傳統(tǒng)的保護技術(shù)較為昂貴，并且會造成電壓降過大，從而影響某些系統(tǒng)的性能。而采用聚合物正溫度系數(shù)（PPTC）器件的新技術(shù)，例如Raychem的PolySwitch產(chǎn)品，就能同時解決這些缺點，而且還具有其他的優(yōu)勢。

傳統(tǒng)的二極管保護方式

為了保護電子模塊不因蓄電池極性接反而損壞，常用的解決方案是使用一個正向?qū)ǎㄕ鳎┒O管來防止電流反向流動（見圖1）。

采用正向?qū)ǘO管最根本的缺點就是內(nèi)在的電壓損耗（0.7～1.0V），以及電子模塊的實際供電電壓降低。對于系統(tǒng)中的某些汽車電子模塊（如發(fā)動機控制裝置）來說，工作電壓是至關(guān)重要的，而且減少任何形式的電壓降（例如正向?qū)ǘO管兩端的電壓值）對于確保車輛在蓄電池電壓較低的狀態(tài)下正常起動具有重要的意義。在另外一些情況下，例如音頻系統(tǒng)，系統(tǒng)電壓對輸出功率（Po=V*I=V2/R）有著直接的影響。也就是說，會直接影響音頻性能。為了將電壓損耗控制到最低，某些電子模塊采用了肖特基二極管來降低電壓降，一般情況下可將電壓降控制在0.5V以下。

如果在電池極性接反的保護中使用了標準的整流二極管或肖特基二極管，二極管的電流承載能力（電流額定值）就取決于將要連接到二極管上的負載的大小。在通過電子模塊的電流值小于1A時，標準整流正向?qū)ǘO管的成本相對較低（低于0.05美元）。但是，如果使用了肖特基二極管，或者電流超過1A時，其成本就會相對增加。

在選擇正向?qū)ǘO管的大小時需要考慮的另一個因素是浪涌電流的大小，以及設(shè)備能夠吸收和分散在“負載斷流”時所發(fā)生的浪涌電流的能力。交流發(fā)電機正在供給電流時，將汽車的蓄電池連接斷開，會造成負載斷流的事件。一般情況下，這種負載斷流的波形在幾毫秒內(nèi)將達到其峰值電壓。而對于硅器件來說，通常需要考慮到最差情況下的額定值。

聚合物正溫度系數(shù)保護方式

例如PolySwitch的產(chǎn)品等聚合物正溫度系數(shù)器件，由半晶體聚合物和導(dǎo)電性顆粒的復(fù)合體組成。在正常的運行狀態(tài)下，器件內(nèi)的導(dǎo)電性顆粒形成一個允許電流流過的低阻值通路。而在造成溫度過高的故障狀態(tài)下，例如過電流或環(huán)境溫度過高的情況，聚合物內(nèi)的晶體開始融化，并形成一種無定形物質(zhì)，并造成導(dǎo)電顆粒之間的分離，導(dǎo)致器件的電阻值出現(xiàn)非常大的非線性增加。這種電阻值的增加通常在3個數(shù)量級以上，從而將電流降低至相對較低和安全的水平。PolySwitch聚合物正溫度系數(shù)器件在故障清除后和電路電源斷開后復(fù)位。

采用PolySwitch器件來取代上述應(yīng)用中的正向?qū)ǘO管（見圖2），提供了包括減少電壓降等多項優(yōu)勢，這是因為聚合物正溫度系數(shù)（PPTC）器件兩端的電壓降一般在0.1V以上。其次，聚合物正溫度系數(shù)（PPTC）器件可對其他類型的電子部件提供額外的保護（伴熱、導(dǎo)線、繼電器和固態(tài)部件等）。

大功率MOSFET電路的保護

對于將大功率MOSFET用于各種負載的固態(tài)開關(guān)動作的電子模塊，其他極性接反的情況主要集中在驅(qū)動配置的高壓側(cè)或低壓側(cè)（見圖3a）。在極性接反的狀態(tài)下，大功率MOSFET的內(nèi)在二極管變?yōu)檎蚱茫⒃试S電流能夠流至與其連接的電機、燈或電磁閥負載（見圖3b）。

這不會形成一種瞬間破壞的故障狀態(tài)。但是，場效應(yīng)管的功率消耗通常將增加約5倍，這是由于器件兩端的電壓降在這種情況下約為1V（電流流經(jīng)內(nèi)在二極管的PN結(jié)），而不是0.2V的額定正向VDS 電壓（按場效應(yīng)管漏極至源極之間進行測量）。除非采用正確的熱量控制慣例，如使用尺寸足夠大的散熱器來耗散在極性接反狀態(tài)持續(xù)期間產(chǎn)生的熱量，否則在這種情況下持續(xù)工作將燒毀MOSFET。

這一附加散熱器將增加本應(yīng)用中的成本、重量和尺寸，而這些正是汽車制造商和供應(yīng)商希望減少的領(lǐng)域。即使是采用熱保護場效應(yīng)晶體管，例如TEMPFET，仍無法防止在這種條件下不被燒毀，其原因在于場效應(yīng)管的門極無法控制流經(jīng)內(nèi)在二極管的電流。

增加一個與負載串聯(lián)的聚合物正溫度系數(shù)器件，并將它與旁路二極管進行耦合（參見圖4d），能夠提供蓄電池極性接反故障的保護，并且可以采用尺寸較小的散熱器。更為重要的是，它能夠防止電流的反向流動，從而避免了電磁閥或電機的異常動作。

感應(yīng)負載和蓄電池極性接反

對于感應(yīng)負載，最為常見的處理方法是采用連接在負載兩端的續(xù)流二極管，以抑制在負載切斷時所產(chǎn)生的電壓毛刺。圖4a所示為用作高壓側(cè)和低壓側(cè)開關(guān)的帶感應(yīng)負載的大功率MOS場效應(yīng)晶體管。在極性接反的狀態(tài)下，電流將通過場效應(yīng)管中的正向偏置的內(nèi)在二極管和并聯(lián)在負載兩端的續(xù)流二極管進行流動，在電源的正極和負極端子之間建立起一個直接的短路通路（圖4b）。制止這種電流流動的一種方式是，使用如圖4c所示的正向?qū)ǘO管。但是，對于大電流負載，如前所述，這一解決方案可能因成本過高而無法采用。另一種替代方案是使用聚合物正溫度系數(shù)器件，將其與較小的整流二極管耦合，這樣只需耐受聚合物正溫度系數(shù)器件“分斷”所需要的浪涌電流，這點與必須連續(xù)支持全負載電流的正向?qū)ǘO管不同。

電機保護

絕大多數(shù)為使乘車者更加舒適和方便的小功率電機都是電刷式直流電機。雙向電機（如動力車窗、動力座位和動力鎖）的驅(qū)動方式是采用一個“H橋”配置，由4個大功率MOS場效應(yīng)晶體管按圖5a中的方便連接而成。

在使電機正向旋轉(zhuǎn)時，場效應(yīng)管1和4同時接通;而要使電機反向旋轉(zhuǎn)時，場效應(yīng)管2和3要同時接通。在反向極性連接情況下，對H橋電路所產(chǎn)生的等效電路為兩個串聯(lián)內(nèi)在二極管并聯(lián)在電源的正極和負極端子之間（見圖5b），所以實際上建立了短路通路。

基于上述相同的原因，使用一個串聯(lián)的正向?qū)ǘO管可能在經(jīng)濟上并不可行。但是，通過使用串聯(lián)的聚合物正溫度系數(shù)器件，既有助于提供經(jīng)濟可行的極性接反保護方式，而且同時將系統(tǒng)內(nèi)的電壓損耗降至最低（見圖5c）。在極性接反條件下的等效電路如圖5d所示。一般情況下，場效應(yīng)管的內(nèi)在二極管便于提供能使聚合物正溫度系數(shù)器件在毫秒內(nèi)分斷所需的臨時浪涌電流。

如圖2、3b、4d和5d所示的電路，在極性接反狀態(tài)下建立電流通路的二極管，必須具備一定的浪涌容量額定值，從而在二極管的安全運行區(qū)（SOA）內(nèi)造成PPTC器件分斷。也就是說，聚合物正溫度系數(shù)器件的“分斷時間”絕對不得超過二極管的浪涌電流的時間限制。聚合物正溫度系數(shù)器件可在一系列的電流和最大分斷時間額定值范圍內(nèi)進行選擇，以滿足絕大多數(shù)應(yīng)用的需求。

降低汽車的功率損失

隨著汽車負載量的不斷增加，汽車制造商及其電子系統(tǒng)供應(yīng)商正在策劃下一代的汽車供電系統(tǒng)，以取代自20世紀50年代以來一直應(yīng)用于汽車的12V蓄電池系統(tǒng)。這項PowerNet技術(shù)規(guī)定了汽車電源的電壓限制為目前常規(guī)系統(tǒng)的3倍。

這個42V的系統(tǒng)，包括針對仍可用于雙電壓結(jié)構(gòu)的12V產(chǎn)品的更嚴格的技術(shù)規(guī)范。因此，目前功率較低的產(chǎn)品仍能夠繼續(xù)使用多年，并與功率更高的產(chǎn)品相結(jié)合，共同應(yīng)用在42V的總線上。由于成本與演進至42V電源的過程息息相關(guān)，汽車制造商正試圖延緩這一過程，并尋求能夠降低功率消耗的任何機會。

降低功率消耗的一種方式是采用無刷式直流電流以取代有刷電機，特別是針對功率更高的應(yīng)用。無刷式直流電機具備不會發(fā)生磨損的優(yōu)點，并且由于不帶容易產(chǎn)生電弧的電刷，從而減少了電磁干擾。在三相式無刷電機中，場效應(yīng)管電橋的拓撲結(jié)構(gòu)是3個分支，與有刷直流電機的2個分支相似。蓄電池極性接反對無刷直流電機具有相同的影響，不過所幸的是，在圖5c中所建議的聚合物正溫度系數(shù)器件蓄電池接反保護配置方式也可用于無刷直流電機中。

使用聚合物正溫度系數(shù)器件來替代串聯(lián)二極管，對于那些已經(jīng)接近可用電源系統(tǒng)全部能力的車型來說，能夠提供其他額外的好處。由于串聯(lián)二極管的功率損耗與電壓成正比，在20A的電路中將0.7V的二極管電壓降低到大約0.1V，能夠減少（0.7－0.1）×20＝12W。在一般車輛所采用的數(shù)10臺電機中，這項技術(shù)在一般情況下能夠節(jié)省100W以上的功率。

而這三項節(jié)省的方式有可能將轉(zhuǎn)變到更高電壓系統(tǒng)的過程推遲1～2年。某些車型如通用的GMC Sierra和Chevrolet Silverado，將在2004年車型中采用有限的42V系統(tǒng)。在為42V汽車制訂的技術(shù)規(guī)范中，不允許出現(xiàn)蓄電池接反的現(xiàn)象。這些業(yè)經(jīng)討論的方法能夠幫助汽車制造商保證這些技術(shù)規(guī)范得到滿足。