可用于電池反向保護(hù)的各種方法

大家好，小科來為大家解答以上問題。可用于電池反向保護(hù)的各種方法這個很多人還不知道，現(xiàn)在讓我們一起來看看吧！

1、在車輛的使用壽命期間，可能需要斷開電池進(jìn)行維護(hù)工作，或者在出現(xiàn)故障時更換電池。

2、在重新連接期間，電池連接的極性可能會顛倒，這可能會導(dǎo)致潛在的短路和連接到電池的負(fù)載的其他問題。

3、遺憾的是，不同尺寸的電池端子的機(jī)械設(shè)計或者突出線纜、連接器、端子色標(biāo)的使用，并不能完全避免這個問題。

4、因此，某種形式的電子阻斷或反極性電壓保護(hù)是必要的，這不僅是為了保護(hù)電池本身，也是為了保護(hù)現(xiàn)代車輛所依賴的越來越多的電子控制單元(ECU)。

5、本文以可用于電池反向保護(hù)的各種方法為研究對象，分析了各種方法的優(yōu)缺點。

6、尤其是超級勢壘整流器(SBR)，解決了各種基于MOSFET的解決方案的缺點，在效率和耐用性上甚至超越了簡單的肖特基二極管。

7、電位保護(hù)電路：

8、保護(hù)ECU的常用方法包括使用阻塞二極管，或使用MOSFET作為理想二極管，以避免傳統(tǒng)整流二極管的低效率。

9、其他解決方案可以使用專門設(shè)計的集成電路。

10、最終，選擇的解決方案必須滿足最終應(yīng)用的特定環(huán)境所要求的性能，考慮元件的數(shù)量/復(fù)雜性、成本、能效和其它因素，也許最重要的是，它是否能完全承受故障條件和任何相關(guān)瞬變。

11、后者通常通過ISO7637-2定義的脈沖進(jìn)行評估，安裝在車輛上的設(shè)備的兼容性適用于傳導(dǎo)電氣瞬變的脈沖試驗，如下所示。

12、阻斷二極管是防止電池反接最簡單的方法。

13、與ECU負(fù)載串聯(lián)插入的整流二極管可以確保只有當(dāng)電池正確連接時電流才能流動。

14、因為不需要控制信號，所以電路復(fù)雜性和元件數(shù)量低。

15、另一方面，由于二極管的直流電壓VF，二極管在ECU通電期間一直在消耗能量，這可能在高功率應(yīng)用中造成顯著損失。

16、使用肖特基二極管等低VF器件代替標(biāo)準(zhǔn)整流器，可以降低標(biāo)準(zhǔn)整流器的損耗。

17、然而，肖特基二極管的反向泄漏特性特別依賴于溫度。如果在高溫下施加大的反向功率，會導(dǎo)致能量損失的增加，使器件容易熱失控。

18、在ECU的高端電源中插入一個MOSFET，并連接電網(wǎng)，只有在電池極性正確的情況下才開啟設(shè)備，這是一個替代方案。

19、由于MOSFET導(dǎo)通電阻(RDS(ON))通常只有幾毫歐，I2R功耗低于二極管VF造成的功耗。

20、此外，反向阻斷性能強(qiáng)于肖特基二極管。

21、可以使用n溝道或P溝道MOSFET，前提是器件的漏源體二極管的方向可以將電流以正確的方向傳導(dǎo)至ECU。

22、n溝道或p溝道MOSFET均可用于高端電池的反向保護(hù)。

23、n溝道器件以其低RDS(ON)提供最低功耗拓?fù)洹?/p>

24、然而，開啟MOSFET需要高于電池電壓的柵極電壓。

25、這需要一個電荷泵，如圖1所示，這增加了電路的復(fù)雜性和元件成本，同時也帶來了EMI挑戰(zhàn)。

26、相同尺寸的p溝道MOSFET將具有更高的RDS(ON ),因此功耗也更高，但可以使用更簡單的驅(qū)動電路來實現(xiàn)，包括齊納二極管和電阻。

27、雖然在低端電路中插入N溝道MOSFET可以消除對電荷泵的需求，但它也會給敏感的汽車系統(tǒng)帶來不可接受的接地失調(diào)。

28、圖1a。

29、提供MOSFET柵極電壓所需的電荷泵增加了復(fù)雜性，并且可能引入EMI問題。

30、圖1b:用于電池反向保護(hù)裝置的P溝道MOSFET需要更少的元件，但會產(chǎn)生更高的功率損耗。

31、超級勢壘整流器是二極管公司的專有整流器技術(shù)，它將傳統(tǒng)二極管的簡單性和魯棒性與肖特基二極管的低直流電壓相結(jié)合，提供了一種出色的性能解決方案來應(yīng)對電池反向保護(hù)的挑戰(zhàn)。

32、圖2顯示了如何將SBR插入ECU的高端電源，以及其模式和傳輸

圖 2. SBR 的連接方式與二極管或 MOSFET 相同，無需電荷泵電路。

超級勢壘整流器使用 MOS 通道為多數(shù)載流子創(chuàng)建低勢壘。

36、與典型的肖特基器件不同，這導(dǎo)致了低 VF 和高可靠性的結(jié)合。

37、同時，SBR 具有較低的反向泄漏，即使在高溫下也保持穩(wěn)定，從而最大限度地減少能量損失并避免與肖特基二極管相關(guān)的熱失控風(fēng)險。

38、此外，沒有肖特基結(jié)也確保了更高的浪涌容限。

39、此外，SBR 避免了 N 溝道 MOSFET 所需的電荷泵，這意味著沒有 EMI 問題。

盡管設(shè)計用于防止由于電池反向連接引起的電流流動，但保護(hù)裝置本身可能會暴露于潛在的破壞性瞬變。

41、雖然多種類型的開關(guān)瞬變可以產(chǎn)生持續(xù)時間短的脈沖，但最危險的高能脈沖是。

ISO 脈沖測試：

任何旨在保護(hù)車輛電池免受反向連接影響的解決方案還需要足夠強(qiáng)大，以承受開關(guān)瞬變，例如由為電感負(fù)載供電時突然斷開電源或負(fù)載突降等事件引起的高能脈沖，即當(dāng)電池在從交流發(fā)電機(jī)充電時斷開時。

當(dāng)應(yīng)用于提供反向電池保護(hù)的電路時，使用 ISO7637-2 定義的脈沖進(jìn)行測試以滿足這些條件中最苛刻的條件：

脈沖 1 表示在為電感負(fù)載供電時電源斷開的情況，其中整流器受到高負(fù)電壓脈沖的影響。

46、ISO 定義的脈沖條件如圖 3 所示。

圖 3. ISO 測試脈沖 1 模擬由電源斷開引起的嚴(yán)重負(fù)脈沖。

除此脈沖外，脈沖 3a 還使器件承受高負(fù)電壓，但此脈沖的持續(xù)時間非常短（0.1μs），此脈沖代表開關(guān)瞬態(tài)。

這些負(fù)瞬態(tài)電壓使保護(hù)裝置暫時處于雪崩狀態(tài)。

51、雪崩條件及其對半導(dǎo)體結(jié)的影響的詳細(xì)描述超出了本文的范圍。

52、然而，簡單來說，當(dāng)一個PN結(jié)受到雪崩條件時，該結(jié)被擊穿并允許大量的反向電流流過它。

53、如果設(shè)備不能處理所涉及的電流和能量，雪崩可能會造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。

54、在汽車電池反向保護(hù)應(yīng)用中，這些雪崩條件的發(fā)生是由于存儲在感應(yīng)負(fù)載（如繼電器）中的磁能和任何寄生電感，使其成為能量受限事件。

55、因此，如果該設(shè)備具有足夠的雪崩等級，則它可以在這些情況下生存。

必須選擇具有明確定義和保證雪崩規(guī)格的保護(hù)器件，例如反向保護(hù) SBR，其特性如圖 4 所示。

57、根據(jù)圖 3 中給出的脈沖波形和條件，脈沖中涉及的峰值雪崩功率1個測試可以計算為：

P avalanche_peak = V avalanche * I avalanche_peak

在哪里：

V雪崩= US = 100V

和：

I avalanche_peak = V雪崩/R i = 100V/10Ω = 10A

因此：

P avalanche_peak = 100V * 10A = 1000W

然而，與脈沖 1 產(chǎn)生的能量有關(guān)的數(shù)字是脈沖持續(xù)時間內(nèi)的平均功率，由下式給出：

P avalanche_average = 0.5 * V avalanche * I avalanche_peak = 0.5 * 100V * 10A = 500W

因此，由于 ISO7637-2 中規(guī)定的 Pulse 1 寬度為 2ms，從圖 4 可以看出，該 SBR 器件的雪崩性能超過了 ISO7637-2 的要求。

68、由于另一個負(fù)脈沖脈沖 3A 是持續(xù)時間僅為 100ns 的瞬態(tài)，因此符合脈沖 1 的設(shè)備也將通過脈沖 3A 測試。

圖 4：脈沖持續(xù)時間與最大雪崩功率（對于 Diodes SBR30A60CTBQ設(shè)備）

圖 5 比較了 10A 45V SBR 與兩個競爭性肖特基二極管的雪崩能力。

72、可以看出，SBR 的雪崩能力比肖特基技術(shù)好 3 到 10 倍。

73、因此，SBR 更適合發(fā)生反向雪崩條件的反向電池應(yīng)用。

74、通過精心設(shè)計，MOSFET 解決方案也可以實現(xiàn)類似于 SBR 的雪崩耐用性。

圖 5. 與肖特基二極管相比，SBR 出色的雪崩耐用性允許使用額定值較低的器件來提高效率。

脈沖 5a 表示當(dāng)交流發(fā)電機(jī)正在充電時放電電池斷開時發(fā)生的負(fù)載突降情況。

78、這是設(shè)備可以看到的最嚴(yán)重的正脈沖。

79、ISO7637 Pulse 5a 定義如圖 6 所示。

圖 6. 了解器件的浪涌電流能力有助于確定 ISO 7637 脈沖 5a 的生存能力。

對 Pulse 5a 的考慮得出的結(jié)論是，在選擇反向電池阻斷設(shè)備時，有關(guān)設(shè)備正向浪涌電流能力的信息是必不可少的。

83、Diodes Incorporated 的 ACQ101 合格 SBR 的數(shù)據(jù)表包含此信息。

結(jié)論：

在為汽車 ECU 實施所需的電池反極性保護(hù)時，有多種方法是可行的。

86、設(shè)計人員需要考慮 ECU 功耗和成本等因素，以實現(xiàn)效率、電路復(fù)雜性、電磁兼容性和耐用性的最佳組合。

87、超級勢壘整流器專為汽車等大功率、高溫應(yīng)用而開發(fā)，為肖特基二極管提供了價格具有競爭力的替代方案，并且可以在低成本、低復(fù)雜性和不受 EMI 影響的情況下提供更高的效率和可靠性問題，是優(yōu)先事項。

本文到此結(jié)束，希望對大家有所幫助。