自動車用ロードダンプの過電圧保護

投稿では、敏感で洗練された最新の自動車用電子機器を、車両の電気に発生する一時的なDC電気スパイクから保護するための、自動車用ダンプ負荷の形での過電圧カットオフ保護回路について説明しています。

過渡バス電圧は、集積回路にとって重大なリスク要因です。集積回路が許容するように指定できる最大ブレークダウン電圧は、そのスタイルと設計アプローチによって決定され、小型のCMOSデバイスでは主に低くなる可能性があります。

過渡電圧とは

ICの絶対最高電圧仕様を破る一時的または反復的な過電圧状況は、デバイスに不可逆的に害を及ぼす可能性があります。

過電圧安全性の必要性は、ピークの「ロードダンプ」トランジェントが通常GOVと同じくらい高い自動車の12Vおよび24V設計で特に一般的です。特定の負荷保護戦略は、アバランシェダイオードやMOVと同様のデバイスを介して入力トランジェントをグランドにシャントします。

シャント方式の難しさは、大量の電力が処理される可能性があることです。

シャントテクニック 過電圧状態全体で継続的な保護を提供する義務がある場合（デュアルバッテリーで発生するため）、通常は望ましくありません。

デザイン

図1に示す自動車用ロードダンプ用の過電圧保護回路は、24Vの最適な入力電圧を持つスイッチングレギュレータ負荷を保護するために構築された完全な直列切断または直列カットオフ回路です。

この回路は経済的なディスクリートデバイスを対象としており、単一のデバイスを使用します テキサスインスツルメンツ LMV431AIMF。

この回路がPFETパスデバイス（Q1）を採用していることを考えると、わずかな順方向電圧降下または関連する電力損失が発生する可能性があります。

回路図

図1

礼儀 ： 自動車用ロードダンプ用の過電圧保護回路

LM431AIMFダイオードのしくみ

LMV431AIMF（D1）適応リファレンスは、ツェナーダイオードまたは同様に他の代替オプション（1％バージョン、Bバージョンの場合は0.5％）。

この精度と信頼性を維持するために、抵抗R1とR2は1％の許容誤差になるように選択されているか、さらに優れていることが推奨されます。

可変基準電圧は通常、誤って考えられる可能性があります。たとえば、「そのダイオードで終端する3番目のワイヤは何ですか？」

さまざまな種類の可変電圧リファレンスがあります。異なる内蔵設定電圧を持っている一方で、交流方向の極性を持つものもあります。

それらはすべて、いくつかの基本的な（そして非常に重要な）ステージで識別できます。温度調整された正確なバンドギャップ電圧リファレンスと、ゲインエラーアンプ（前述の回路にコンパレータとして組み込まれています）。

部品の大部分は、オープンコレクターまたはエミッターを組み込むことによってユニポアの結果を示します。図2は、Texas InstrumentsLMV431AIMF内で予想されることを概念的に示しています。

カットオブスレッショルドの計算

入力電圧は、LMV431によってチェックおよび制御されます。 分圧器 R1とR2。図1に詳細が示されている回路は、19.2Vでアクティブになるように構成されていますが、レベルの任意のカットを選択できます。これは、次の式を使用して計算できます。

Vtrip = 1.24 x（R1 + R2 / R1）

R2 = R1（Vtrip / 1.24-1）

使い方

LMV431の出力は、設定された基準ピンが1.24Vを超えることが検出されるとすぐにダウンします。 LMV431のカソードは、約1.2Vの飽和レベルまで下げることができます。

上記のレベルは、Q2をオフにするのにちょうど十分かもしれません。 Q2は、ゲートしきい値を高くするために主に手作業で選択されました（> 1.3V）。これを考慮せずに第2四半期の代わりに使用することはお勧めしません。

D1、Q2、およびQ1のチップ動作条件は、19.2Vのポイントカットを含む条件について表1に示されています。

回路の動作状態の詳細を図3に示します。レベルのカットは、約2.7VからGOV付近であると予想できます。約2.7V未満では、回路がオフ状態に移行しているのが見られる場合があります。

その理由は、Q1とQ2のソースしきい値にゲートをレベルアップするのに十分な入力電圧がないためです。

オフ状態の間、回路は入力に約42 kQを提供します（オフ状態の静止負荷）。ツェナーダイオードD2およびD3は、オーバーシュートゲートをQおよびQ2（20Vを超えることは許可されない場合があります）で表されるソース電圧に制限するために重要です。

D3も同様に、Dのカソードが指定された制限である35Vを超えて発射するのを抑制します。抵抗Rdは、Q2へのバイアスの低下を保証するため、オフ状態でQ2のドレインリークを満たすことができます。

Qのボディダイオードを監視することは重要です。これは、誤って接続されたバッテリー（反対の極性の入力電圧）に対する負荷に対する保護がないことを意味します。

間違ったバッテリー極性の状態を保護できるようにするために、ブロッキングダイオードを組み込むことをお勧めするか、強化された代替（前後に）PFETも必要になる場合があります。

回路は、条件をかなりゆっくりと再確立しますが、即座に作動することに起因していることがわかります。コンデンサCは、過電圧が検出されている場合でも、LMV431を介して負への急速な放電を示します。

状況が通常に戻るとすぐに、再接続はR3-C1時間遅延変数によってわずかに保持されます。

かなりの数の負荷（レギュレータである可能性があります）は、過渡スルーレートを抑制することによってカットオフ回路が機能するための時間遅延を可能にする実質的な入力コンデンサを採用しています。

標準トランジェントの動作パターンと利用可能な静電容量が原因で、意図した遅延応答時間を修正します。

自動車用ロードダンプ用に提案された過電圧保護回路からのシャットオフ実装は、約12秒で行われます。予想される最大の過渡上昇期間は、C（負荷）によって上記の期間にバランスの取れたレベルで制約されます。

この回路は、1 pFのC（負荷）で検証されました。より大きな負荷を試すことができ、急速なサージを考慮すると問題ありません。ソースインピーダンスの過渡現象が減少します。