汽车电子设备一定要防止反极性电源（reverse polarity）。反极性电源可能发生在当缆线连接到没电或是过度放电电池的错误跨接或是新的电池被安装倒反时。假若没有这种保护，过热的情况会导致电子模块故障，或是不经意的起动例如电磁线圈与马达等车辆负载，从而导致不安全的情况。传统的保护技术可能不是很昂贵就是会导致过度的电压降，从而波及到若干系统的功效。使用高分子正温度系数（PPTC）的新技术，例如Raychem的 PolySwitch产品，不但能解决这些缺陷，还能提供许多额外的好处。

传统式的二极管保护

防护电子组件不受反向电池的状况而损坏的一做法是利用串联二极管，因为这种二极管能防止电流反向运行(图一)。

《图一 电子模块典型的输入电路》

利用串联二极管的缺点是这种方式所固有的电压损失（0.7～1.0V），而且它会减少可供电子模块运转的电压。在若干汽车电子模块中（例如是引擎控制〉，系统操作的电压甚为重要，而要确保车辆在电池低电量之际能够发动，则必须把通过二极管的电压降减到最低。以其它的案例而言，例如是音响系统的电压对于音响可以输出的功率（Po=V*I=V2/R）有直接的影响，易言之就是事关音响的效能。为了把电压损失减到最低， 若干电子模块使用的是萧特基（Schottky）二极管，其特性是把电压降减到0.5V以下。

而利用一具标准的二极管或是萧特基二极管来做反极性保护，二极管的载流量（以安培计算）则是取决于将与其连接的负载的大小。当通过电子模块的电流低于1A时，这具标准的二极管的成本，相对来说可能不高（＜0.05美元）。然而，如果利用的是一具萧特基二极管，或是电流超过1A，那么成本就相当高了。

选择二极管的大小时所要考虑的另一项因素是冲击电流量，以及二极管吸收与消除冲击电流的能力。冲击电流是在负载骤降中所产生的。当交流发电机供电之际，切断电池电源则会导致负载骤降。负载骤降的波形特点是会在几毫秒内达到峰值电压，然后在几百毫秒中呈指数式的衰降。一般而言，这是硅晶设备最差的等级考虑。

PPTC 保护

PPTC 设备，例如PolySwitch的产品，是半结晶聚合物与导电微粒的合成物产品。在正常的操作情况下，导电微粒提供一个低抵抗路径让电流运行。在高温所导致的接触不良情况下，例如是过多的电流或是周遭的温度过高，聚合物中的微晶会溶化而变得没有定型，导致微粒因为该设备中的阻力大幅与非线性的增加而分开。阻力增加的特性是呈三级（three orders）或是三级以上，把电流降到相对而言较低与较安全的程度。在接触不良的问题解决与电路的通电切断后，PolySwitch PPTC设备会重接（reset）。

《图二 使用PolySwitch的输入电路》

以PolySwitch取代先前的二极管(图二)提供了多重的利益，包括电压损失的减少，这是因为整个PPTC设备的电压降都大约是0.1V。其次，PPTC设备可以提供额外的电路保护给其它的电子组件（线、 缆、 继电器、固态组件等等〉。

对于功率金属氧化半导体场效应晶体管（MOSFET）电路的保护

对于使用功率金属氧化半导体场效应晶体（power MPSFET）做为各种负载固态切换的电子模块，则有高端或是低端驱动配置(图三)(a)所产生的其它反极性顾虑。一旦有了反极性， power MOSFET所固有的内部二极管则会变成正向偏压，而且让电流运行到它所连接的马达、车灯或是电磁线圈的负载图三(b)。

《图三 反极性的等效电路 》

这并不会创造出一个瞬间而严重的意外情况。 然而，场效晶体管（FET）的电力散失却会较常态增加约五倍，因为现在整个设备的电压降大约是1V〈由于电流经过设备本身的二极管的正负接面〉，而不是常态正向的VDS电压0.2V〈从整个的漏极到源极来衡量〉。除非接着有妥当的散热管理，例如是使用一具大小适当的散热器来驱散反极性持续期间所产生的热，否则在这种情况持续的运转可能最后会引起MOSFET的热破坏。

额外的散热器会增加这种应用的成本、重量与大小，而这些都是造车厂与供货商想要减少的特性。即使是一具有热保护的FET，诸如TEMPFET在这种情况下也不能自保而免于热破坏，这是因为FET闸不控制经过其本身的二极管的电流。

把PPTC组件加到负载的串联并接上一具傍路（bypass）二极管 ，请详见(图四)(d)则有助于提供反向电池保护，而且能用较小的散热器 。更须注意的是，藉由防止电流反向的运行，不经意的起动电磁线圈或是马达则能够避免。

感应负载与I反向电池

处理感应负载常见的做法是利用一具飞轮（freewheeling）二极管连接到整个负载来压制负载关闭时所产生的电压突增。 图四(a)显示与感应负载一起被用做为高端与低端开关的power MOSFET。在反极性的情形下， 电流会经过FET本身的正向偏压二极管以及整个负载的飞轮二极管，在电源的正负接头间产生一个直接短路，见图四(b)。阻止电流如此运行的方法是利用一具图四(c)所示的串联二极管。然而，如前文所指出，高电流负载会使这种情形的成本高昂。一项替代方案则是利用PPTC设备与较小的二极管连接，如图四(d)所示。这种技术比较经济，而且实际上消除了串联阻隔二极管所固有的电压损失。以这种配置，则可以用一具较小的二极管，因为它只需要承受跳脱PPTC 设备所需的冲击电流，而不似串联二极管必须要持续的支持满载电流。

《图四 处理感应负载常见四种方式》

马达的保护

多数车辆为了舒适与便利而使用的小马力（fractional horsepower）马达是有刷直流马达。这种驱动诸如电动窗、电动椅与电动锁的双向马达固态方法是使用「H 桥」〈H-bridge〉配置，如(图五)(a)所示的四具连接起来的Power MOSFET。

要正向的旋转马达，则须第一号与第四号 MOSFET同时的开启。要负向的旋转马达，则第二号与第三号 MOSFET同时的开启。连接到H桥电路的反极性产生出电源正负接面之间两具平行连接的本身串联二极管的等效电路图五(b)，基本上创造出了一个短路。

如前文所指出的原因一样，利用串联阻隔二极管就经济而言未必可行。然而，利用串联 PPTC设备则能具经济效益的提供反极性保护，而且同时把系统中的电压损失减到最低图五(c)。一个反极性情况中的等效电路显示在图五(d)。概言之， FET本身的二极管将很容易的就能提供使PPTC设备在毫秒之内跳脱所需的瞬间冲击电流。

《图五 四具连接起来的Power MOSFET》

以图二、图三(b)、图四(d)与图五(d)所示的电路而言，在反极性状况下二极管所产生的电流路径一定要有冲击量等级， 从而将使PPTC 设备跳脱而同时维持在二极管的安全操作范围（ Safe Operating Area；SOA）内。易言之，PPTC 设备的「延时跳脱」一定不得超过二极管的冲击电流─时间能量。PPTC设备有一系列的电流与最高延时跳脱等级来满足大多数应用上的需要。

减少车辆中的电力损失

车辆不断增加的负载已经促使造车厂与他们的电子系统第三方，必须定义下一代车辆的供电系统，俾能取代自从1950年代中期就一直使用于车辆的12V电池系统。PowerNet规格所定义的一套车辆供电系统的电压限制是目前所规范的系统的三倍。

这种42V系统包括对于仍可用于双电压架构的12V产品较严的规格。当今的低电力产品与高电力的42V产品结合，将可以继续使用许多年。由于升级到42V供电系统的相关费用，汽车制造商正在延后这种系统的实施，而且在寻求减少耗电的机会。

一个减少耗电的方法是利用无刷直流马达，尤其是利用在较高的电力应用方面。 无刷直流马达也有因为无刷而不会耗损的长处，而且因为没有刷子要形成弧形，因此电磁干扰较低。在三段无刷马达中，MOSFET相接结构（bridge topology）的三条腿（three legs）与有刷马达的两条腿（two legs）类似。虽然不幸的是反向电池对于无刷直流马达也有相同的影响，但是图五(c)所提出的相同的PPTC反向电池保护配置也能够应用在无刷直流马达上。

对于已经接近供电系统极限的车辆，用PPTC 设备取代串联二极管有一个额外的益处。 由于在串联二极管中的电力损失与电压成比例，所以把一个20Amp电路中PPTC 设备的二极管0.7V的电压降减低到大约0.1V，则将减少耗电12瓦（0.7～0.1）×20。车辆平均而言有许多个马达，而这种技术的特性则是能节省100瓦或是更多。

这些种类的节电将使过渡到较高的电压延后几年。若干车辆，例如是通用汽车公司的GMC Sierra与雪佛兰的Silverado，在一些2004车型中将会有有限的42V系统。为了42V 车辆所正在开发的规格中，反向电池并不受认可。这些已经被讨论过的方法则可能帮助车辆制造商确保这些规格会被达成。

迎向未来的安全之道

由于车辆制造商增添的电子功能越来越多，任何单一的接触不良─例如是反向电池都可能使故障增加。利用耗电最低的解决方案以及维持预算目标对于造车厂越来越重要。PPTC设备能帮助制造商减少组件成本，而且改进电子系统的效率与可靠度。（作者为泰科电子Raychem电子部汽车产业业务经理）