汽車電子設備一定要防止反極性電源（reverse polarity）。反極性電源可能發生在當纜線連接到沒電或是過度放電電池的錯誤跨接或是新的電池被安裝倒反時。假若沒有這種保護，過熱的情況會導致電子模組故障，或是不經意的起動例如電磁線圈與馬達等車輛負載，從而導致不安全的情況。傳統的保護技術可能不是很昂貴就是會導致過度的電壓降，從而波及到若干系統的功效。使用高分子正溫度係數（PPTC）的新技術，例如Raychem的 PolySwitch產品，不但能解決這些缺陷，還能提供許多額外的好處。

傳統式的二極體保護

防護電子組件不受反向電池的狀況而損壞的一做法是利用串聯二極體，因為這種二極體能防止電流反向運行(圖一)。

《圖一　電子模組典型的輸入電路》

利用串聯二極體的缺點是這種方式所固有的電壓損失（0.7～1.0V），而且它會減少可供電子模組運轉的電壓。在若干汽車電子模組中（例如是引擎控制〉，系統操作的電壓甚為重要，而要確保車輛在電池低電量之際能夠發動，則必須把通過二極體的電壓降減到最低。以其它的案例而言，例如是音響系統的電壓對於音響可以輸出的功率（Po=V*I=V2/R）有直接的影響，易言之就是事關音響的效能。為了把電壓損失減到最低， 若干電子模組使用的是蕭特基（Schottky）二極體，其特性是把電壓降減到0.5V以下。

而利用一具標準的二極體或是蕭特基二極體來做反極性保護，二極體的載流量（以安培計算）則是取決於將與其連接的負載的大小。當通過電子模組的電流低於1A時，這具標準的二極體的成本，相對來說可能不高（＜0.05美元）。然而，如果利用的是一具蕭特基二極體，或是電流超過1A，那麼成本就相當高了。

選擇二極體的大小時所要考慮的另一項因素是衝擊電流量，以及二極體吸收與消除衝擊電流的能力。衝擊電流是在負載驟降中所產生的。當交流發電機供電之際，切斷電池電源則會導致負載驟降。負載驟降的波形特點是會在幾毫秒內達到峰值電壓，然後在幾百毫秒中呈指數式的衰降。一般而言，這是矽晶設備最差的等級考量。

PPTC 保護

PPTC 設備，例如PolySwitch的產品，是半結晶聚合物與導電微粒的合成物產品。在正常的操作情況下，導電微粒提供一個低抵抗路徑讓電流運行。在高溫所導致的接觸不良情況下，例如是過多的電流或是週遭的溫度過高，聚合物中的微晶會溶化而變得沒有定型，導致微粒因為該設備中的阻力大幅與非線性的增加而分開。阻力增加的特性是呈三級（three orders）或是三級以上，把電流降到相對而言較低與較安全的程度。在接觸不良的問題解決與電路的通電切斷後，PolySwitch PPTC設備會重接（reset）。

《圖二　使用PolySwitch的輸入電路》

以PolySwitch取代先前的二極體(圖二)提供了多重的利益，包括電壓損失的減少，這是因為整個PPTC設備的電壓降都大約是0.1V。其次，PPTC設備可以提供額外的電路保護給其它的電子組件（線、 纜、 繼電器、固態組件等等〉。

對於功率金屬氧化半導體場效應晶體管（MOSFET）電路的保護

對於使用功率金屬氧化半導體場效應晶體（power MPSFET）做為各種負載固態切換的電子模組，則有高端或是低端驅動配置(圖三)(a)所產生的其它反極性顧慮。一旦有了反極性， power MOSFET所固有的內部二極體則會變成正向偏壓，而且讓電流運行到它所連接的馬達、車燈或是電磁線圈的負載圖三(b)。

《圖三　反極性的等效電路 》

這並不會創造出一個瞬間而嚴重的意外情況。 然而，場效電晶體（FET）的電力散失卻會較常態增加約五倍，因為現在整個設備的電壓降大約是1V〈由於電流經過設備本身的二極體的正負接面〉，而不是常態正向的VDS電壓0.2V〈從整個的漏極到源極來衡量〉。除非接著有妥當的散熱管理，例如是使用一具大小適當的散熱器來驅散反極性持續期間所產生的熱，否則在這種情況持續的運轉可能最後會引起MOSFET的熱破壞。

額外的散熱器會增加這種應用的成本、重量與大小，而這些都是造車廠與供應商想要減少的特性。即使是一具有熱保護的FET，諸如TEMPFET在這種情況下也不能自保而免於熱破壞，這是因為FET閘不控制經過其本身的二極體的電流。

把PPTC元件加到負載的串聯並接上一具傍路（bypass）二極體 ，請詳見(圖四)(d)則有助於提供反向電池保護，而且能用較小的散熱器 。更須注意的是，藉由防止電流反向的運行，不經意的起動電磁線圈或是馬達則能夠避免。

感應負載與I反向電池

處理感應負載常見的做法是利用一具飛輪（freewheeling）二極體連接到整個負載來壓制負載關閉時所產生的電壓突增。 圖四(a)顯示與感應負載一起被用做為高端與低端開關的power MOSFET。在反極性的情形下， 電流會經過FET本身的正向偏壓二極體以及整個負載的飛輪二極體，在電源的正負接頭間產生一個直接短路，見圖四(b)。阻止電流如此運行的方法是利用一具圖四(c)所示的串聯二極體。然而，如前文所指出，高電流負載會使這種情形的成本高昂。一項替代方案則是利用PPTC設備與較小的二極體連接，如圖四(d)所示。這種技術比較經濟，而且實際上消除了串聯阻隔二極體所固有的電壓損失。以這種配置，則可以用一具較小的二極體，因為它只需要承受跳脫PPTC 設備所需的衝擊電流，而不似串聯二極體必須要持續的支援滿載電流。

《圖四　處理感應負載常見四種方式》

馬達的保護

多數車輛為了舒適與便利而使用的小馬力（fractional horsepower）馬達是有刷直流馬達。這種驅動諸如電動窗、電動椅與電動鎖的雙向馬達固態方法是使用「H 橋」〈H-bridge〉配置，如(圖五)(a)所示的四具連接起來的Power MOSFET。

要正向的旋轉馬達，則須第一號與第四號 MOSFET同時的開啟。要負向的旋轉馬達，則第二號與第三號 MOSFET同時的開啟。連接到H橋電路的反極性產生出電源正負接面之間兩具平行連接的本身串聯二極體的等效電路圖五(b)，基本上創造出了一個短路。

如前文所指出的原因一樣，利用串聯阻隔二極體就經濟而言未必可行。然而，利用串聯 PPTC設備則能具經濟效益的提供反極性保護，而且同時把系統中的電壓損失減到最低圖五(c)。一個反極性情況中的等效電路顯示在圖五(d)。概言之， FET本身的二極體將很容易的就能提供使PPTC設備在毫秒之內跳脫所需的瞬間衝擊電流。

《圖五　四具連接起來的Power MOSFET》

以圖二、圖三(b)、圖四(d)與圖五(d)所示的電路而言，在反極性狀況下二極體所產生的電流路徑一定要有衝擊量等級， 從而將使PPTC 設備跳脫而同時維持在二極體的安全操作範圍（ Safe Operating Area；SOA）內。易言之，PPTC 設備的「延時跳脫」一定不得超過二極體的衝擊電流─時間能量。PPTC設備有一系列的電流與最高延時跳脫等級來滿足大多數應用上的需要。

減少車輛中的電力損失

車輛不斷增加的負載已經促使造車廠與他們的電子系統協力廠商，必須定義下一代車輛的供電系統，俾能取代自從1950年代中期就一直使用於車輛的12V電池系統。PowerNet規格所定義的一套車輛供電系統的電壓限制是目前所規範的系統的三倍。

這種42V系統包括對於仍可用於雙電壓架構的12V產品較嚴的規格。當今的低電力產品與高電力的42V產品結合，將可以繼續使用許多年。由於升級到42V供電系統的相關費用，汽車製造商正在延後這種系統的實施，而且在尋求減少耗電的機會。

一個減少耗電的方法是利用無刷直流馬達，尤其是利用在較高的電力應用方面。 無刷直流馬達也有因為無刷而不會耗損的長處，而且因為沒有刷子要形成弧形，因此電磁干擾較低。在三段無刷馬達中，MOSFET相接結構（bridge topology）的三條腿（three legs）與有刷馬達的兩條腿（two legs）類似。雖然不幸的是反向電池對於無刷直流馬達也有相同的影響，但是圖五(c)所提出的相同的PPTC反向電池保護配置也能夠應用在無刷直流馬達上。

對於已經接近供電系統極限的車輛，用PPTC 設備取代串聯二極體有一個額外的益處。 由於在串聯二極體中的電力損失與電壓成比例，所以把一個20Amp電路中PPTC 設備的二極體0.7V的電壓降減低到大約0.1V，則將減少耗電12瓦（0.7～0.1）×20。車輛平均而言有許多個馬達，而這種技術的特性則是能節省100瓦或是更多。

這些種類的節電將使過渡到較高的電壓延後幾年。若干車輛，例如是通用汽車公司的GMC Sierra與雪佛蘭的Silverado，在一些2004車型中將會有有限的42V系統。為了42V 車輛所正在開發的規格中，反向電池並不受認可。這些已經被討論過的方法則可能幫助車輛製造商確保這些規格會被達成。

迎向未來的安全之道

由於車輛製造商增添的電子功能越來越多，任何單一的接觸不良─例如是反向電池都可能使故障增加。利用耗電最低的解決方案以及維持預算目標對於造車廠越來越重要。PPTC設備能幫助製造商減少組件成本，而且改進電子系統的效率與可靠度。（作者為泰科電子Raychem電子部汽車產業業務經理）