汽車環境對於電子產品而言是相當苛刻的，任何連接到12V供電的電路，工作時必須承受超過一般9V 至 16V範圍的電壓變化，其它的極端情況亦包含負載突降、冷啟動、電池反接、雙電池跨接、突波、雜訊和極寬的溫度範圍等。

於負載突降期間，交流發電機的輸出電壓急速爬升到 60V 或更高；而形容在低溫環境下啟動車子的名詞-冷啟動，將造成電池電壓下降至6V 或更低。電池反接是因跨接一個失效電池時，不小心弄錯了電線的極性所導致。許多拖車配備兩顆串聯的12V電池，以在冷天時啟動這些掛著無效電池的車輛，此舉會將整個電力系統提高到 28V的電壓範圍，且持續至車輛發動後，拖車駕駛拿掉跨接電線為止；而突波和雜訊亦是意料中的事，因為汽車電子系統內包含了高電流馬達、繼電器、電磁閥、燈和震動開關接觸器。另外，交流發電機-一個具有截波穩壓功能的三相設備-有時會以非常高的電流進行電池充電；而最後，是為了在汽車環境中操作而設計的電路－特別是在負載突降和雙電池跨接情況時，需承受高輸入電壓的電路。

被動保護架構

汽車電子零件的被動保護電路如(圖一)所示，相同或類似於此架構的設計，廣泛地運用於保護各種連接到汽車12V排線的系統。此架構網路可防護高壓突波、持續的過壓、電池反接和過量電流汲取。電流保護作用是相當明確的，當負載電流超過1A且持續一段時間後，保險絲 F1 將會燒斷。D1和F1則可防護電池反接，當大電流流經順向偏置D1時，保險絲也會燒斷。電解電容的一個有趣特點，是其工作在額定電壓的150％左右：當終端電壓增加時，其可吸收更高的電流，以C1而言，在持續輸入突波情況下，可作為箝位（最後燒斷保險絲）。雙電池跨接所累積出的28V電壓並不會燒斷保險絲，因為額定電壓為25V的C1仍然足以吸收非常少的過量電流。電感自身所產生的小電阻可以限制峰值錯誤電流，限制輸入瞬態的旋轉率以幫助在突波存在時C1的箝位作用。

被動電路的主要缺點，在於其仰賴燒斷保險絲以獲得過流、過壓和電池反接的保護，而另一個缺點，是其對箝位用電解電容的依賴。隨著電容老化和乾涸，其ESR增加，削弱了箝制能力，有時會以大稽納二極體取代D1以協助電容的箝位，而主動電路的開發，便是用來克服這些不足之處。

《圖一 被動保護電路具有簡易的特色》

主動電路

(圖二)展示了保護敏感電路免於12V汽車系統偏異行為傷害的主動解決方案。LT1641 被用於驅動一個N通道的輸入MOSFET，提供被動方案所無法提供的額外保護。首先，LT1641 在輸入電壓低於9V情況時關閉負載，以避免在低輸入電壓時發生錯誤操作，以及讓系統在啟動或者充電系統失效時，不會提供精確電流予不重要負載。第二，LT1641在電力剛供應時，以緩慢地提高輸出方式來軟啟動負載。第三，利用電流限制和計時電路斷路器來保護輸出免受過載和短路傷害。當發生電流異常事件時，電路斷路器會以1-2Hz的速率自動重試；保護電路上行保險絲容量的界定，可選在LT1641下行電流異常發生時也不會燒斷的容量。最後，圖二的電路可阻斷出現在輸入端的過壓異常，同時還可提供箝位輸出，如此負載電路雖然經歷過壓事件卻仍繼續工作。

在正常12V輸入的情況下，LT1641會充電閘極至約20V左右，以完全打開MOSFET提供功率到負載。一個27V的稽納二極體，D1接於閘極和接地端之間，但不會影響9～16V 的工作範圍。當輸入提高至 16V時，LT1641 繼續充電閘極，試圖讓MOSFET 保持在全開的情況。假如輸入電壓升得太高，稽納二極體可箝制MOSFET 閘極，將輸出電壓限制在24V左右。LT1641本身可承受達100V的輸入，且不受發生在閘極的箝制作用影響。閘極箝制架構當然比被動解決方案更精準，而且藉由為D1選擇一個合適的崩潰電壓，便可以輕易地被調適以滿足負載要求。

圖二所展示的電路，適合1A左右的負載，如果需求更高負載電流，則建議採用(圖三)的電路，以避免在MOSFET發生過度功耗。如果過壓情況持續，例如當電力系統是由兩個串聯電池供電以延長時間、或緩慢負載突降湧浪和小型MOSFET，則超量功率消耗便成為一項風險。D1 和 Q2用於對輸出取樣，如果輸入超出16.7V，將會有一個訊號被送回SENSE 接腳以將輸出穩定於16.7V。穩壓會比前一個電路圖一更精準，並且選擇適合的稽納二極體，便能很輕易地滿足負載要求。

總功耗係受限於TIMER 接腳，其控制著MOSFET 用於穩壓輸出的總時間。如果過壓持續長達15ms以上，LT1641 就會關閉讓MOSFET 冷卻下來，而電路將在半秒後試圖重啟動，此循環將持續直到過壓異常被解除或恢復正常操作為止。過流異常的處理方式與圖二所描述相同。

《圖二 過壓瞬變保護器將輸出箝制於24V，且輸入降低至9V以下便會自行斷開》

電池反接

當順向壓降變得重要時，藉由併入一個串聯二極體、一個傳統p-n二極體、或蕭特基二極體，便可將電池反接保護加入圖二或圖三的電路內。對於無法接受阻斷二極體功耗的某些重要應用而言，(圖四)所顯示的簡單附加電路將可滿足其需求。在正常操作條件下，MOSFET Q2的體二極體被順向偏置，傳輸功率給LT1641，當裝置（LT1641）被啟動，其閘極驅動將傳至Q2，進而將其完全開啟。如果輸入為反向，Q3的發射極被拉到接電電壓以下而導通，接著拉低Q2的閘極並讓其保持接近Q2的源極電壓，在這種情況下，Q2將保持關閉，並阻斷反向輸入至LT1641和負載電路的途徑，而一個不具影響性的微安培位準電流會流經1M-ohm 電阻到達LT1641的GATE 接腳。

《圖三 穩壓箝位箝制輸入突波，並保護MOSFET 免於發生過度功耗》

以高電壓 LDO 作為電壓限制器

降壓穩壓器，如擁有最大25V額定輸入電壓的LT1616 而言，一般不會作為汽車應用。然而，如果結合一個低壓降（LDO）線性穩壓器，例如 LT3012B/LT3013B ，欠壓異常便可被輕易地克服。(圖五)中所展示的小型、有效的組合可在汽車環境中提供3.3V 輸出。LT3013B 具有4V 至 80V寬廣輸入電壓範圍，內建電池反接保護、節省成本和板面空間，無需特別的電壓限制或箝制電路。當工作在中等負載電流時，LDO 穩壓器的效率近似於VOUT/VIN，如果VOUT低於VIN，LDO 的效率就不高，例如，將一個12V輸入降壓至3.3V 輸出之效率僅28％。讓LT3013B 以低壓差方式工作於正常的輸入電壓範圍，可提高圖 5的效率，在此情況下，LT3013B 的輸出電壓設定為24V。LDO的輸出剛好比VIN低400mV，因而以97％效率供電予工作在正常範圍中心的LT1616 降壓穩壓器。當發生負載突降時，VIN 也許會升高至80V ，但LT3013B 仍然可進行穩壓工作，對於任何超出24.4V的VIN，都能有效地限制其輸出於24V，並完全屬於LT1616開關穩壓器的額定能力內。如果VIN升高超過24.4V，LDO 的效率會降低，但此狀態僅持續很短的時間，因此不具影響。LT1616將LT3013B 的限制輸出轉換為3.3V，開關穩壓器在12V輸入時的效率約為80％。在冷啟動時，車輛的電壓可能降至5V，這種情況下，LT1616的輸入電壓為4.6V，也完全在其工作範圍內。圖五電路的測試結果則顯示於(圖六)和(圖七)。LT3013B LDO穩壓器和LT1616開關穩壓器的組合，可將3.3V輸出穩定於一個寬廣的典型汽車12V電力系統工作電壓範圍內，且不影響效率。

《圖四 針對圖二和圖三所設計的電池反接保護》

整合性的解決方案

另一更具整合性的解決方案，即是 LT3437 [1]。 LT3437 是一款200KHz、單晶片集成電路降壓穩壓器，可接受3.3V 至 80V 的輸入電壓範圍。其在無負載時的100uA靜態電流，對於現今always on系統而言，是一個必要需求。而一個便宜的二極體即可與輸入串聯，以提供電池反接保護。

《圖五 以LT3013B 作為電壓限制器》

結論

本文介紹了汽車電子環境的挑戰和傳統被動保護電路。許多使用LT1641-2、 LT3013B/LT1616 和 LT3474 的電路，便是為了在汽車環境中工作而設計的。

《圖六 圖五電路波形》

《圖七 圖五電路波形》