保護(hù)敏感電子組件，抵御高壓瞬態(tài)

汽車和工業(yè)應(yīng)用中常常遇到持續(xù)時(shí)間從幾微秒到數(shù)百毫秒的高壓電源尖峰。這些系統(tǒng)中的電子產(chǎn)品不僅必須耐受瞬態(tài)電壓尖峰而不被損壞，而且在很多情況下還必須在出現(xiàn)電壓尖峰時(shí)自始至終可靠工作。在電源通過長(zhǎng)導(dǎo)線分配的系統(tǒng)中，負(fù)載步進(jìn) (即負(fù)載電流突然變化) 會(huì)引起嚴(yán)重的瞬態(tài)。尤其引人注意的是負(fù)的負(fù)載步進(jìn)，這時(shí)負(fù)載電流從較大的值降低為較小的值。負(fù)的 dl/dt 引起導(dǎo)線寄生電感，產(chǎn)生正向高壓尖峰，這可能引起由同一條導(dǎo)線供電的周圍器件之損壞?？焖儇?fù)載切換 (如繼電器、開關(guān)觸點(diǎn)、固態(tài)負(fù)載切換等) 會(huì)產(chǎn)生尤其高的 dl/dt 值。電源和負(fù)載之間的連接受到損害可能導(dǎo)致電流突然中斷，從而產(chǎn)生大的 dl/dt 值。最能說(shuō)明問題的一個(gè)例子是汽車拋負(fù)載，在這種情況下，震動(dòng)和終端受損造成與電池的連接突然斷開。

拋負(fù)載可能引起電壓浪涌，且該浪涌可能持續(xù)數(shù)百毫秒時(shí)間。根據(jù)汽車工程師學(xué)會(huì) (Society of Automotive Engineers) 的數(shù)據(jù)，這種瞬態(tài)電壓的幅度可能高達(dá) 125V。典型的拋負(fù)載曲線如圖 1 所示，其具有 5ms 的上升時(shí)間，并呈指數(shù)性衰減 (具有一個(gè) 200ms 的時(shí)間常數(shù))。在工業(yè)系統(tǒng)中，由于螺線管及電機(jī)中的再生制動(dòng)會(huì)引發(fā)相似的事件。

圖 1：典型拋負(fù)載曲線

業(yè)界強(qiáng)烈需要用于抑制浪涌、尖峰和瞬變的方法，從而使得關(guān)鍵性的電子子系統(tǒng)不僅可以安然承受，而且還能在此類過程中繼續(xù)運(yùn)作。持續(xù)時(shí)間很短的過程 (例如：尖峰和瞬變) 可以容易地利用基于電感器的濾波器和大的旁路電容器來(lái)抑制。而持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的浪涌抑制起來(lái)則不那么容易，其需要依賴于高功率分路箝位器和有損耗的串聯(lián)限流電阻。

目前已經(jīng)開發(fā)了一種隔離任何類型浪涌、尖峰和瞬態(tài)的新方法。LT4356浪涌抑制器用一個(gè)外部 N 溝道 MOSFET 實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)-通路穩(wěn)壓器。在通常情況下，LT4356 驅(qū)動(dòng) MOSFET，使其完全接通，這樣輸入功率直接通過來(lái)到負(fù)載電路，只有一點(diǎn)損耗。如果輸入電壓上升到高于某個(gè)值，那么 LT4356 開始將輸出調(diào)節(jié)到一個(gè)安全值。MOSFET 作為跟隨器限制峰值饋通，調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間由 MOSFET 柵極上的補(bǔ)償電容器控制。

LT4356 無(wú)需笨重的濾波組件，同時(shí)隔離低壓電路使其免受損壞。最重要的是，LT4356 調(diào)節(jié)輸出時(shí)無(wú)需在其下游使用高壓額定值組件。相反，可以使用較低成本的低壓組件，LT4356 可以隔離高壓使其不能到達(dá)這些低壓組件。

圖 2 顯示了 LT4356 對(duì)拋負(fù)載的響應(yīng)。輸入突然上升到 80V，但是輸出被調(diào)節(jié)到一個(gè)安全值。浪涌消散后，LT4356 返回空閑狀態(tài)，將 MOSFET 過驅(qū)動(dòng)至低損耗工作狀態(tài)。

圖 2：LT4356 對(duì)拋負(fù)載的響應(yīng)

電路工作原理

圖 3 所示為 LT4356 的方框圖。除了電壓調(diào)節(jié)環(huán)路之外，其他重要的特點(diǎn)包括過流保護(hù)和反向輸入保護(hù)，以及一種可將電源電流減小至大約 5μA 的微功率停機(jī)狀態(tài)。另外還有一個(gè)空余的增益級(jí)，其可用作一個(gè)高精度比較器或者放大器以提供輔助功能。浪涌電流限制是 GATE 引腳旁路電容器和 LT4356 之受控 GATE 電流的一個(gè)額外的好處。當(dāng)存在持續(xù)的輸入過壓或電流過載時(shí)，一個(gè)故障輸出可向負(fù)載電路發(fā)出 “操作時(shí)間有限” 的預(yù)警。

圖 3：LT4356 方框圖

調(diào)節(jié)電壓由連接至 FB 引腳的兩個(gè)電阻器之阻值比來(lái)確定;常見的選擇是將調(diào)節(jié)點(diǎn)設(shè)定為比最大 DC 工作電壓高 5%~10%，或者，也可以將之設(shè)定在一個(gè)比下游組件的額定電壓略低的限值。過流限制由一個(gè)低值檢測(cè)電阻和 LT4356 的內(nèi)部 50mV 電流檢測(cè)放大器來(lái)設(shè)定。

在漫長(zhǎng)的浪涌過程中持續(xù)運(yùn)作的代價(jià)是在外部 MOSFET 中產(chǎn)生大量的功率耗散。為了使 MOSFET 在其能力范圍之內(nèi)工作，LT4356 將在電路處于電壓或電流限制狀態(tài)時(shí)啟用一個(gè)定時(shí)器，并在發(fā)生任何損壞之前關(guān)斷 MOSFET。時(shí)間間隔由 Vds 和 Id 來(lái)調(diào)整，旨在更好地 (相比于采用固定定時(shí)器) 利用安全工作區(qū)。這兩項(xiàng)參數(shù)均由 LT4356 負(fù)責(zé)監(jiān)察。當(dāng)首次加電或者當(dāng)通過允許 SHDN# 將其自身拉至高電平來(lái)啟動(dòng) LT4356 時(shí)，通過緩慢地把柵極驅(qū)動(dòng)至高電平而以一種漸進(jìn)的方式接通外部 MOSFET。這種軟起動(dòng)提供了浪涌電流限制作用，可最大限度地遏制動(dòng)態(tài)負(fù)載對(duì)于輸入電源的影響，并減輕任何下游熔斷器中的熱疲勞。一旦 MOSFET 完全導(dǎo)通，使能引腳 EN 將變至高電平以啟動(dòng)負(fù)載電路，例如：一個(gè)微處理器或開關(guān)穩(wěn)壓器。

在過流或過壓情況下，電流放大器 (IA) 和電壓放大器 (IV) 被調(diào)用至運(yùn)行狀態(tài)，從而對(duì)輸出電流或電壓進(jìn)行適當(dāng)?shù)南拗?。?dāng)發(fā)生過壓時(shí)，負(fù)載電路繼續(xù)運(yùn)作，電源電壓僅略有增加，如圖 2 所示。在電流過載情況下，假如可提供足夠的輸出電壓，則負(fù)載電路可以繼續(xù)操作。無(wú)論何種原因?qū)е螺敵鱿拗乒δ芷鹱饔茫〞r(shí)器電容器電壓都將斜坡上升。如果這種狀況持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)以至定時(shí)器引腳 (TMR) 達(dá)到其第一個(gè)電壓門限 (1.25V)，則 FAULT# 引腳變至低電平以向下游電路發(fā)出 “即將失去電源” 的預(yù)警。當(dāng) TMR 引腳電壓達(dá)到 1.35V (第二個(gè)故障門限) 時(shí)，定時(shí)器將關(guān)斷 MOSFET 并在等待一個(gè)冷卻間隔之后嘗試重啟。

LT4356 的另一個(gè)特點(diǎn)是具有空余的放大器 (AMP)，其可用作一個(gè)電源良好比較器、輸入電壓監(jiān)視器或低壓差線性穩(wěn)壓器。對(duì)于 LT4356-1 版本，把 SHDN# 引腳拉至低電平將導(dǎo)致所有功能電路全部關(guān)斷。電源電流減小至 5μA，因而可在那些將設(shè)備永久性地置于和電池電源相連之狀態(tài)的應(yīng)用中使用。對(duì)于 LT4356-2 版本，輔助放大器和內(nèi)部基準(zhǔn)在停機(jī)期間保持運(yùn)行狀態(tài)，停機(jī)電流為 50μA。LT4356 適用于那些要求在主系統(tǒng)被關(guān)斷的情況下為至關(guān)重要的功能電路提供一個(gè)?；铍娫措妷旱膽?yīng)用，其采取的方式是將輔助放大器配置為一個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器。

在圖 4 所示的電路中，一個(gè)位于反饋 (FB) 引腳上的外部阻性分壓器被設(shè)定為在過壓過程中將輸出電壓限制在 16V。倘若輸入上升至高于 16V，則輸出將調(diào)節(jié)在該電平上，直到故障狀況被清除或定時(shí)器超時(shí)為止 (在預(yù)定的超時(shí)狀態(tài)之后達(dá)到 1.35V)。空余放大器被配置為監(jiān)視輸入電壓并通過 AOUT 引腳指示欠壓。使能 (EN) 引腳在 MOSFET 完全導(dǎo)通之后啟動(dòng)下游負(fù)載。

圖 4：一個(gè)位于反饋 (FB) 引腳上的外部阻性分壓器被設(shè)定為在過壓過程中將輸出電壓限制在 16V。

LT4356 具有一個(gè)寬輸入范圍，從 4V 的最小工作電壓至 100V 的絕對(duì)最大值。因此，其可在那些輸入電壓有可能于標(biāo)稱值的低端出現(xiàn)下降和在標(biāo)稱值的高端出現(xiàn)飆升的系統(tǒng)中運(yùn)作。由于 MOSFET 一般被驅(qū)動(dòng)至其低電阻狀態(tài)，所以通過在輸入電源和負(fù)載電路之間引入 LT4356 將在低輸入電壓下犧牲極少的工作裕量。

反向輸入保護(hù)

在安裝一個(gè)由遠(yuǎn)程電源供電的產(chǎn)品時(shí)，發(fā)生輸入極性接反的可能性尤其突出。如果產(chǎn)品設(shè)計(jì)未考慮反向電壓的處理，那么在連接電源線時(shí)的一時(shí)疏忽就有可能導(dǎo)致代價(jià)高昂的錯(cuò)誤。電源極性接反將對(duì)極化電容器、箝位二極管和其他固態(tài)器件造成巨大的損害。LT4356 專為在其輸入端上耐受高達(dá) -30V 的反向電壓而設(shè)計(jì)，而且它能驅(qū)動(dòng)第二個(gè)反向隔離 MOSFET 以阻止反向電壓傳遞到負(fù)載 (見圖 5)。當(dāng)然，該電路的重要優(yōu)勢(shì)是保護(hù)負(fù)載免遭毀壞，但相比于明顯的解決方案 (采用一個(gè)串聯(lián)隔離二極管)，其改善在正常操作期間是很顯著的：隔離二極管的損耗 (功率和電壓) 被完全消除。

圖 5：LT4356 專為在其輸入端上耐受高達(dá) -30V 的反向電壓而設(shè)計(jì)，而且它能驅(qū)動(dòng)第二個(gè)反向隔離 MOSFET 以阻止反向電壓傳遞到負(fù)載。

結(jié)論

雖然工業(yè)系統(tǒng)中的電子設(shè)備越來(lái)越多且日益精細(xì)復(fù)雜，然而電源則依然會(huì)受到尖峰和浪涌的損害。必須為敏感的設(shè)備提供針對(duì)此類瞬變的保護(hù)功能，否則就有可能在現(xiàn)場(chǎng)遭遇代價(jià)昂貴的故障。此外，隨著汽車電子產(chǎn)品復(fù)雜程度的攀升，濾波、箝位和噪聲抑制等傳統(tǒng)方法的可用空間逐漸減少。如果不采取一種不同的方法來(lái)解決與汽車電子產(chǎn)品不斷增加相關(guān)的問題，那么我們今天所面對(duì)的可靠性問題注定將會(huì)變得更糟。這不僅僅是一項(xiàng)客戶滿意的問題，而且還在逐步成為一項(xiàng)安全性問題。如果只是一個(gè)顯示器背光燈熄滅，那只是有些不方便，但假若是鍋爐壓力監(jiān)視器發(fā)生故障，那可就是一個(gè)重大的問題了。

LT4356 浪涌抑制器為電子控制系統(tǒng)提供了堅(jiān)固的前端保護(hù)。其可在壓縮必要電路板空間的同時(shí)削減因采用隔離二極管和濾波電感器所引起的熱耗散及電壓損耗。較高的效率和較寬的可用電壓范圍允許將更多的功能整合到空間受限的產(chǎn)品中。