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亚德诺新闻
如何选择合适的电路保护1
发布时间:2021-10-27        浏览次数:161        返回列表
 

问题:

有什么有源电路保护方案可以取代TVS二极管和保险丝?

 

答案:

可以试试浪涌抑制器。

 

摘要

所有行业的制造商都在不断推动提升高端性能,同时试图在此类创新与成熟可靠的解决方案之间达成平衡。设计人员面临着平衡设计复杂性、可靠性和成本这一困难任务。以一个电子保护子系统为例,受其特性限制,无法进行创新。这些系统保护敏感且成本高昂的下游电子器件(FPGA、ASIC和微处理器),这些器件都要求保证零故障。

许多传统的可靠保护解决方案(例如二极管、保险丝和TVS器件)能够保持待保护状态,但它们通常低效、体积庞大且需要维护。为了解决这些不足,有源智能保护IC应运而生,它们能够达到传统方法的保护要求,而且从有些方面来看,它们更加可靠。但是器件种类繁多,所以,设计人员面临的最困难的问题就是选择合适的解决方案。

为了帮助设计人员缩小选择范围,本文对传统保护方法和ADI保护产品系列进行比较,以展示这些产品和建议应用的特性。

 

简介

随着所有行业中电子器件的使用数量不断增加,且成本高昂的FPGA和处理器的处理功能不断扩展,人们越来越要求对这些在严苛环境中运行的器件提供保护。此外,还需要它们体积小巧、可靠性高,能够快速响应过压和过流浪涌事件。本文探讨了许多应用面临的挑战,以及为何需要保护,比较了传统的保护方法和更新的可替代解决方案,后者具有更高的精度、可靠性和设计灵活性。

 

为何考虑使用电压和电流保护器件?

汽车、工业、通信和航空电子系统需经受一系列电源浪涌,例如图1所示的这些。在这些市场中,许多行业规范都对瞬态事件进行了定义。例如,ISO 7637-2和ISO 16750-2规范定义了汽车瞬态,详细概述了预期瞬变,以及确保持续验证这些瞬变的测试步骤。

浪涌事件的类型和所含能量会因电子器件的使用区域而异;电路可能遭受过压、过流、反向电压和反向电流等情况。最后,如果要直接经受图1所示的这些瞬变条件,许多电路都无法维持,更不用说独立运行,所以设计人员必须考虑所有输入情况,并采取可以保护电路不受电压和电流浪涌影响的机制。


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1.一些更严格的ISO 16750-2测试的概述

 

设计挑战

有很多不同原因会引发电子系统中出现瞬变电压和电流,但有些电子环境比其他环境更容易发生瞬变事件。众所周知,汽车、工业和通信环境中的应用会经受有潜在危害的事件,对下游电子器件造成严重损坏,但浪涌事件并不只是在这些环境下发生。其他可能需要浪涌保护电路的情况包括:需要高压或大电流电源的应用、采用热插拔电源连接的应用,或者包含电机或可能受到雷击感应瞬变影响的系统。高压事件持续的时间不等,从几微秒到几百毫秒都有可能,所以必须采用灵活可靠的保护机制来确保下游成本高昂的电子器件的使用寿命。

例如,当交流发电机(为电池充电)与电池暂时断开时,会发生汽车负载突降。发生这种断开后,交流发电机提供的满负荷充电电流会传输至电源轨,使电源轨电压在数百毫秒内攀升到极高(>100 V)水平。

有多种原因可能导致通信应用发生浪涌,从热插拔通信卡到可能受到雷电影响的户外装置,涉及多种应用。大型设施中使用的长电缆也可能产生感应电压尖峰。

最终,设计人员必须充分了解器件的使用环境,并满足既有的规范要求,这有助于他们综合考虑所有故障类型以采用最佳的保护机制,使其可靠且不会产生干扰,但允许下游电子器件能够在安全电压范围内运行,且保证中断。

 

传统保护电路

在需要考虑如此多种不同类型的电子问题的情况下,电子工程师应如何保护敏感的下游电子器件?

传统保护方法基于多个器件提供保护,而不是基于一个,例如,采用瞬变电压抑制器(TVS)提供过压保护,采用线路保险丝提供过流保护,采用串联二极管提供反向电池/电源保护,以及混合使用电容和电感来过滤更低的电能尖峰。虽然离散配置可以满足既定的规范要求(保护下游电路),但它实施起来很麻烦,需要进行多次选择来确定合适的滤波规格。

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2.传统保护器件

我们来仔细了解一下这些器件,弄清楚这种实施方法的优点和缺点。

 

TVS——瞬变电压抑制器

这是一种相对简单的器件,可以保护下游电路不受电源上的高压尖峰影响。它们可以分为几种不同的类型,具有广泛的特性(表1按响应时间从最短到最长的顺序排列)。

1.不同瞬变电压抑制器件的响应时间

瞬变电压抑制器件

响应时间

TVS二极管

~1 ps

金属氧化物压敏电阻(MOV)

~1 ns

雪崩二极管/齐纳二极管

<1 µs

气体放电管(GDT)

<5 µs

虽然它们的结构和特性各异,但使用方式是相似的:当电压超过器件阈值时,分流多余的电流。TVS可以在极短时间内将输出电压固定在额定水平。例如,TVS二极管的响应时间可以低至皮秒,GDT的响应时间则可能有几微秒,但可以处理更大的浪涌。

图3显示了用于保护下游电路的TVS二极管的简单配置。在正常工作条件下,TVS具有高阻抗,输入电压会直接传输至输出。当输入端出现过压时,TVS开始导电,并将多余的电能分流到接地(GND),从而箝位下游负载电压。电源轨电压升高到典型操作值以上,但被箝位到保证下游电路可以安全运行的值。

虽然TVS器件在抑制极高电压偏移方面很有效,但在遭受持续过压时,也不能避免损坏,因此需要定期监测或更换。另一个担心是TVS可能短路,导致输入电源断开。此外,根据涉及的电能大小,它们的尺寸可能需要很大才能满足裕量要求,导致解决方案的尺寸相应增大。即使TVS的尺寸正确,下游电路也必须要能够处理箝位电压,对下游的电压额定要求也随之增高。

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3.用传统的TVS解决方案保护电压浪涌

 

线路保险丝

过流保护可以使用常见的线路保险丝实现,其熔断额定值高于标称值,例如,比最大额定电流高20%(百分比取决于电路类型以及预期的典型操作负载)。当然,保险丝最大的问题是一旦烧断就必须更换。保险丝设计相当简单,但维护相对复杂,特别是在难以接触的位置,所以后期还是会耗费时间和成本。使用备用保险丝(例如可复位保险丝)可以减少维护要求,它会在高于标称电流的电流流经器件时,利用正温度系数打开电路(电流增高之后会令温度增高,导致电阻急剧升高)。

除维护问题外,保险丝最大的问题之一是其反应时间,根据所选保险丝的类型,反应时间可能有很大差异。我们可以使用快速熔断保险丝,但熔断时间(打开电路的时间)仍然可能需要几百微秒到毫秒,所以电路设计人员必须考虑这些时间段内释放的电能大小,保证下游电子器件不被损坏。

 

串联二极管

在某些环境中,电路可能断开,然后重新连接——例如,在电池供电环境中。在这种情况下,电源重新连接时不能保证极性是正确的。我们可以通过在电路的正极供电线上增加一个串联二极管来实现极性保护。虽然这种简单的增加可以有效防止反向极性,但串联二极管的压降会导致相应的功率损耗。在电流相对较低的电路中,这种取舍很小,但对于许多现代化的高电流电轨,则需要采用另一种解决方案。图4是对图3的更新,显示利用TVS和增加的串联二极管来防止出现反向极性连接。

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4.增加串联二极管可以防止反向极性连接,但在大电流系统中,二极管的压降可能是一大问题

 

使用电感和电容的滤波器

目前所讨论的无源解决方案都是通过限制幅度,但通常只能捕捉更大的幅度,会放过更小的一些尖峰。这些较小的瞬变仍然会对下游电路造成损坏,因此需要使用额外的无源滤波器来平缓尖峰。这可以通过使用离散电感和电容来实现,通过调整它们的尺寸,让它们衰减超出频率范围的电压。在设计之前,需要对滤波器设计进行测试和测量,确定它们的尺寸和频率,然后才能正确确定滤波器的尺寸。这种方法的缺点在于,需要考虑物料成本和面积要求(元器件的板面积和成本要达到多少才能达到滤波水平),以及是否需要过度设计(确定元器件的公差,以能够在随时间和温度变化时提供补偿)。

 

使用浪涌抑制器提供有源保护

要克服所述的无源保护解决方案面临的挑战和存在的缺点,方法之一是转为使用浪涌抑制器IC。浪涌抑制器采用易于使用的控制器IC和串联N通道MOSFET,因此无需使用繁杂的分流电路(TVS器件、保险丝、电感和电容)。因为只需确定少数几个元器件的尺寸和让它们通过质量认证,所以浪涌抑制器控制器可以极大地简化系统设计。

浪涌抑制器持续监测输入电压和电流。在额定工作条件下,控制器驱动N通道MOSFET通路器件的栅极完全开启,提供一条从输入到输出的低阻抗路径。在发生过压或浪涌时(阈值由输出端的反馈网络给出),IC调节N通道MOSFET的栅极,将MOSFET的输出电压箝位到电阻分压器设定的电平。

图5显示了浪涌抑制器配置的简化示意图,以及标称12 V电源轨上出现100 V输入浪涌时的结果。在浪涌发生期间,浪涌抑制器电路的输出被箝位到27 V。一些浪涌抑制器也使用串联感应电阻(图5中的断路器)来监测过流情况,并调整N通道MOSFET的栅极,以限制输出负载端的电流。


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5.浪涌抑制器配置的详细示意图

根据对过压事件的响应,可以将浪涌抑制器分为四大类:

         线性浪涌抑制器

         栅极箝位

         开关浪涌抑制器

         输出断开保护控制器

浪涌抑制器应基于应用进行选择,所以,我们来比较一下它们的操作和优点。

 

浪涌抑制器类型:线性

线性浪涌抑制器驱动串联MOSFET的方式和线性稳压器比较类似,是将输出电压限制在预先设置的安全值,并耗散MOSFET中的多余能量。为了保护MOSFET,该器件通过采用电容故障定时器来限制在高耗散区花费的时间。

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6.LT4363线性浪涌抑制器