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亚德诺新闻
如何选择合适的电路保护2
发布时间:2021-10-27        浏览次数:185        返回列表
 浪涌抑制器类型:栅极箝位

栅极箝位浪涌抑制器利用内部或外部箝位(例如,31.5 V或50 V内部箝位,或可调的外部箝位)将栅极引脚的电压限制到这个电压值,然后,由MOSFET的阈值电压决定输出电压限值。例如,在使用内部31.5 V栅极箝位,且MOSFET阈值电压为5 V时,输出电压限制为26.5 V。或者,外部栅极箝位允许更广泛的电压选择范围。栅极箝位浪涌抑制器的示例如图7所示。

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7.LTC4380栅极箝位浪涌抑制器。

 

浪涌抑制器类型:开关

对于更高功率的应用,开关浪涌抑制器是一个很好的选择。与线性和栅极箝位浪涌抑制器一样,开关浪涌抑制器在正常操作条件下可以充分增强调整FET,以在输入和输出之间提供一个低阻路径(最小化功率损耗)。开关浪涌抑制器和线性或栅极箝位浪涌抑制器之间的主要区别出现在检测到浪涌事件时。在浪涌事件中,开关浪涌抑制器是通过开关外部MOSFET(比较类似于开关DC-DC转换器),将输出调节到箝位电压。

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8.LTC7860开关浪涌抑制器

 

保护控制器:输出断开

保护控制器不是真正的浪涌抑制器,但它确实能停止浪涌。和浪涌抑制器一样,保护控制器监测过压和过流条件,但它不会箝位或调节输出,而是通过立即断开输出来保护下游电子器件。这种简单保护电路的布局紧凑,非常适合由电池供电的便携式应用。LTC4368保护控制器的简化示意图,以及它对过压事件的响应如图9所示。保护控制器有许多版本。


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9.LTC4368保护控制器

保护控制器会监测输入电压,确保电压保持在OV/UV引脚的电阻分压器所配置的电压范围内,当输入电压超过这个范围时,利用背对背MOSFET断开输出,如图9所示。背对背MOSFET也可用于防止反向输入。输出端的感应电阻通过持续监测正向电流来实现过流保护,但不需要基于计时器的穿越操作。

 

浪涌抑制器特性

为了给您的应用选择最合适的浪涌抑制器,您需要知道有哪些可用特性,以及它们可以帮助解决哪些挑战。您可以在参数表中查找这些器件。

 

断开与穿越

一些应用要求在检测到浪涌事件时断开输出和输入的连接。在这种情况下,需要断开过压连接。如果您需要输出在浪涌事件发生时保持正常运行,从而最大限度减少下游电子设备的停机时间,则需要浪涌抑制器在发生浪涌时进行穿越。在这种情况下,使用线性或开关浪涌抑制器可以实现这一功能(前提是,对于拓扑和所选的FET,功率电平是合理的)。

 

故障定时器

实施穿越时,需要对MOSFET提供保护,以防它受到持续浪涌影响。为了确保留在FET的安全工作区(SOA)内,可以使用定时器。定时器本质上是一个接地电容。发生过压时,内部电流源开始为这个外部电容充电。电容达到一定的阈值电压时,数字故障引脚拉低,表明受时间延长的过压影响,调整管将很快关闭。如果定时器引脚电压继续上升到二级阈值,栅极引脚将拉低,以关闭MOSFET。

定时器电压的变化率随通过MOSFET的电压而变化,也就是说,电压越大,时间越短,电压越小,时间越长。这个有用特性使器件能够平稳度过短时过压事件,允许下游元器件保持运行,同时保护MOSFET不因持续时间更长的过压事件出现损坏。有些器件具有重试功能,使器件能在冷却之后再次打开输出。

 

过流保护

 

许多浪涌抑制器都能够监测电流和保护器件不受过流事件影响。这是通过监测串联感应电阻上的压降并作出适当响应来实现的。也可以通过监测和控制浪涌电流来保护MOSFET。其响应可能与过压情况类似,这是因为如果电路能够接受这种功率电平,那么它要么通过闩锁断开,要么通过穿越事件来断开。

 

反向输入保护

浪涌抑制器具有广泛的操作能力(能够承受某些器件上高达60 V的地下电压),所以能够提供反向输入保护。图10显示了提供反向电流保护的背对背MOSFET配置。在正常运行期间,Q2和Q1由栅极引脚开启,Q3不产生任何影响。但是,出现反向电压连接时,Q3开启,将Q2的栅极下拉至负输入并隔离Q1,以保护输出。

也可以通过可靠的器件引脚保护来实现反向输出电压保护,根据所选的器件,可以承受高达20 V的接地电压。

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10.LT4363反向输入保护电路

对于需要宽输入电压范围的应用,可以使用浮动拓扑浪涌抑制器。发生浪涌事件时,浪涌抑制器IC会监控整个浪涌电压,由内部晶体管技术限制IC的电压范围。使用浮动浪涌抑制器(例如LTC4366)时,IC浮动刚好低于输出电压,为其提供更广泛的工作电压范围。电源回流线中包含一个电阻(VSS),允许IC随电源电压浮动。如此,由外部元器件和MOSFET的电压功能设置输入电压限值。图11显示的应用电路可以在保护后端负载时,使用极高的直流电源正常运行。


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11.LTC4366高压浮动拓扑

 

为我的应用选择正确的器件

由于浪涌抑制器本身采用可靠设计,所以能从很多方面简化保护电路的设计。数据手册已显示许多可能的应用,在确定元器件尺寸时,能够提供很大帮助。最困难的部分可能是选择最合适的器件。您可以遵循以下几个步骤来缩小范围:

►         访问ADI的保护器件系列参数表。

►         选择输入电压范围。

►         选择通道数量。

►         筛选功能,缩小可行选项的范围。

和所有产品选型一样,在查找正确的器件前,您需要了解您的系统要求,这点非常重要。一些重要的考虑因素包括:预期的电源电压和下游电子器件的电压容限(在决定箝位电压时非常重要),以及对设计而言非常重要的一些特性。

以下是一些经过筛选的参数表示例,供大家参考。大家可以访问网站,在网站上进一步更改这些参数表,可以添加一些其他参数。

►         高压浪涌抑制器器件请参见这里。

►         具有过压断开功能的保护控制器请参见这里。

 

结论

无论采用哪种类型的浪涌抑制器,基于IC的有源浪涌抑制器设计都无需使用繁杂的TVS二极管,或使用大尺寸电感和电容来进行滤波。所以,解决方案的整体面积更小,体积也更小巧。相比TVS,其输出电压箝位精度可能高出1%至2%。如此可以防止过度设计,且能够选择公差更严格的下游器件。

ADI提供的系统保护器件系列让设计人员能够采用可靠、灵活且小巧的解决方案为下游器件提供保护,尤其是对于工业、汽车、航空航天和通信设计中可能面临严苛的过压和过流事件的器件。

 

参考资料

 “AN-9768:瞬变抑制器件和原则。”Littelfuse,1998年1月。

 “Fuseology。”乘用车解决方案目录,Littelfuse,2014年。

Jim Kalb。“总熔断时间”技术简报,OptiFuse,2010年1月。

David Megaw。“为汽车电子系统提供供电和保护,无开关噪声,效率高达99.9%。”模拟对话,第54卷第1期,2020年2月。

Wu Bin、Zhongming Ye。“用于恶劣汽车环境的全面电源系统设计占用空间极小,可节约电池电量且具有低EMI特性。”模拟对话,第53卷第3期,2019年8月。