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ADI浪涌抑制器——為產品的可靠運行保駕護航

發(fā)布時間:2021-12-21 責任編輯:lina

【導讀】汽車、工業(yè)和航空電子設備所處的供電環(huán)境非常復雜,在這種惡劣的供電環(huán)境中運行,需要具備對抗各種浪涌傷害的能力。以汽車電子系統供電應用為例,該系統不但需要滿足高可靠性要求,還需要應對相對不太穩(wěn)定的電池電壓,具有一定挑戰(zhàn)性;與車輛電池連接的電子和機械系統的差異性,也可能導致標稱12 V電源出現大幅電壓偏移。


一、復雜的電子環(huán)境

汽車、工業(yè)和航空電子設備所處的供電環(huán)境非常復雜,在這種惡劣的供電環(huán)境中運行,需要具備對抗各種浪涌傷害的能力。以汽車電子系統供電應用為例,該系統不但需要滿足高可靠性要求,還需要應對相對不太穩(wěn)定的電池電壓,具有一定挑戰(zhàn)性;與車輛電池連接的電子和機械系統的差異性,也可能導致標稱12 V電源出現大幅電壓偏移。


事實上,在一定時間段內,12 V電源的變化范圍為–14 V至+35 V,且可能出現+150 V至–220 V的電壓峰值。這種很高的瞬態(tài)電壓在汽車和工業(yè)系統是常見的,可以持久從微秒到幾百毫秒,這將帶來巨大的能量。這其中有些浪涌和瞬變在日常使用中出現,其他則是因為故障或人為錯誤導致。


無論起因為何,它們對汽車電子系統造成的損害難以診斷,修復成本也很高昂。為避免出現故障風險,系統內的電子器件,要么本身必須具備承受這些浪涌的能力,要么就必須被謹慎得保護起來。


ADI浪涌抑制器——為產品的可靠運行保駕護航

圖1 工業(yè)現場常見的浪涌形式


二、傳統的應對方式

傳統的過電壓(OV)和過流(OC)保護系統往往包括:用于過濾低能量尖峰的電容器和電感、用于過電壓保護的瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)、用于直流過流保護的保險絲、用于電池反向保護的系列二極管等。


ADI浪涌抑制器——為產品的可靠運行保駕護航

圖2 傳統保護架構


盡管這些器件也在不斷改進,但這些分立的解決方案體積龐大、不夠精密,并且在持續(xù)故障期間會燒斷保險絲,可能引起以下這些更大范圍的停機和故障:


(1)吸收同樣的能量,分立器件需要更大的體積。


(2)參數離散,例如同樣是SMB封裝的78V TVS,其齊納擊穿電壓的范圍可達1V。


(3)持續(xù)或直流的瞬變,可能會燒斷保險絲或TVS,需要人工維修。


(4)用于反向保護而串聯在功率通路上的二極管,會增加損耗并且?guī)頍岬膯栴}。


三、ADI的革新技術——SURGE STOPPER

技術型授權代理商Excelpoint世健的工程師Alex Yang介紹了ADI的革新技術——SURGE STOPPER,SURGE STOPPER能夠實現怎樣的功能呢?


ADI浪涌抑制器——為產品的可靠運行保駕護航

圖3 浪涌抑制器在汽車中的應用


其功能的核心,就是能夠保護負載端的電子系統免受高壓沖擊。并且在電涌施加在系統前端時,能夠確保系統不間斷運行。當系統的前端供電出現持續(xù)的或是直流故障時,能夠斷開負載連接,直至前端供電重新正常,保護系統自動恢復供電。另一方面,假如后級出現故障,例如過載和短路,那么SURGE STOPPER也同樣可以保護前端供電不會被故障的負載所拖垮,可以干凈利落地切斷故障通道直至其恢復正常。


在實現核心功能的基礎上,SURGE STOPPER在設計中考慮了很多細節(jié)。例如,工程師可以對嵌位電壓進行高精度的微調,而不需要被動地去TVS選型表中選出最接近自己需求的器件。這樣既便于工程師設計的更改和迭代,也可以最大限度地減少過度設計,降低成本。


根據市場需求,ADI革新性地針對浪涌問題研發(fā)了三類產品,包括:線性浪涌抑制器,開關浪涌抑制器,以及防護控制器。除此之外,ADI仍在不斷嘗試用新的思路解決浪涌問題。


線性浪涌抑制器


在正常運行期間,一個線性浪涌抑制器完全打開MOSFET的溝道,為負載電流提供一個低電阻路徑。


當輸入電源電壓出現波動時,輸出電壓會被線性地調節(jié)到一個由電阻分壓器設置的安全電壓,從而實現保護后級負載電路的目的。


在保護狀態(tài)下,后級電路會保持工作狀態(tài)。


ADI浪涌抑制器——為產品的可靠運行保駕護航

圖4 線性浪涌抑制器


開關浪涌抑制器


在正常運行期間,開關浪涌抑制器完全打開外部MOSFET,讓功率順利通過保護級,從而為后級負載供電。


當輸入電壓浪涌發(fā)生時,立刻切換工作模式,將外部MOSFET作為一個高效率的BUCK穩(wěn)壓器的一部分,通過限制輸出電壓和電流來保護關鍵的下游組件。


在保護狀態(tài)下,后級電路會保持工作狀態(tài)。


ADI浪涌抑制器——為產品的可靠運行保駕護航

圖5 開關浪涌抑制器


保護控制器


保護控制器在供電電壓出現異常時立即斷開連接,從而達到保護后級電路的目的。


在保護狀態(tài)下,后級電路會停止工作。


以LTC4368為例,它可以實現過壓(OV)、欠壓(UV)、過流(OC)、反向輸入(RI)四種保護,基本覆蓋了應用現場會出現的各種工況,為后級電路提供了完善的保護解決方案。


ADI浪涌抑制器——為產品的可靠運行保駕護航

圖6 LTC4368框圖


四、產品舉例

Alex分享了ADI的一款線性浪涌抑制器LT4363。


ADI浪涌抑制器——為產品的可靠運行保駕護航

圖7 LT4363的電路架構


LT4363簡介


它能通過控制一個外部N溝道MOSFET的柵極,以在過壓過程中(比如:汽車應用中的負載突降情況)調節(jié)輸出電壓。輸出被限制在一個安全的數值上,從而允許負載持續(xù)運作。


LT4363還監(jiān)視SNS和OUT引腳之間的壓降,以防止遭受過流故障的影響。


不管在哪種故障條件下,定時器的起動均與 MOSFET 應力成反比。在定時器終止操作之前,FLT 引腳將被拉至低電平,以發(fā)出“即將斷電”的警告。如果該條件一直持續(xù),則 MOSFET 將關斷。在復位之前,LT4363-1 保持關斷,而LT4363-2則在一個冷卻周期之后重新起動。


兩個高精度比較器能監(jiān)視輸入電源的過壓(OV)和欠壓(UV)情況。當電壓低于UV門限時,外部MOSFET保持關斷狀態(tài)。假如輸入電源電壓高于OV門限,則不允許MOSFET重新接通??梢圆捎帽硨Ρ矼OSFET來代替肖特基二極管以提供反向輸入保護,從而減少壓降和功率損失。一個停機引腳負責將停機期間的靜態(tài)電流減小至7μA以下。


設計要點


過壓故障


在過壓情況發(fā)生時,LT4363會通過控制MOSFET柵極電壓,使得MOSFET工作在可 變電阻區(qū),以保證輸出電壓采樣引腳FB上的電壓維持在1.275V。從而達到,將電壓嵌位在我們所設定的電壓上的目的。同時,如果過電壓現象持續(xù)存在,則定時器會控制MOSFET關閉。


過流故障


當出現短路或過流情況,LT4363會控制GATE引腳,以限制SNS和OUT引腳之間電流檢測電壓為50 mV。在輸出嚴重短路的情況下(一般指輸出電壓低于2V),電流檢測門限會由原來的50 mV降低至25mV,以降低MOSFET上的功率應力。如果故障仍然持續(xù),則定時器會控制MOSFET關閉。


MOSFET的選型


LT4363通過驅動一個N溝道MOSFET來導電負載電流。MOSFET的重要參數是導通電阻RDS(ON),漏源極電壓的最大值V(BR)DSS、柵極閾值電壓V(BR)GS以及SOA。


V(BR)DSS漏源極電壓的最大值:


V(BR)DSS漏源極電壓的最大值必須高于最高電源電壓。如果在出現輸出短路接地或在過壓事件期間,MOSFET的源漏極會承受全部供電電壓。


V(BR)GS柵極驅動電壓:


對于VCC供電在9V以上的應用,通用型的所需的柵極驅動電壓范圍在10V和16V之間;對于VCC供電在9V以下的應用,N溝道MOSFET的柵極驅動電壓,不能低于4.5V。


MOSFET的SOA:


SOA(Safe Operation Area)是所有MOSFET中的一個參數,以圖標形式體現在規(guī)格書中。其中體現出相關聯的三個參數的關系:Vds、Id,以及時間T。以典型應用的中的N-MOSFET:FDB33N25為例:


ADI浪涌抑制器——為產品的可靠運行保駕護航

圖8 場效應管FDB33N25 的SOA曲線


在選擇MOSFET的SOA時,必須考慮所有故障條件下的情況;


在正常工作中,溝道是完全開著的,所以損耗在MOSFET上的功率非常小;


在出現過壓或是過流故障時,GATE引腳就會開始控制MOSFET上DS兩端所承受的電壓或是流過MOSFET的電流。此時高電壓和大電流會同時存在于MOSFET當中,因此必須謹慎地依照SOA數據來確定故障定時器的設置。


五、結語


LT4363只是ADI眾多浪涌抑制控制器系列中的一款,在汽車、工業(yè)等復雜供電環(huán)境中,世健提供的ADI浪涌抑制器能夠幫助產品抵御惡劣的供電環(huán)境,讓產品具備對抗各種浪涌傷害的能力,為產品的可靠運行保駕護航。


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