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摘要
所有行業(yè)的制造商都在不斷推動(dòng)提升高端性能,同時(shí)試圖在此類創(chuàng)新與成熟可靠的解決方案之間達(dá)成平衡。設(shè)計(jì)人員面臨著平衡設(shè)計(jì)復(fù)雜性、可靠性和成本這一困難任務(wù)。以一個(gè)電子保護(hù)子系統(tǒng)為例,受其特性限制,無(wú)法進(jìn)行創(chuàng)新。這些系統(tǒng)保護(hù)敏感且成本高昂的下游電子器件(FPGA、ASIC和微處理器),這些器件都要求保證零故障。
許多傳統(tǒng)的可靠保護(hù)解決方案(例如二極管、保險(xiǎn)絲和TVS器件)能夠保持待保護(hù)狀態(tài),但它們通常低效、體積龐大且需要維護(hù)。為了解決這些不足,有源智能保護(hù)IC應(yīng)運(yùn)而生,它們能夠達(dá)到傳統(tǒng)方法的保護(hù)要求,而且從有些方面來(lái)看,它們更加可靠。但是器件種類繁多,所以,設(shè)計(jì)人員面臨的最困難的問(wèn)題就是選擇合適的解決方案。
為了幫助設(shè)計(jì)人員縮小選擇范圍,本文對(duì)傳統(tǒng)保護(hù)方法和ADI保護(hù)產(chǎn)品系列進(jìn)行比較,以展示這些產(chǎn)品和建議應(yīng)用的特性。
簡(jiǎn)介
隨著所有行業(yè)中電子器件的使用數(shù)量不斷增加,且成本高昂的FPGA和處理器的處理功能不斷擴(kuò)展,人們?cè)絹?lái)越要求對(duì)這些在嚴(yán)苛環(huán)境中運(yùn)行的器件提供保護(hù)。此外,還需要它們體積小巧、可靠性高,能夠快速響應(yīng)過(guò)壓和過(guò)流浪涌事件。本文探討了許多應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn),以及為何需要保護(hù),比較了傳統(tǒng)的保護(hù)方法和更新的可替代解決方案,后者具有更高的精度、可靠性和設(shè)計(jì)靈活性。
為何考慮使用電壓和電流保護(hù)器件?
汽車、工業(yè)、通信和航空電子系統(tǒng)需經(jīng)受一系列電源浪涌,例如圖1所示的這些。在這些市場(chǎng)中,許多行業(yè)規(guī)范都對(duì)瞬態(tài)事件進(jìn)行了定義。例如, ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 規(guī)范定義了汽車瞬態(tài),詳細(xì)概述了預(yù)期瞬變,以及確保持續(xù)驗(yàn)證這些瞬變的測(cè)試步驟。
浪涌事件的類型和所含能量會(huì)因電子器件的使用區(qū)域而異;電路可能遭受過(guò)壓、過(guò)流、反向電壓和反向電流等情況。最后,如果要直接經(jīng)受圖1所示的這些瞬變條件,許多電路都無(wú)法維持,更不用說(shuō)獨(dú)立運(yùn)行,所以設(shè)計(jì)人員必須考慮所有輸入情況,并采取可以保護(hù)電路不受電壓和電流浪涌影響的機(jī)制。
圖1.一些更嚴(yán)格的ISO 16750-2測(cè)試的概述。
設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
有很多不同原因會(huì)引發(fā)電子系統(tǒng)中出現(xiàn)瞬變電壓和電流,但有些電子環(huán)境比其他環(huán)境更容易發(fā)生瞬變事件。眾所周知,汽車、工業(yè)和通信環(huán)境中的應(yīng)用會(huì)經(jīng)受有潛在危害的事件,對(duì)下游電子器件造成嚴(yán)重?fù)p壞,但浪涌事件并不只是在這些環(huán)境下發(fā)生。其他可能需要浪涌保護(hù)電路的情況包括:需要高壓或大電流電源的應(yīng)用、采用熱插拔電源連接的應(yīng)用,或者包含電機(jī)或可能受到雷擊感應(yīng)瞬變影響的系統(tǒng)。高壓事件持續(xù)的時(shí)間不等,從幾微秒到幾百毫秒都有可能,所以必須采用靈活可靠的保護(hù)機(jī)制來(lái)確保下游成本高昂的電子器件的使用壽命。
例如,當(dāng)交流發(fā)電機(jī)(為電池充電)與電池暫時(shí)斷開時(shí),會(huì)發(fā)生汽車負(fù)載突降。發(fā)生這種斷開后,交流發(fā)電機(jī)提供的滿負(fù)荷充電電流會(huì)傳輸至電源軌,使電源軌電壓在數(shù)百毫秒內(nèi)攀升到極高(>100 V)水平。
有多種原因可能導(dǎo)致通信應(yīng)用發(fā)生浪涌,從熱插拔通信卡到可能受到雷電影響的戶外裝置,涉及多種應(yīng)用。大型設(shè)施中使用的長(zhǎng)電纜也可能產(chǎn)生感應(yīng)電壓尖峰。
最終,設(shè)計(jì)人員必須充分了解器件的使用環(huán)境,并滿足既有的規(guī)范要求,這有助于他們組合采用最佳的保護(hù)機(jī)制,可靠且不會(huì)產(chǎn)生干擾,但允許下游電子器件能夠在安全電壓范圍內(nèi)運(yùn)行,且保證最低中斷。
傳統(tǒng)保護(hù)電路
在需要考慮如此多種不同類型的電子問(wèn)題的情況下,電子工程師應(yīng)如何保護(hù)敏感的下游電子器件?
傳統(tǒng)保護(hù)方法基于多個(gè)器件提供保護(hù),而不是基于一個(gè),例如,采用瞬變電壓抑制器(TVS)提供過(guò)壓保護(hù),采用線路保險(xiǎn)絲提供過(guò)流保護(hù),采用串聯(lián)二極管提供反向電池/電源保護(hù),以及混合使用電容和電感來(lái)過(guò)濾更低的電能尖峰。雖然離散配置可以滿足既定的規(guī)范要求(保護(hù)下游電路),但它實(shí)施起來(lái)很麻煩,需要進(jìn)行多次選擇來(lái)確定合適的濾波規(guī)格。
圖2.傳統(tǒng)保護(hù)器件。
我們來(lái)仔細(xì)了解一下這些器件,弄清楚這種實(shí)施方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
TVS——瞬變電壓抑制器
這是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的器件,可以保護(hù)下游電路不受電源上的高壓尖峰影響。它們可以分為幾種不同的類型,具有廣泛的特性(表1按響應(yīng)時(shí)間從最短到最長(zhǎng)的順序排列)。
表1.不同瞬變電壓抑制器件的響應(yīng)時(shí)間
雖然它們的結(jié)構(gòu)和特性各異,但使用方式是相似的:當(dāng)電壓超過(guò)器件閾值時(shí),分流多余的電流。TVS可以在極短時(shí)間內(nèi)將輸出電壓固定在額定水平。例如,TVS二極管的響應(yīng)時(shí)間可以低至皮秒,GDT的響應(yīng)時(shí)間則可能有幾微秒,但可以處理更大的浪涌。
圖3顯示了用于保護(hù)下游電路的TVS二極管的簡(jiǎn)單配置。在正常工作條件下,TVS具有高阻抗,輸入電壓會(huì)直接傳輸至輸出。當(dāng)輸入端出現(xiàn)過(guò)壓時(shí),TVS開始導(dǎo)電,并將多余的電能分流到接地(GND),從而箝位下游負(fù)載電壓。電源軌電壓升高到典型操作值以上,但被箝位到保證下游電路可以安全運(yùn)行的值。
雖然TVS器件在抑制極高電壓偏移方面很有效,但在遭受持續(xù)過(guò)壓時(shí),也不能避免損壞,因此需要定期監(jiān)測(cè)或更換。另一個(gè)擔(dān)心是TVS可能短路,導(dǎo)致輸入電源斷開。此外,根據(jù)涉及的電能大小,它們的尺寸可能需要很大才能滿足裕量要求,導(dǎo)致解決方案的尺寸相應(yīng)增大。即使TVS的尺寸正確,下游電路也必須要能夠處理箝位電壓,對(duì)下游的電壓額定要求也隨之增高。
圖3.用傳統(tǒng)的TVS解決方案保護(hù)電壓浪涌。
線路保險(xiǎn)絲
過(guò)流保護(hù)可以使用常見的線路保險(xiǎn)絲實(shí)現(xiàn),其熔斷額定值高于標(biāo)稱值,例如,比最大額定電流高20%(百分比取決于電路類型以及預(yù)期的典型操作負(fù)載)。當(dāng)然,保險(xiǎn)絲最大的問(wèn)題是一旦燒斷就必須更換。保險(xiǎn)絲設(shè)計(jì)相當(dāng)簡(jiǎn)單,但維護(hù)相對(duì)復(fù)雜,特別是在難以接觸的位置,所以后期還是會(huì)耗費(fèi)時(shí)間和成本。使用備用保險(xiǎn)絲(例如可復(fù)位保險(xiǎn)絲)可以減少維護(hù)要求,它會(huì)在高于標(biāo)稱電流的電流流經(jīng)器件時(shí),利用正溫度系數(shù)打開電路(電流增高之后會(huì)令溫度增高,導(dǎo)致電阻急劇升高)。
除維護(hù)問(wèn)題外,保險(xiǎn)絲最大的問(wèn)題之一是其反應(yīng)時(shí)間,根據(jù)所選保險(xiǎn)絲的類型,反應(yīng)時(shí)間可能有很大差異。我們可以使用快速熔斷保險(xiǎn)絲,但熔斷時(shí)間(打開電路的時(shí)間)仍然可能需要幾百微秒到毫秒,所以電路設(shè)計(jì)人員必須考慮這些時(shí)間段內(nèi)釋放的電能大小,保證下游電子器件不被損壞。
串聯(lián)二極管
在某些環(huán)境中,電路可能斷開,然后重新連接——例如,在電池供電環(huán)境中。在這種情況下,電源重新連接時(shí)不能保證極性是正確的。我們可以通過(guò)在電路的正極供電線上增加一個(gè)串聯(lián)二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)極性保護(hù)。雖然這種簡(jiǎn)單的增加可以有效防止反向極性,但串聯(lián)二極管的壓降會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的功率損耗。在電流相對(duì)較低的電路中,這種取舍很小,但對(duì)于許多現(xiàn)代化的高電流電軌,則需要采用另一種解決方案。圖4是對(duì)圖3的更新,顯示利用TVS和增加的串聯(lián)二極管來(lái)防止出現(xiàn)反向極性連接。
圖4.增加串聯(lián)二極管可以防止反向極性連接,但在大電流系統(tǒng)中,二極管的壓降可能是一大問(wèn)題。
使用電感和電容的濾波器
目前所討論的無(wú)源解決方案都是通過(guò)限制幅度,但通常只能捕捉更大的幅度,會(huì)放過(guò)更小的一些尖峰。這些較小的瞬變?nèi)匀粫?huì)對(duì)下游電路造成損壞,因此需要使用額外的無(wú)源濾波器來(lái)清潔線路。這可以通過(guò)使用離散電感和電容來(lái)實(shí)現(xiàn),通過(guò)調(diào)整它們的尺寸,讓它們衰減超出頻率范圍的電壓。在設(shè)計(jì)之前,需要對(duì)濾波器設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試和測(cè)量,確定它們的尺寸和頻率,然后才能正確確定濾波器的尺寸。這種方法的缺點(diǎn)在于,需要考慮物料成本和面積要求(元器件的板面積和成本要達(dá)到多少才能達(dá)到濾波水平),以及是否需要過(guò)度設(shè)計(jì)(確定元器件的公差,以能夠在隨時(shí)間和溫度變化時(shí)提供補(bǔ)償)。
使用浪涌抑制器提供有源保護(hù)
要克服所述的無(wú)源保護(hù)解決方案面臨的挑戰(zhàn)和存在的缺點(diǎn),方法之一是轉(zhuǎn)為使用浪涌抑制器IC。浪涌抑制器采用易于使用的控制器IC和串聯(lián)N通道MOSFET,因此無(wú)需使用繁雜的分流電路(TVS器件、保險(xiǎn)絲、電感和電容)。因?yàn)橹恍璐_定少數(shù)幾個(gè)元器件的尺寸和讓它們通過(guò)質(zhì)量認(rèn)證,所以浪涌抑制器控制器可以極大地簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
浪涌抑制器持續(xù)監(jiān)測(cè)輸入電壓和電流。在額定工作條件下,控制器驅(qū)動(dòng)N通道MOSFET通路器件的柵極完全開啟,提供一條從輸入到輸出的低阻抗路徑。在發(fā)生過(guò)壓或浪涌時(shí)(閾值由輸出端的反饋網(wǎng)絡(luò)給出),IC調(diào)節(jié)N通道MOSFET的柵極,將MOSFET的輸出電壓箝位到電阻分壓器設(shè)定的電平。
圖5顯示了浪涌抑制器配置的簡(jiǎn)化示意圖,以及標(biāo)稱12 V電源軌上出現(xiàn)100 V輸入浪涌時(shí)的結(jié)果。在浪涌發(fā)生期間,浪涌抑制器電路的輸出被箝位到27 V。一些浪涌抑制器也使用串聯(lián)感應(yīng)電阻(圖5中的斷路器)來(lái)監(jiān)測(cè)過(guò)流情況,并調(diào)整N通道MOSFET的柵極,以限制輸出負(fù)載端的電流。
圖5.浪涌抑制器配置的詳細(xì)示意圖。
根據(jù)對(duì)過(guò)壓事件的響應(yīng),可以將浪涌抑制器分為四大類:
● 線性浪涌抑制器
● 柵極箝位
● 開關(guān)浪涌抑制器
● 輸出斷開保護(hù)控制器
浪涌抑制器應(yīng)基于應(yīng)用進(jìn)行選擇,所以,我們來(lái)比較一下它們的操作和優(yōu)點(diǎn)。
浪涌抑制器類型:線性
線性浪涌抑制器驅(qū)動(dòng)串聯(lián)MOSFET的方式和線性穩(wěn)壓器比較類似,是將輸出電壓限制在預(yù)先設(shè)置的安全值,并耗散MOSFET中的多余能量。為了保護(hù)MOSFET,該器件通過(guò)采用電容故障定時(shí)器來(lái)限制在高耗散區(qū)花費(fèi)的時(shí)間。
圖6.LT4363線性浪涌抑制器。
浪涌抑制器類型:柵極箝位
柵極箝位浪涌抑制器利用內(nèi)部或外部箝位(例如,31.5 V或50 V內(nèi)部箝位,或可調(diào)的外部箝位)將柵極引腳的電壓限制到這個(gè)電壓值,然后,由MOSFET的閾值電壓決定輸出電壓限值。例如,在使用內(nèi)部31.5 V柵極箝位,且MOSFET閾值電壓為5 V時(shí),輸出電壓限制為26.5 V?;蛘撸獠繓艠O箝位允許更廣泛的電壓選擇范圍。柵極箝位浪涌抑制器的示例如圖7所示。
圖7.LTC4380柵極箝位浪涌抑制器。
浪涌抑制器類型:開關(guān)
對(duì)于更高功率的應(yīng)用,開關(guān)浪涌抑制器是一個(gè)很好的選擇。與線性和柵極箝位浪涌抑制器一樣,開關(guān)浪涌抑制器在正常操作條件下可以充分增強(qiáng)調(diào)整FET,以在輸入和輸出之間提供一個(gè)低阻路徑(最小化功率損耗)。開關(guān)浪涌抑制器和線性或柵極箝位浪涌抑制器之間的主要區(qū)別出現(xiàn)在檢測(cè)到浪涌事件時(shí)。在浪涌事件中,開關(guān)浪涌抑制器是通過(guò)開關(guān)外部MOSFET(比較類似于開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器),將輸出調(diào)節(jié)到箝位電壓。
圖8.LTC7860開關(guān)浪涌抑制器。
保護(hù)控制器:輸出斷開
保護(hù)控制器不是真正的浪涌抑制器,但它確實(shí)能停止浪涌。和浪涌抑制器一樣,保護(hù)控制器監(jiān)測(cè)過(guò)壓和過(guò)流條件,但它不會(huì)箝位或調(diào)節(jié)輸出,而是通過(guò)立即斷開輸出來(lái)保護(hù)下游電子器件。這種簡(jiǎn)單保護(hù)電路的布局緊湊,非常適合由電池供電的便攜式應(yīng)用。 LTC4368 保護(hù)控制器的簡(jiǎn)化示意圖,以及它對(duì)過(guò)壓事件的響應(yīng)如圖9所示。保護(hù)控制器有許多版本。
圖9.LTC4368保護(hù)控制器。
保護(hù)控制器會(huì)監(jiān)測(cè)輸入電壓,確保電壓保持在OV/UV引腳的電阻分壓器所配置的電壓范圍內(nèi),當(dāng)輸入電壓超過(guò)這個(gè)范圍時(shí),利用背對(duì)背MOSFET斷開輸出,如圖9所示。背對(duì)背MOSFET也可用于防止反向輸入。輸出端的感應(yīng)電阻通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)正向電流來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù),但不需要基于計(jì)時(shí)器的穿越操作。
浪涌抑制器特性
為了給您的應(yīng)用選擇最合適的浪涌抑制器,您需要知道有哪些可用特性,以及它們可以幫助解決哪些挑戰(zhàn)。您可以在參數(shù)表中查找這些器件。
斷開與穿越
一些應(yīng)用要求在檢測(cè)到浪涌事件時(shí)斷開輸出和輸入的連接。在這種情況下,需要斷開過(guò)壓連接。如果您需要輸出在浪涌事件發(fā)生時(shí)保持正常運(yùn)行,從而最大限度減少下游電子設(shè)備的停機(jī)時(shí)間,則需要浪涌抑制器在發(fā)生浪涌時(shí)進(jìn)行穿越。在這種情況下,使用線性或開關(guān)浪涌抑制器可以實(shí)現(xiàn)這一功能(前提是,對(duì)于拓?fù)浜退x的FET,功率電平是合理的)。
故障定時(shí)器
實(shí)施穿越時(shí),需要對(duì)MOSFET提供保護(hù),以防它受到持續(xù)浪涌影響。為了確保留在FET的安全工作區(qū)(SOA)內(nèi),可以使用定時(shí)器。定時(shí)器本質(zhì)上是一個(gè)接地電容。發(fā)生過(guò)壓時(shí),內(nèi)部電流源開始為這個(gè)外部電容充電。電容達(dá)到一定的閾值電壓時(shí),數(shù)字故障引腳拉低,表明受時(shí)間延長(zhǎng)的過(guò)壓影響,調(diào)整管將很快關(guān)閉。如果定時(shí)器引腳電壓繼續(xù)上升到二級(jí)閾值,柵極引腳將拉低,以關(guān)閉MOSFET。
定時(shí)器電壓的變化率隨通過(guò)MOSFET的電壓而變化,也就是說(shuō),電壓越大,時(shí)間越短,電壓越小,時(shí)間越長(zhǎng)。這個(gè)有用特性使器件能夠平穩(wěn)度過(guò)短時(shí)過(guò)壓事件,允許下游元器件保持運(yùn)行,同時(shí)保護(hù)MOSFET不因持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的過(guò)壓事件出現(xiàn)損壞。有些器件具有重試功能,使器件能在冷卻之后再次打開輸出。
過(guò)流保護(hù)
許多浪涌抑制器都能夠監(jiān)測(cè)電流和保護(hù)器件不受過(guò)流事件影響。這是通過(guò)監(jiān)測(cè)串聯(lián)感應(yīng)電阻上的壓降并作出適當(dāng)響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。也可以通過(guò)監(jiān)測(cè)和控制浪涌電流來(lái)保護(hù)MOSFET。其響應(yīng)可能與過(guò)壓情況類似,這是因?yàn)槿绻娐纺軌蚪邮苓@種功率電平,那么它要么通過(guò)閂鎖斷開,要么通過(guò)穿越事件來(lái)斷開。
反向輸入保護(hù)
浪涌抑制器具有廣泛的操作能力(能夠承受某些器件上高達(dá)60 V的地下電壓),所以能夠提供反向輸入保護(hù)。圖10顯示了提供反向電流保護(hù)的背對(duì)背MOSFET配置。在正常運(yùn)行期間,Q2和Q1由柵極引腳開啟,Q3不產(chǎn)生任何影響。但是,出現(xiàn)反向電壓連接時(shí),Q3開啟,將Q2的柵極下拉至負(fù)輸入并隔離Q1,以保護(hù)輸出。
也可以通過(guò)可靠的器件引腳保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)反向輸出電壓保護(hù),根據(jù)所選的器件,可以承受高達(dá)20 V的地下電壓。
圖10.LT4363反向輸入保護(hù)電路。
對(duì)于需要寬輸入電壓范圍的應(yīng)用,可以使用浮動(dòng)拓?fù)淅擞恳种破?。發(fā)生浪涌事件時(shí),浪涌抑制器IC會(huì)監(jiān)控整個(gè)浪涌電壓,由內(nèi)部晶體管技術(shù)限制IC的電壓范圍。使用浮動(dòng)浪涌抑制器(例如 LTC4366)時(shí),IC浮動(dòng)剛好低于輸出電壓,為其提供更廣泛的工作電壓范圍。返回線中包含一個(gè)電阻(VSS),允許IC隨電源電壓浮動(dòng)。如此,由外部元器件和MOSFET的電壓功能設(shè)置輸入電壓限值。圖11顯示的應(yīng)用電路可以在保護(hù)后端負(fù)載時(shí),使用極高的直流電源正常運(yùn)行。
圖11.LTC4366高壓浮動(dòng)拓?fù)洹?/div>
為我的應(yīng)用選擇正確的器件
由于浪涌抑制器本身采用可靠設(shè)計(jì),所以能從很多方面簡(jiǎn)化保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)手冊(cè)已顯示許多可能的應(yīng)用,在確定元器件尺寸時(shí),能夠提供很大幫助。最困難的部分可能是選擇最合適的器件。您可以遵循以下幾個(gè)步驟來(lái)縮小范圍:
● 訪問(wèn)ADI的保護(hù)器件系列 參數(shù)表。
● 選擇輸入電壓范圍。
● 選擇通道數(shù)量。
● 篩選功能,縮小可行選項(xiàng)的范圍。
和所有產(chǎn)品選型一樣,在查找正確的器件前,您需要了解您的系統(tǒng)要求,這點(diǎn)非常重要。一些重要的考慮因素包括:預(yù)期的電源電壓和下游電子器件的電壓容限(在決定箝位電壓時(shí)非常重要),以及對(duì)設(shè)計(jì)而言非常重要的一些特性。
以下是一些經(jīng)過(guò)篩選的參數(shù)表示例,供大家參考。大家可以訪問(wèn)網(wǎng)站,在網(wǎng)站上進(jìn)一步更改這些參數(shù)表,可以添加一些其他參數(shù)。
● 高壓浪涌抑制器器件請(qǐng)參見 這里。
● 具有過(guò)壓斷開功能的保護(hù)控制器請(qǐng)參見 這里。
結(jié)論
無(wú)論采用哪種類型的浪涌抑制器,基于IC的有源浪涌抑制器設(shè)計(jì)都無(wú)需使用繁雜的TVS二極管,或使用大尺寸電感和電容來(lái)進(jìn)行濾波。所以,解決方案的整體面積更小,體積也更小巧。相比TVS,其輸出電壓箝位精度可能高出1%至2%。如此可以防止過(guò)度設(shè)計(jì),且能夠選擇公差更嚴(yán)格的下游器件。
ADI提供的系統(tǒng)保護(hù)器件系列讓設(shè)計(jì)人員能夠采用可靠、靈活且小巧的解決方案為下游器件提供保護(hù),尤其是對(duì)于工業(yè)、汽車、航空航天和通信設(shè)計(jì)中可能面臨嚴(yán)苛的過(guò)壓和過(guò)流事件的器件。
參考資料
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