如何為您的電路選擇合適的保護

Diarmuid Carey

各行各業(yè)的制造商都在不斷推動尖端性能，同時試圖在這種創(chuàng)新與久經(jīng)考驗的強大解決方案之間取得平衡。設(shè)計人員面臨著平衡設(shè)計復(fù)雜性、可靠性和成本的艱巨任務(wù)。特別是一個子系統(tǒng)，電子保護，由于其性質(zhì)而拒絕創(chuàng)新的舉動。這些系統(tǒng)可保護敏感且昂貴的下游電子設(shè)備（FPGA、ASIC 和微處理器），要求零故障率。

許多傳統(tǒng)且經(jīng)過歷史驗證的保護方法（如二極管、保險絲和TVS器件）仍保留其首選狀態(tài)，但這些方法通常效率低下、體積龐大且需要維護。為了解決這些缺陷，有源智能保護IC已經(jīng)證明它們可以滿足傳統(tǒng)方法的保護要求，但在許多方面更強大。由于可用的器件種類繁多，設(shè)計人員最困難的問題就是選擇合適的解決方案。

為了幫助設(shè)計人員縮小選擇范圍，本文將傳統(tǒng)保護方法與ADI保護產(chǎn)品組合進行了比較，介紹了這些產(chǎn)品的特性和建議的應(yīng)用。

介紹

隨著各行各業(yè)電子產(chǎn)品使用量的增加，以及昂貴的FPGA和處理器所處理功能的擴展，保護這些設(shè)備免受惡劣環(huán)境影響的需求也隨之增加。除此之外，還需要小尺寸、高可靠性以及對過壓和過流浪涌事件的快速響應(yīng)。本文討論許多應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)以及為什么需要保護。討論了傳統(tǒng)的保護方法，并將其與更新的替代解決方案進行了比較，后者提供了更好的準確性、可靠性和設(shè)計靈活性。

為什么考慮電壓和電流保護器件？

汽車、工業(yè)、通信和航空電子系統(tǒng)必須通過一系列電源浪涌運行，如圖1所示。在這些市場中，瞬態(tài)事件在許多行業(yè)規(guī)范中都有定義。例如，ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 規(guī)范涵蓋了汽車瞬變，其中概述了預(yù)期瞬變的詳細信息和測試程序，以確保這些瞬變得到一致驗證。

浪涌事件的類型及其能量含量可能因電子設(shè)備的使用區(qū)域而異;電路可能會暴露在過壓、過流、反向電壓和反向電流條件下。最終，如果直接面對圖1所示的瞬態(tài)條件，許多電子電路將無法生存，更不用說工作了，因此設(shè)計人員必須考慮所有輸入事件，并實施保護機制來保護電路免受這些電壓和電流浪涌的影響。

圖1.一些更嚴格的ISO 16750-2測試概述。

設(shè)計挑戰(zhàn)

電子系統(tǒng)中瞬態(tài)電壓和電流浪涌有許多不同的原因，但某些電子環(huán)境比其他環(huán)境更容易發(fā)生瞬態(tài)事件。眾所周知，汽車、工業(yè)和通信環(huán)境中的應(yīng)用會遇到潛在的有害事件，對下游電子設(shè)備造成嚴重破壞，但浪涌事件不僅限于這些環(huán)境。浪涌保護電路的其他可能候選者包括任何需要高電壓或高電流電源的應(yīng)用，或具有熱插拔電源連接的應(yīng)用，或具有電機或可能暴露于潛在雷電引起的瞬變的系統(tǒng)。高壓事件可能發(fā)生在從微秒到數(shù)百毫秒的寬時基范圍內(nèi)，因此靈活可靠的保護機制對于確保昂貴的下游電子設(shè)備的使用壽命至關(guān)重要。

例如，當交流發(fā)電機（為電池充電）與電池暫時斷開連接時，可能會發(fā)生汽車負載突降。由于這種斷開，來自交流發(fā)電機的全部充電電流被放置在電源軌上，從而將電源軌電壓提高到非常高（>100 V）的水平，持續(xù)數(shù)百毫秒。

通信應(yīng)用可能有許多可能的浪涌原因，從熱插拔通信卡到可能暴露在雷擊下的室外安裝。大型設(shè)施中使用的長電纜也可能產(chǎn)生感應(yīng)電壓尖峰。

最終，必須了解設(shè)備必須運行的環(huán)境，同時滿足已發(fā)布的規(guī)范。這有助于設(shè)計人員將最佳保護機制組合在一起，該機制既堅固又不引人注目，但允許下游電子設(shè)備在安全電壓水平下運行，中斷最小。

傳統(tǒng)保護電路

有這么多不同類型的電氣事件需要考慮，電子工程師的武器庫中應(yīng)該采取什么措施來保護敏感的下游電子設(shè)備？

傳統(tǒng)的保護實現(xiàn)依賴于多個器件，而不僅僅是一個器件，例如，用于過壓保護的瞬態(tài)電壓抑制器 （TVS）、用于過流保護的串聯(lián)保險絲、用于電池/電源反向保護的串聯(lián)二極管，以及用于濾除較低能量尖峰的電容器和電感器的混合。雖然分立式設(shè)置可以滿足公布的規(guī)格（保護下游電路），但它們會導(dǎo)致復(fù)雜的實現(xiàn)，需要多次選擇迭代才能正確調(diào)整濾波尺寸。

圖2.傳統(tǒng)保護裝置。

讓我們仔細看看這些設(shè)備中的每一個，觸及這種實現(xiàn)的優(yōu)缺點。

TVS—瞬態(tài)電壓抑制器

這是一個相對簡單的器件，有助于保護下游電路免受電源上的高壓尖峰的影響。它可以分為幾種不同的類型，具有廣泛的特性（表1按響應(yīng)時間從小到大的順序排列）。

盡管它們具有一系列結(jié)構(gòu)和特性，但它們都以類似的方式工作：當電壓超過器件閾值時分流多余的電流。TVS在很短的時間內(nèi)將輸出端的電壓箝位到額定電平。例如，TVS二極管可以在低至皮秒的時間內(nèi)做出響應(yīng)，而GDT可能需要幾微秒才能響應(yīng)，但可以處理更大的浪涌。

圖3顯示了TVS二極管保護下游電路的簡單實現(xiàn)。在正常工作條件下，TVS具有高阻抗，輸入電壓僅傳遞到輸出。當輸入端發(fā)生過壓情況時，TVS變?yōu)閷?dǎo)電，并通過將多余能量分流到地（GND）來響應(yīng)，從而箝位下游負載看到的電壓。電源軌電壓上升到典型工作值以上，但對于任何下游電路，都會被箝位到安全水平。

盡管TVS器件可有效抑制非常高的電壓偏移，但在面對持續(xù)的過壓事件時，它們不能免受損壞，因此需要定期監(jiān)控或更換器件。另一個問題是TVS可能會短路失效，從而撬動輸入電源。此外，根據(jù)所涉及的能量，它們可以在物理上很大以匹配裕量，從而增加解決方案尺寸。即使TVS的尺寸正確，下游電路也必須能夠處理鉗位電壓，從而導(dǎo)致下游的額定電壓要求增加。

圖3.使用傳統(tǒng)的TVS解決方案防止電壓浪涌。

直插式保險絲

過流保護可以使用無處不在的直插式保險絲來實現(xiàn)，保險絲熔斷額定值比標稱值高出一定余量，例如，比最大額定電流高 20%（百分比將取決于電路類型以及預(yù)期的典型工作負載）。當然，保險絲的最大問題是一旦熔斷就必須更換。由于保險絲的簡單設(shè)計而節(jié)省的時間和成本可能會在以后由于相對復(fù)雜的維護而產(chǎn)生，尤其是在物理上難以到達的情況下。使用備用保險絲可以降低維護要求，例如可復(fù)位保險絲，當通過設(shè)備的電流大于正常電流時，該保險絲利用正溫度系數(shù)斷開電路（增加的電流水平會增加溫度，導(dǎo)致電阻急劇增加）。

撇開維護問題不談，保險絲的最大問題之一是它們的反應(yīng)時間，根據(jù)所選保險絲的類型，反應(yīng)時間可能會有很大差異。可以使用快速熔斷保險絲，但清除時間（打開電路的時間）仍可以從數(shù)百微秒到毫秒不等，因此電路設(shè)計人員必須考慮這些延長時間內(nèi)釋放的能量，以確保下游電子設(shè)備能夠生存。

串聯(lián)二極管

在某些環(huán)境中，電路會面臨電源斷開和重新連接的風(fēng)險，例如，在電池供電的環(huán)境中。在這種情況下，不能保證重新連接電源時的正確極性。極性保護可以通過在電路的正電源線上增加一個串聯(lián)二極管來實現(xiàn)。雖然這種簡單的添加可以有效地防止反極性，但串聯(lián)二極管的壓降會導(dǎo)致相應(yīng)的功耗。在相對低電流的電路中，權(quán)衡是最小的，但對于許多現(xiàn)代高電流軌，需要另一種解決方案。圖4顯示了對圖3的更新，顯示了TVS和增加的串聯(lián)二極管，以防止反極性連接。

圖4.添加串聯(lián)二極管可防止反極性，但在大電流系統(tǒng)中，二極管的壓降可能是一個問題。

使用電感器和電容器的濾波器

到目前為止討論的無源解決方案都限制了通過的事件的幅度，但通常會捕獲較大的事件，同時留下一些較小的尖峰。這些較小的瞬變?nèi)詴ο掠坞娐吩斐蓳p壞，因此需要額外的無源濾波器來清潔線路。這可以使用分立電感器和電容器來實現(xiàn)，其尺寸必須衰減不需要的頻率下的電壓。濾波器設(shè)計需要在設(shè)計前進行測試和測量，以確定濾波器的尺寸和頻率，然后才能正確確定濾波器的尺寸。這種路徑的缺點是BOM成本和空間要求（達到濾波水平所需的電路板面積和元件成本），以及過度設(shè)計的需求，即評估元件容差以補償隨時間和溫度的變化。

使用浪涌抑制器的主動保護

克服所述無源保護解決方案的挑戰(zhàn)和缺點的一種方法是改用浪涌抑制器IC。浪涌抑制器通過易于使用的控制器 IC 和串聯(lián) N 溝道 MOSFET，消除了對笨重并聯(lián)電路（TVS 器件、保險絲、電感器和電容器）的需求。浪涌抑制器控制器可以大大簡化系統(tǒng)設(shè)計，因為需要確定尺寸和鑒定的組件很少。

浪涌抑制器持續(xù)監(jiān)控輸入電壓和電流。在標稱工作條件下，控制器驅(qū)動 N 溝道 MOSFET 通器件的柵極完全導(dǎo)通，從而提供從輸入到輸出的低電阻路徑。當發(fā)生過壓或浪涌情況時（閾值由輸出端的反饋網(wǎng)絡(luò)決定），IC調(diào)節(jié)N溝道MOSFET的柵極，將MOSFET的輸出電壓箝位在電阻分壓器設(shè)定的水平。

圖5顯示了浪涌抑制器的簡化原理圖，以及標稱100 V電源軌上12 V輸入浪涌的結(jié)果。浪涌抑制電路的輸出在浪涌事件期間被箝位至27 V。一些浪涌抑制器還使用串聯(lián)檢測電阻（圖5中的斷路器）監(jiān)控過流情況，并調(diào)整N溝道MOSFET的柵極以限制輸出負載的電流。

圖5.浪涌抑制器實現(xiàn)的高級圖。

浪涌抑制器有四種主要類型，按其對過壓事件的響應(yīng)分類：

線性浪涌止動器

柵極夾

開關(guān)浪涌抑制器

輸出斷開保護控制器

浪涌止動器的選擇取決于應(yīng)用，因此讓我們比較一下它們的操作和優(yōu)勢。

浪涌抑制器類型：線性

線性浪涌抑制器驅(qū)動串聯(lián) MOSFET 與線性穩(wěn)壓器非常相似，將輸出電壓限制在預(yù)編程的安全值，從而消耗 MOSFET 中的多余能量。為了幫助保護 MOSFET，該器件通過實施容性故障定時器來限制在高耗散區(qū)域花費的時間。

圖6.

LT4363

是一款線性浪涌抑制器。

浪涌抑制器類型：柵極夾

柵極箝位浪涌抑制器的工作原理是利用內(nèi)部或外部箝位（例如，內(nèi)部31.5 V或50 V，或可調(diào)外部箝位）將柵極引腳限制在此電壓。然后，MOSFET 的閾值電壓決定輸出電壓限值。例如，對于內(nèi)部31.5 V柵極箝位和5 V的MOSFET閾值電壓，輸出電壓限制為26.5 V。柵極鉗式浪涌抑制器的示例如圖7所示。

圖7.

LTC4380

是一款柵極鉗位浪涌抑制器。

浪涌抑制器類型：開關(guān)

對于更高功率的應(yīng)用，開關(guān)浪涌抑制器是一個不錯的選擇。與線性和柵極箝位浪涌抑制器一樣，開關(guān)浪涌抑制器在正常工作時可充分增強調(diào)整 FET，從而在輸入和輸出之間提供低電阻路徑（最大限度降低功耗）。當檢測到浪涌事件時，開關(guān)浪涌抑制器和線性或柵極鉗位浪涌抑制器之間的主要區(qū)別就出現(xiàn)了。在發(fā)生浪涌時，開關(guān)浪涌抑制器的輸出通過切換外部MOSFET調(diào)節(jié)至箝位電壓，這與開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器非常相似。

圖8.

LTC7860

，一款開關(guān)浪涌抑制器。

保護控制器：輸出斷開

保護控制器不是正式的浪涌抑制器，但它確實可以阻止浪涌。與浪涌抑制器一樣，保護控制器監(jiān)控過壓和過流情況，但保護控制器不會箝位或調(diào)節(jié)輸出，而是立即斷開輸出以保護下游電子設(shè)備。這種簡單的保護電路可以具有非常緊湊的占位面積，適用于電池供電的便攜式應(yīng)用。LTC4368保護控制器如圖9所示，并示于其對過壓事件的響應(yīng)。保護控制器有多種型號可供選擇。

圖9.LTC4368，一款保護控制器。

保護控制器通過監(jiān)視輸入電壓來工作，以確保其保持在由OV/UV引腳上的電阻分壓器配置的電壓窗口內(nèi)，當輸入超出此窗口時，通過背靠背MOSFET斷開輸出，如圖9所示。背靠背 MOSFET 還可以防止輸入反向。輸出端的檢測電阻通過持續(xù)監(jiān)視正向電流來實現(xiàn)過流保護功能，但無需基于定時器的穿越操作。

浪涌抑制器特點

為了為您的應(yīng)用選擇最合適的緩沖器，您需要知道有哪些功能可用以及它們正在幫助解決哪些挑戰(zhàn)。這些設(shè)備可以在參數(shù)表中找到。

斷開連接與穿越

某些應(yīng)用要求在檢測到浪涌事件時斷開輸出與輸入的連接。在這種情況下，需要過壓斷開。如果您需要輸出在面對浪涌事件時保持運行，從而最大限度地減少下游電子設(shè)備的停機時間，則需要浪涌抑制器來應(yīng)對浪涌事件。在這種情況下，線性或開關(guān)浪涌抑制器可以實現(xiàn)此功能（前提是功率水平對于所選拓撲和FET來說是合理的）。

故障定時器

穿越操作需要對MOSFET進行一些保護，以防止持續(xù)浪涌。為了保持在FET的安全工作區(qū)（SOA）內(nèi)，可以實現(xiàn)一個定時器。定時器本質(zhì)上是一個接地電容。當發(fā)生過壓情況時，內(nèi)部電流源開始為該外部電容器充電。一旦電容達到某個閾值電壓，數(shù)字故障引腳就會拉低，以指示調(diào)整管將很快因擴展的過壓條件而關(guān)斷。如果定時器引腳電壓繼續(xù)上升到次級門限，則 GATE 引腳拉低以關(guān)斷 MOSFET。

定時器電壓的變化率隨MOSFET兩端的電壓而變化，也就是說，較大電壓的定時器較短，較小電壓的定時器較長。這一有用的特性使器件能夠渡過短的過壓事件，允許下游組件保持工作狀態(tài)，同時保護 MOSFET 免受更持久的過壓事件損壞。某些設(shè)備具有重試功能，使設(shè)備能夠在冷卻期后再次打開輸出。

過流保護

許多浪涌抑制器能夠監(jiān)控電流并防止過流事件。這是通過監(jiān)測串聯(lián)檢測電阻兩端的壓降并做出適當響應(yīng)來實現(xiàn)的。還可以監(jiān)測和控制浪涌電流以保護 MOSFET。響應(yīng)可能類似于過壓情況，因為如果電路可以處理功率電平，則通過閉鎖斷開或穿越事件來斷開連接。

反向輸入保護

由于浪涌抑制器器件具有廣泛的工作能力（在某些器件上能夠承受低于地電位 60 V 的電壓），因此可以實現(xiàn)反向輸入保護。圖10顯示了反向電流保護的背靠背MOSFET實現(xiàn)。正常工作期間，Q2和Q1由GATE引腳導(dǎo)通，Q3沒有任何影響。但是，當存在反向電壓條件時，Q3導(dǎo)通，將Q2的柵極下拉至負輸入并隔離Q1，從而保護輸出。

反向輸出電壓保護還具有強大的器件引腳保護功能，根據(jù)所選器件的不同，最高可達地電位以下 20 V。

圖 10.LT4363反向輸入保護電路。

對于需要寬輸入電壓范圍的應(yīng)用，可以使用浮動拓撲浪涌抑制器。當發(fā)生浪涌事件時，浪涌抑制器IC可以看到完整的浪涌電壓，因此內(nèi)部晶體管技術(shù)限制了IC的電壓范圍。利用一個浮動浪涌抑制器（例如 LTC4366），該 IC 浮動在剛好低于輸出電壓的位置，從而提供了更寬的工作電壓范圍。在返回管路中放置一個電阻器（V黨衛(wèi)軍），這允許IC隨電源電壓浮動。其結(jié)果是由外部元件和MOSFET的電壓能力設(shè)置的輸入電壓限制。圖11所示應(yīng)用電路能夠在非常高的直流電源下工作，同時保護下游負載。

圖 11.LTC4366 高電壓浮動拓撲結(jié)構(gòu)。

為我的應(yīng)用選擇合適的設(shè)備

在許多方面，由于其固有的堅固設(shè)計，使用浪涌抑制器簡化了保護電路設(shè)計。數(shù)據(jù)手冊對元件尺寸有很大幫助，已經(jīng)展示了許多可能的應(yīng)用。最困難的部分可能是選擇最合適的設(shè)備。請按照以下步驟縮小字段范圍：

轉(zhuǎn)到ADI的保護系列參數(shù)表。

選擇輸入電壓范圍。

選擇通道數(shù)。

過濾要素以縮小可能的選項范圍。

與所有產(chǎn)品選擇一樣，在尋找正確的設(shè)備之前，了解您的系統(tǒng)要求非常重要。一些重要的考慮因素是預(yù)期的電源電壓和下游電子器件的電壓容差（對于決定箝位電壓很重要），以及對設(shè)計很重要的任何特定特性。

下面顯示了一些過濾參數(shù)表示例，以供參考。這些可以在網(wǎng)站上進一步修改以包含一些其他參數(shù)。

高壓浪涌抑制器設(shè)備可以在這里找到。

可在此處找到具有 OV 斷開功能的保護控制器。

結(jié)論

無論采用何種浪涌抑制器類型，基于IC的有源浪涌抑制器設(shè)計都無需笨重的TVS二極管或大型電感器和電容器進行濾波。這導(dǎo)致整體面積更小，解決方案外形更薄。輸出電壓箝位比TVS更精確，精度可達1%至2%。這可以防止過度設(shè)計，并允許選擇具有更嚴格公差的下游設(shè)備。

ADI公司提供的系統(tǒng)保護器件系列使設(shè)計人員能夠為下游器件實現(xiàn)可靠、靈活、小尺寸的保護，尤其是那些面臨嚴重過壓和過流事件的器件，這些事件可能發(fā)生在許多工業(yè)、汽車、航空航天和通信設(shè)計中。

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