功耗：獲取有關電源應用和電路設計技巧以更少的成本系統(tǒng)電源保護

保護電路是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的無名英雄。無論何種應用，從交流線路到數(shù)字負載的長電氣鏈都散布著各種尺寸和形狀的保險絲和瞬態(tài)電壓抑制器。沿著電氣路徑，電應力源（例如存儲電容器引起的浪涌電流、接線錯誤或斷電引起的反向電流、過電壓以及感性負載開關或雷擊引起的欠壓）會損壞寶貴的電子負載。對于采用脆弱的亞微米和低壓技術構建的微處理器和存儲器來說也是如此。就像士兵建造堡壘墻一樣，有必要在負載周圍建立保護周界來處理這些潛在的災難性事件。

保護電子設備必須在其電壓和電流額定值范圍內(nèi)處理過壓/欠壓、過流和反向電流等故障條件。如果預期的電壓浪涌超過此處討論的保護電子額定值，則可以以濾波器和瞬態(tài)電壓抑制（TVS）器件的形式添加額外的保護層。

圖2顯示了圍繞智能負載（例如微處理器）的典型系統(tǒng)保護方案。DC-DC 轉換器 — 配有控制 （IC2）、同步整流場效應管 （T3， T4）和相關本征二極管（D3， D4），以及輸入和輸出濾波電容器（C在， C外） - 為微處理器或 PLC 供電。來自 24V 電源總線 （V總線），如果直接連接到 V在，將對 DC-DC 轉換器及其負載造成災難性后果（圖 3）。因此，前端電子保護是必要的。在這里，保護是通過控制器（IC1），驅動兩個分立式 MOSFET，T1和 T2.

圖2.典型的電子系統(tǒng)和保護

過壓保護

基于 DC-DC 轉換器的最大工作電壓（控制 IC2在圖 2 中），保護器 IC 主要由一個 MOSFET 開關 （T2），接近在此操作范圍內(nèi)，并在其上方打開。相關的本征二極管D2在過壓的情況下反向偏置，起任何作用。T 的存在1/D1在這種情況下也是無關緊要的，與 T1完全“開啟”。

過流保護

即使輸入電壓被限制在允許的工作范圍內(nèi)，問題也可能持續(xù)存在。向上電壓波動會產(chǎn)生高 CdV/dt 浪涌電流，可能會熔斷保險絲、燒毀 PCB 走線或使系統(tǒng)過熱，從而降低其可靠性。因此，保護IC必須配備限流機制。

反向電流保護

MOSFET 在漏極和源極之間的本征二極管在 MOSFET “導通”時反向偏置，當 MOSFET 電壓極性反轉時正向偏置。由此可見，T2本身不能阻擋負輸入電壓。這些可能會意外發(fā)生，例如，在負瞬態(tài)或停電期間，當輸入電壓（V總線在圖2中）為低電平或不存在，DC-DC轉換器輸入電容（C在） 通過本征二極管 D 饋送電源總線2.為了阻止反向電流，必須有晶體管T。1，與其固有二極管 D 一起放置1反對負電流。然而，結果是兩個MOSFET的昂貴背靠背配置，其固有二極管偏置相反。

集成背靠背 MOSFET

如果使用分立式MOSFET，則背靠背配置的需求是顯而易見的，如圖2所示，而如果保護是單片式的，即當控制電路和MOSFET集成在單個IC中時，則不太明顯。許多配備反向電流保護的集成保護IC都使用單個MOSFET，無論MOSFET極化如何，都要將器件體二極管切換為反向偏置。這種實現(xiàn)方案適用于5V MOSFET，后者在源極和漏極方面具有對稱結構。源體和漏極體最大工作電壓相同。在我們的例子中，高壓MOSFET不是對稱的，只有漏極設計為能夠承受相對于身體的高電壓。高壓MOSFET的布局更為關鍵，而RR優(yōu)化的高壓MOSFET則更為關鍵。DS（ON）僅與源短路到身體一起提供。最重要的是，高壓（> 5V）集成解決方案也必須采用背靠背配置。

在電機驅動器應用中，直流電機電流由 PWM 控制，采用 MOSFET 橋式驅動器控制。在PWM控制周期的OFF部分，電流再循環(huán)回輸入電容，從而有效地實現(xiàn)能量回收方案。在這種情況下，不需要反向電流保護。

傳統(tǒng)分立式解決方案

圖 5 顯示了使用分立式實現(xiàn)方案（如圖 2 所示的分立式實現(xiàn)方案 （24V） 的高成本，包括 PC 板面積和物料清單 （BOM）在，-60V至+60V保護）。印刷電路板面積為70mm2。

圖5.具有更高PCB面積（70mm）的傳統(tǒng)分立保護2)

集成解決方案

圖6顯示了在同一IC中集成控制和功率MOSFET的優(yōu)勢，該IC采用3mm x 3mm TDFN-EP封裝。在這種情況下，PCB面積占用減少到分立解決方案的約40%（28mm2).

圖6.集成保護，減少印刷電路板面積（28mm2)

集成保護系列

MAX17608–MAX17610系列可調(diào)過壓和過流保護器件就是這種集成方案的一個例子。它具有一個210mΩ的低導通電阻集成FET對，如圖7所示。

圖7.MAX17608/MAX17609過壓/過流保護器件框圖

這些器件可保護下游電路免受高達 ±60V 的正負輸入電壓故障的影響。過壓鎖定門限 （OVLO） 可通過可選的外部電阻器調(diào)節(jié)至 5.5V 至 60V 之間的任何電壓（圖 8）。它們具有高達 1A 的可編程限流保護功能。MAX17608和MAX17610阻斷反向流動的電流，而MAX17609允許電流反向流動。這些器件還具有防止內(nèi)部過熱的熱關斷保護功能。它們采用小型 12 引腳 （3mm x 3mm） TDFN-EP 封裝。器件的工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C。

除了理想的集成特性外，該解決方案還具有±3%的精確電流檢測，而分立式解決方案的典型電流檢測率為±40%。該 IC 還在 SETI 引腳上報告負載瞬時電流值（圖 8）。這是一個很棒的功能，可以幫助系統(tǒng)監(jiān)控每個電路板的電流消耗。

這些器件可以編程為在限流條件下以三種不同的方式運行：自動重試、連續(xù)或閉鎖模式。這是系統(tǒng)設計人員決定如何管理負載瞬態(tài)以最大程度地減少系統(tǒng)停機時間和服務成本的好方法。

圖8.MAX17608/MAX17609應用框圖

結論

電子負載需要保護免受停電和波動、感性負載切換和雷擊的影響。我們回顧了一種典型的保護解決方案，其集成度低，不僅會導致PCB空間效率低下和高BOM，而且具有高容差并帶來電路認證挑戰(zhàn)。我們展示了一個豐富的高集成度、高度靈活、低R系列。DS（ON）提供直接和反向電壓和電流保護的保護IC。它們非常易于使用，并以最小的 BOM 和 PC 板空間占用提供必要的功能。借助這些 IC，您可以在系統(tǒng)周圍設計一個緊密的保護范圍，以提高安全性和可靠性。

審核編輯：郭婷