干貨 | 如何為敏感電路提供過壓及電源反接保護

假如有人將24V電源連接到您的12V電路上，將發(fā)生什么？

倘若電源線和接地線因疏忽而反接，電路還能安然無恙嗎？

您的應(yīng)用電路是否工作于那種輸入電源會瞬變至非常高壓或甚至低于地電位的嚴(yán)酷環(huán)境中?

即使此類事件的發(fā)生概率很低，但只要出現(xiàn)任何一種就將徹底損壞電路板。

為了隔離負(fù)電源電壓，設(shè)計人員慣常的做法是布設(shè)一個與電源相串聯(lián)的功率二極管或 P 溝道 MOSFET。然而——

二極管既占用寶貴的板級空間，又會在高負(fù)載電流下消耗大量的功率。

P 溝道 MOSFET 的功耗雖然低于串聯(lián)二極管，但 MOSFET 以及所需的驅(qū)動電路將導(dǎo)致成本增加。

這兩種解決方案均犧牲了低電源操作性能，尤其是串聯(lián)二極管。而且，兩種方法都沒有提供針對過高電壓的保護 —— 這種保護需要更多的電路，包括一個高電壓窗口比較器和充電泵。

欠壓、過壓和電源反向保護

LTC4365是一款獨特的解決方案，可精巧和穩(wěn)健地保護敏感電路免遭意料之外的高電源電壓或負(fù)電源電壓。LTC4365 能隔離高達 60V 的正電壓和低至 –40V 的負(fù)電壓。只有處于安全工作電源范圍之內(nèi)的電壓被傳送至負(fù)載。僅需的外部有源組件是一個連接在不可預(yù)知的電源與敏感負(fù)載之間的雙路N溝道MOSFET。

圖 1 示出了一款完整的應(yīng)用電路。一個阻性分壓器負(fù)責(zé)設(shè)定用于負(fù)載與VIN連接 / 斷接的過壓(OV)和欠壓 (UV) 跳變點。如果輸入電源漂移至該電壓窗口之外，則LTC4365 將迅速把負(fù)載與電源斷接。

圖 1：完整的 12V 汽車欠壓、過壓及電源反向保護電路

雙路 N 溝道 MOSFET 負(fù)責(zé)在 VIN 上隔離正電壓和負(fù)電壓。在標(biāo)準(zhǔn)運作期間，LTC4365 為外部 MOSFET 的 柵極提供了增強的 8.4V。LTC4365 的有效工作范圍從低至2.5V到高達34V —— OV和UV窗口可介于此范圍之內(nèi)。對于大多數(shù)應(yīng)用來說，無需在 VIN 上設(shè)置保護性箝位電路，從而進一步簡化電路板設(shè)計。

準(zhǔn)確和快速的過壓及欠壓保護

LTC4365 中兩個準(zhǔn)確 (±1.5%) 的比較器用于監(jiān)視 VIN上的過壓 (OV) 和欠壓 (UV) 狀況。如果輸入電壓分別升至 OV 門限以上或降至 UV 門限以下，則外部 MOSFET 的柵極將快速關(guān)斷。外部阻性分壓器允許用戶選擇一個與 VOUT上的負(fù)載相兼容的輸入電源范圍。此外，UV 和 OV 輸入還具有非常低的漏電流 (在 100°C 時通常 <1nA)，因而可在外部阻性分壓器中提供大的電流值。

圖 2 示出了圖 1 電路中的 VIN從 –30V 緩慢斜坡上升至 30V 時做出的反應(yīng)。UV 和 OV 門限被分別設(shè)定為 3.5V 和 18V。當(dāng)電源電壓位于 3.5V 至 18V 窗口之內(nèi)時， VOUT 跟隨 VIN。若超出該窗口時，LTC4365 將 關(guān)斷 N 溝道 MOSFET，并使 VOUT與 VIN斷接，即使在VIN為負(fù)值的情況下也不例外。

圖 2：當(dāng) VIN從 –30V上升至 30V 時的負(fù)載保護

新穎的電源反向保護

LTC4365 運用了一種新穎的負(fù)電源保護電路。當(dāng) LTC4365 在 VIN上檢測到負(fù)電壓，它迅速將 GATE 引 腳連接至 VIN。在 GATE 與 VIN電壓之間沒有二極管壓降。當(dāng)外部 N 溝道 MOSFET 的柵極處于最負(fù)電位 (VIN)時，從VOUT至VIN上負(fù)電壓的漏電流極小。

圖 3 示出了當(dāng) VIN帶電插入至 –20V 時出現(xiàn)的狀況。在連接的前一刻，VIN、VOUT和 GATE 以地電位為起始點。由于 VIN和 GATE 連接線的寄生電感之原因，VIN和 GATE 引腳上的電壓將顯著地變至 –20V 以下。外部 MOSFET 必須具有一個可安全承受該過 沖的擊穿電壓指標(biāo)。

圖 3：從 VIN至 –20V 的熱插拔保護

顯然，LTC4365 反向保護電路的動作速度取決于 GATE 引腳在負(fù)電壓瞬變期間跟隨 VIN的緊密程度。在所示的標(biāo)度上，兩者的波形幾乎無法區(qū)分。請注意，提供反向保護并不需要其他外部電路。

還有更多功能！

AC 隔離、VOUT通電時的反向 VIN熱插拔 (Hot Swap?) 控制 在出現(xiàn) OV 或 UV 故障之后 (或當(dāng) VIN 變至負(fù)值時)，輸入電源必須返回有效的工作電壓窗口并持續(xù)至少 36ms 以重新接通外部 MOSFET。這將有效地隔離 50Hz和60Hz的未整流AC 電源。

另外，LTC4365 還針對負(fù) VIN連接提供了保護作用，即使在 VOUT由一個單獨的電源驅(qū)動時也是如此。只要不超過外部 MOSFET 的擊穿電壓 (60V)，那么 VIN上的極性反接就不會對VOUT上的20V電源造成影響。

結(jié)論

通過采用背對背 MOSFET (而并未使用二極管)， LTC4365 控制器為敏感電路提供了過壓、欠壓和電源 反接的保護作用。電源電壓只有在合格通過可由用戶調(diào)節(jié)的 UV 和 OV 跳變門限時才能傳送至輸出端。 任何超出該窗口的電壓都被隔離，保護范圍可高達 60V和低至–40V。

LTC4365的新穎架構(gòu)造就了一款外部組件極少的堅固型小尺寸解決方案，并可提供纖巧型 8 引腳 3mm x 2mm DFN 和 TSOT-23 封裝。LTC4365 具有一個 2.5V 至34V的寬工作范圍，停機期間僅消耗10μA。