【導(dǎo)讀】各行各業(yè)的制造商不斷努力提高尖端性能，同時(shí)力求在這種創(chuàng)新與久經(jīng)考驗(yàn)的強(qiáng)大解決方案之間取得平衡。設(shè)計(jì)人員面臨著平衡設(shè)計(jì)復(fù)雜性、可靠性和成本的艱巨任務(wù)。一個(gè)子系統(tǒng)，特別是電子保護(hù)裝置，由于其性質(zhì)而拒絕創(chuàng)新。這些系統(tǒng)保護(hù)敏感和昂貴的下游的電子設(shè)備（的FPGA，ASIC和微處理器），因此需要零故障率。
各行各業(yè)的制造商不斷努力提高尖端性能，同時(shí)力求在這種創(chuàng)新與久經(jīng)考驗(yàn)的強(qiáng)大解決方案之間取得平衡。設(shè)計(jì)人員面臨著平衡設(shè)計(jì)復(fù)雜性、可靠性和成本的艱巨任務(wù)。一個(gè)子系統(tǒng)，特別是電子保護(hù)裝置，由于其性質(zhì)而拒絕創(chuàng)新。這些系統(tǒng)保護(hù)敏感和昂貴的下游的電子設(shè)備（的FPGA，ASIC和微處理器），因此需要零故障率。
許多傳統(tǒng)的和歷史證明的保護(hù)方法（例如二極管、保險(xiǎn)絲和電視設(shè)備）都保持了其正常工作狀態(tài)，盡管這些方法通常效率低、體積大且需要維護(hù)。為了解決這些不足，有源智能保護(hù)IC已經(jīng)證明它們能夠滿足傳統(tǒng)方法的保護(hù)要求，但在許多方面它們更加堅(jiān)固。由于設(shè)備種類繁多，設(shè)計(jì)者最困難的問題就是簡單地選擇合適的解決方案。為了幫助設(shè)計(jì)者縮小選擇范圍，本文對傳統(tǒng)的保護(hù)方法進(jìn)行了比較。
為什么要考慮電壓和電流保護(hù)設(shè)備？
所有行業(yè)中使用的電子設(shè)備數(shù)量的增加，以及昂貴的FPGA和處理器所處理功能的擴(kuò)展，都增加了保護(hù)這些設(shè)備免受其惡劣工作環(huán)境影響的需求。除此之外，還需要小尺寸，高可靠性以及對過電壓和過電流浪涌事件的快速響應(yīng)的需求。讓我們看一下挑戰(zhàn)和傳統(tǒng)保護(hù)方法，并將它們與提供更好的準(zhǔn)確性，可靠性和設(shè)計(jì)靈活性的更新的替代解決方案進(jìn)行比較。
汽車、工業(yè)、通信和航空電子系統(tǒng)必須通過一系列的功率操作-供應(yīng)浪涌（圖1）。在每個(gè)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)期瞬變的細(xì)節(jié)和測試程序，以確保對這些瞬變進(jìn)行持續(xù)驗(yàn)證。
圖1.一些更嚴(yán)格的ISO 16750-2測試的概述。
電涌事件的類型及其能量含量可能會根據(jù)使用電子設(shè)備的區(qū)域而有所不同。電路可被暴露于過壓、過流、反向-電壓和反向-電流條件。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，更不用說運(yùn)行了。因此，設(shè)計(jì)人員必須考慮所有輸入事件并實(shí)施保護(hù)機(jī)制，以保護(hù)電路免受這些電壓和電流浪涌的影響。
設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
電子系統(tǒng)中存在許多不同的瞬態(tài)電壓和電流浪涌原因，但是某些電子環(huán)境比其他環(huán)境更容易發(fā)生瞬態(tài)事件。眾所周知，基于汽車，工業(yè)和通信環(huán)境的應(yīng)用程序會遇到潛在的有害事件，給下游電子設(shè)備造成嚴(yán)重破壞。但是，電涌事件并不僅限于這些環(huán)境。
浪涌保護(hù)電路的其他可能選擇包括需要高壓或大電流電源的任何應(yīng)用，或具有熱插拔電源連接功能的應(yīng)用，或具有電機(jī)或可能遭受雷擊引起的瞬變的系統(tǒng)。高-電壓事件可以發(fā)生在寬范圍的時(shí)基，從微秒到幾百毫秒，因此靈活可靠的保護(hù)機(jī)制是必要的，以確保下游昂貴的電子設(shè)備的壽命。
例如，當(dāng)交流發(fā)電機(jī)（為電池充電）暫時(shí)從電池上斷開時(shí)，可能會發(fā)生汽車甩負(fù)荷。這種斷開的結(jié)果是，來自交流發(fā)電機(jī)的滿充電電流被放置在電源線上，這會在數(shù)百毫秒內(nèi)將電源電壓升高到很高的水平（ > 100 V ）。
通信應(yīng)用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戶外安裝。大型設(shè)施中使用的長電纜也有可能出現(xiàn)感應(yīng)性電壓尖峰。
最終，在滿足公布的規(guī)格的同時(shí)，還必須了解設(shè)備必須在其中運(yùn)行的環(huán)境。這有助于設(shè)計(jì)者建立一個(gè)最佳的保護(hù)機(jī)制，既堅(jiān)固又不顯眼，但允許下游的電子裝置在安全電壓水平內(nèi)運(yùn)行，并盡量減少中斷。
傳統(tǒng)保護(hù)電路
考慮到這么多不同類型的電氣事件，在電子工程師的武器庫中應(yīng)該采取什么措施來保護(hù)敏感的下游電子設(shè)備？
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)該有什么來保護(hù)敏感的下游電子產(chǎn)品呢？
傳統(tǒng)的保護(hù)實(shí)現(xiàn)依賴于幾個(gè)設(shè)備，而不是只有一個(gè)。例如，用于過壓保護(hù)的瞬態(tài)電壓抑制器（TVS），用于過流保護(hù)的在線保險(xiǎn)絲，用于電池/電源反向保護(hù)的串聯(lián)二極管，以及用于濾除低能量尖峰的電容和電感的混合器件（圖2）。雖然離散設(shè)置可以滿足公布的規(guī)格 保護(hù)下游電路，但它們會導(dǎo)致復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)，需要多次選擇迭代以正確確定濾波的大小。
圖2.傳統(tǒng)保護(hù)裝置。
讓我們仔細(xì)看看這些設(shè)備中的每一個(gè)，觸及這種實(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
瞬態(tài)電壓抑制器
TVS是一個(gè)相對簡單的器件，有助于保護(hù)下游電路免受電源上的高壓尖峰的影響。它可以分成幾種不同的類型，這些類型具有廣泛的特性（下表按響應(yīng)時(shí)間從小到大排列）。
盡管這些產(chǎn)品有一系列的結(jié)構(gòu)和特性，但它們都以類似的方式運(yùn)作。當(dāng)電壓超過設(shè)備的閾值時(shí)，分流多余的電流。TVS在很短的時(shí)間內(nèi)將輸出端電壓箝制在額定水平。例如，一個(gè)TVS二極管可以在低至皮秒的時(shí)間內(nèi)作出反應(yīng)，而氣體放電管（GDT）可能需要幾微秒的時(shí)間來作出反應(yīng)，但能夠處理更大的浪涌。
圖3顯示了一個(gè)保護(hù)下游電路的TVS二極管的簡單實(shí)現(xiàn)。在正常工作條件下，TVS是高阻抗的，輸入電壓簡單地傳遞到輸出。當(dāng)輸入端出現(xiàn)過壓情況時(shí)，TVS變得導(dǎo)電，并通過將多余的能量分流到地（GND）來作出反應(yīng)，箝制下游負(fù)載看到的電壓。軌電壓上升到典型的操作值以上，但對于任何下游電路來說，被鉗制在一個(gè)安全水平的數(shù)值。
圖3.使用傳統(tǒng)的TVS解決方案防止電涌。
盡管TVS器件能有效地抑制非常高的電壓偏移，但在面臨持續(xù)的過電壓事件時(shí)，它們也不能避免損壞，從而導(dǎo)致需要定期監(jiān)測或更換器件。另一個(gè)問題是，TVS可能會出現(xiàn)短路故障，從而撬動了輸入電源。
此外，根據(jù)所涉及的能量，它們在物理上可能很大，需要與余量相匹配，增加了解決方案的尺寸。即使TVS的尺寸正確，下游電路也必須能夠處理鉗制的電壓，導(dǎo)致下游電壓等級要求增加。
在線式熔斷器
過流保護(hù)可以使用無處不在的在線保險(xiǎn)絲來實(shí)現(xiàn)，其熔斷額定值比額定值高一些--例如，比最大額定電流高20%（該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)絲最大的問題是，它們一旦熔斷就必須被更換。
保險(xiǎn)絲的簡單設(shè)計(jì)所帶來的時(shí)間和成本節(jié)約可能會因?yàn)橄鄬?fù)雜的維護(hù)工作而在日后產(chǎn)生，特別是當(dāng)應(yīng)用在物理上難以達(dá)到時(shí)。使用替代性保險(xiǎn)絲可以降低維護(hù)要求，例如可復(fù)位保險(xiǎn)絲，它利用正溫度系數(shù)，在大于正常電流通過設(shè)備時(shí)打開電路（電流水平的增加會提高溫度，導(dǎo)致電阻急劇增加）。
撇開維護(hù)問題不談，保險(xiǎn)絲最大的問題之一是其反應(yīng)時(shí)間，這可能會因所選保險(xiǎn)絲的類型而有很大差異。有快速熔斷的保險(xiǎn)絲，但清零時(shí)間（打開電路的時(shí)間）仍然可以從數(shù)百微秒到數(shù)毫秒不等。因此，電路設(shè)計(jì)者必須考慮在這些延長的時(shí)間內(nèi)所釋放的能量，以確保下游電子設(shè)備能夠存活。
串聯(lián)二極管
在某些環(huán)境中，電路容易遭受電源斷開和重新連接的影響，例如在電池供電的環(huán)境中。在這種情況下，重新連接電源時(shí)不能保證正確的極性。
極性保護(hù)可以通過在電路的正電源線上添加一個(gè)串聯(lián)二極管來實(shí)現(xiàn)。盡管這種簡單的添加可以有效地防止極性反接，但是串聯(lián)二極管的電壓降會導(dǎo)致相應(yīng)的功耗。在電流相對較低的電路中，折衷最小，但是對于許多現(xiàn)代的高電流軌，則需要替代解決方案。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)二極管可防止極性反接，但是在大電流系統(tǒng)中，二極管的壓降可能會成為問題。
使用電感和電容的過濾器
到目前為止所討論的無源解決方案都限制了通過的事件的振幅，但它們通常會捕獲較大的事件，而留下一些較小的尖峰通過。這些較小的瞬態(tài)仍然會對下游電路造成損害，因此需要額外的無源濾波器來清潔線路。這可以通過使用分立電感器和電容器來實(shí)現(xiàn)，其大小必須能衰減不需要的頻率的電壓。
濾波器的設(shè)計(jì)需要在設(shè)計(jì)前進(jìn)行測試和測量，以確定尺寸和頻率，然后才能正確確定濾波器的尺寸。這種途徑的缺點(diǎn)是BOM的成本和不動產(chǎn)的要求--為達(dá)到濾波水平所需的電路板面積和元件的成本--以及需要過度設(shè)計(jì)，這意味著對元件的公差進(jìn)行評級，以補(bǔ)償隨時(shí)間和溫度的變化。
使用電涌保護(hù)器的主動保護(hù)
克服上述無源保護(hù)解決方案的挑戰(zhàn)和缺點(diǎn)的方法之一是利用浪涌阻斷器IC。浪涌抑制器通過一個(gè)控制器IC和一個(gè)串聯(lián)的N溝道MOSFET消除了對龐大的分流電路（TVS器件、保險(xiǎn)絲、電感器和電容器）的需求。電涌止動器控制器可以大大簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因?yàn)樾枰_定尺寸和合格的元件很少。
浪涌抑制器持續(xù)監(jiān)測輸入電壓和電流。在額定工作條件下，控制器驅(qū)動N溝道MOSFET通過器件的柵極完全打開，提供一個(gè)從輸入到輸出的低電阻路徑。當(dāng)過壓或浪涌情況發(fā)生時(shí)--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的輸出電壓鉗制在由電阻分壓器設(shè)定的水平上。
圖5顯示了浪涌抑制器實(shí)施的簡化原理圖，以及標(biāo)稱12-V軌道上100V輸入浪涌的結(jié)果。在浪涌事件的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，浪涌抑制器電路的輸出被鉗制在27V。一些浪涌抑制器還使用一個(gè)串聯(lián)感應(yīng)電阻（圖5中的斷路器）監(jiān)測過流情況，并調(diào)整N溝道MOSFET的柵極，以限制呈現(xiàn)給輸出負(fù)載的電流。
圖5.浪涌抑制器實(shí)現(xiàn)的高級示意圖。
浪涌抑制器有四種類型，按其對過電壓事件的響應(yīng)進(jìn)行分類：
線性電涌保護(hù)器
閘門夾
開關(guān)型電涌保護(hù)器
輸出斷開保護(hù)控制器
電涌保護(hù)器的選擇取決于應(yīng)用，所以我們來比較一下它們的操作和優(yōu)勢。
線性電涌保護(hù)器
線性浪涌抑制器（圖6）驅(qū)動串聯(lián)MOSFET，很像一個(gè)線性穩(wěn)壓器，將輸出電壓限制在預(yù)先設(shè)定的安全值，將多余的能量耗散在MOSFET中。為了幫助保護(hù)MOSFET，該器件通過實(shí)施電容性故障定時(shí)器來限制在高耗散區(qū)域的時(shí)間。
圖6. LT4363線性電涌保護(hù)器。
柵極鉗制浪涌保護(hù)器
柵極鉗制浪涌抑制器（圖7）通過利用內(nèi)部或外部鉗制（例如，內(nèi)部31.5V或50V，或可調(diào)節(jié)的外部鉗制）將柵極引腳限制在這一電壓。然后，MOSFET的閾值電壓決定了輸出電壓的限制。例如，用一個(gè)內(nèi)部31.5V的柵極鉗和一個(gè)5V的MOSFET閾值電壓，輸出電壓被限制在26.5V。另外，一個(gè)外部柵極鉗允許選擇更廣泛的電壓范圍。
圖7. LTC4380柵極鉗位浪涌抑制器。
開關(guān)式電涌保護(hù)器
對于較高功率的應(yīng)用，開關(guān)浪涌抑制器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇（圖8）。與線性和門控浪涌抑制器一樣，開關(guān)浪涌抑制器在正常工作情況下完全增強(qiáng)了通過FET，以便在輸入和輸出之間提供一個(gè)低電阻路徑（最大限度地減少功率耗散）。
圖8. LTC7860開關(guān)浪涌抑制器。
當(dāng)檢測到電涌事件時(shí)，開關(guān)式電涌保護(hù)器與線性或門控電涌保護(hù)器之間的主要區(qū)別就出現(xiàn)了。在發(fā)生電涌時(shí)，開關(guān)式電涌保護(hù)器的輸出通過開關(guān)外部MOSFET調(diào)節(jié)到鉗位電壓，這與開關(guān)式DC-DC轉(zhuǎn)換器非常相似。
保護(hù)控制器:輸出斷開
保護(hù)控制器并不是正式的電涌抑制器，但它確實(shí)能阻止電涌。像浪涌抑制器一樣，保護(hù)控制器監(jiān)測過壓和過流情況，但保護(hù)控制器不是箝制或調(diào)節(jié)輸出，而是立即斷開輸出以保護(hù)下游電子。
這種簡單的保護(hù)電路可以有一個(gè)非常緊湊的尺寸，適用于電池操作的便攜式應(yīng)用。例如，圖9顯示了保護(hù)控制器（在本例中是LTC4368）的簡化原理圖，以及它對過壓事件的響應(yīng)。保護(hù)控制器有許多變體可供選擇。
圖9. LTC4368保護(hù)控制器。
保護(hù)控制器通過監(jiān)測輸入電壓來確保其保持在由OV/UV引腳上的電阻分壓器配置的電壓窗口內(nèi)，當(dāng)輸入超出該窗口時(shí)，通過背對背MOSFET斷開輸出（圖9，再次）。背對背MOSFET也可以防止輸入被逆轉(zhuǎn)。輸出端的感應(yīng)電阻通過持續(xù)監(jiān)測正向電流實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)能力，但沒有基于定時(shí)器的穿越操作。
電涌止動器的特點(diǎn)
要為您的應(yīng)用選擇最合適的浪涌保護(hù)器，您需要知道有哪些功能，以及它們幫助解決的挑戰(zhàn)。這些設(shè)備可以在parametrictable上找到。
斷開與穿越
一些應(yīng)用要求在檢測到浪涌事件時(shí)將輸出與輸入斷開。在這種情況下，就需要過電壓斷開。如果你需要輸出在面對浪涌事件時(shí)保持運(yùn)行，從而最大限度地減少下游電子設(shè)備的停機(jī)時(shí)間，你將要求浪涌保護(hù)器穿越浪涌事件。在這種情況下，線性或開關(guān)式浪涌保護(hù)器可以實(shí)現(xiàn)這一功能（如果功率水平對所選的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和FET來說是合理的）。
故障計(jì)時(shí)器
穿越操作需要為MOSFET提供一定的保護(hù)，以防持久性浪涌。保持在安全操作區(qū)域（SOA ）中在FET中，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)定時(shí)器。計(jì)時(shí)器本質(zhì)上是接地電容。當(dāng)發(fā)生過壓情況時(shí)，內(nèi)部電流源開始為該外部電容器充電。
一旦電容器達(dá)到一定的閾值電壓，數(shù)字故障引腳就會拉低以指示傳輸晶體管將因擴(kuò)展的過壓條件而很快關(guān)閉。如果定時(shí)器引腳電壓繼續(xù)上升到次級閾值，則GATE引腳將拉低以關(guān)閉MOSFET。
計(jì)時(shí)器電壓的變化率隨MOSFET兩端的電壓而變化，也就是說，對于較大的電壓，較短的計(jì)時(shí)器，對于較小的電壓，較長的計(jì)時(shí)器。這項(xiàng)有用的功能使器件能夠經(jīng)受短暫的過壓事件，從而使下游組件保持工作狀態(tài)，同時(shí)保護(hù)MOSFET免受持續(xù)時(shí)間較長的過壓事件的損害。某些設(shè)備具有重試功能，使設(shè)備可以在冷卻時(shí)間過后再次打開輸出。
過流保護(hù)
許多電涌制動器具有監(jiān)視電流并防止過電流事件的能力。這是通過監(jiān)視串聯(lián)檢測電阻兩端的壓降并做出適當(dāng)響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。還可以監(jiān)視和控制浪涌電流，以保護(hù)MOSFET。該響應(yīng)可能類似于過壓情況，因?yàn)樗梢酝ㄟ^閉鎖斷開連接，也可以在電路可以處理功率水平的情況下穿越事件。
反向-輸入保護(hù)
反向輸入保護(hù)是可能的，因?yàn)槔擞恐箘友b置的寬的工作能力（能夠承受高達(dá)低于地電位60 V在某些設(shè)備上的）。圖10顯示了一個(gè)背到后面MOSFET實(shí)現(xiàn)的反向-電流保護(hù)。在正常工作期間，Q2和Q1通過GATE引腳導(dǎo)通，而Q3則沒有任何影響。但是，當(dāng)存在反向電壓條件時(shí)，Q3導(dǎo)通，將Q2的柵極下拉至負(fù)輸入并隔離Q1，從而保護(hù)輸出。
圖10.顯示的是LT4363反向輸入保護(hù)電路。
強(qiáng)大的器件引腳保護(hù)也可實(shí)現(xiàn)反向輸出電壓保護(hù)。下面接地電位高達(dá)20 V是可能的，取決于所選擇的裝置上。
對于要求寬輸入電壓范圍的應(yīng)用，可以使用浮動拓?fù)淅擞恳种破鳌．?dāng)發(fā)生電涌事件時(shí)，電涌抑制器IC會看到完整的電涌電壓。因此，內(nèi)部晶體管技術(shù)限制了IC的電壓范圍。
使用浮動浪涌抑制器（例如LTC4366），IC浮動在輸出電壓以下，從而提供了更大的工作電壓范圍。在返回線（ V SS ）中放置了一個(gè)電阻，該電阻使IC隨電源電壓浮動。結(jié)果是由外部組件和MOSFET的電壓能力設(shè)置的輸入電壓限制。圖11顯示了一個(gè)應(yīng)用電路，該電路能夠在很高的直流電源下工作，同時(shí)保護(hù)下游負(fù)載。
圖11.這是LTC4366高壓浮動拓?fù)洹?/div>
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(jiān)固設(shè)計(jì)，使用浪涌抑制器可簡化保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)表可以極大地幫助您確定組件的大小，并且已經(jīng)顯示了許多可能的應(yīng)用。最難的部分可能是選擇最合適的設(shè)備。請按照以下幾個(gè)步驟來縮小范圍：
查閱保護(hù)參數(shù)表。
選擇輸入電壓范圍。
選擇通道的數(shù)量。
篩選功能以縮小可能的選項(xiàng)。
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)要求很重要。一些重要的考慮因素是預(yù)期的供電電壓和下游電子設(shè)備的電壓容限（對于確定鉗位電壓很重要），以及對設(shè)計(jì)很重要的任何特定功能。
下面列出了一些經(jīng)過過濾的參數(shù)表示例，以供參考，這些示例可以在網(wǎng)站上進(jìn)行進(jìn)一步修改以包括其他一些參數(shù)：
高-電壓浪涌-擋塊裝置可以找到這里。
具有OV斷開功能的保護(hù)控制器可在此處找到。
無論采用哪種浪涌-限位器類型，基于IC的有源浪涌-限位器設(shè)計(jì)都無需使用笨重的TVS二極管或大型電感器和電容器來進(jìn)行濾波。這導(dǎo)致總體上較小的面積和較小的輪廓解決方案。
輸出電壓鉗位比TVS的精度更高，精度可達(dá)到1％至2％。這樣可以防止過度設(shè)計(jì)，并允許選擇公差更嚴(yán)格的下游設(shè)備。采用這種方法，可使設(shè)計(jì)人員為下游設(shè)備實(shí)現(xiàn)可靠，靈活和小尺寸的保護(hù)，尤其是那些面臨嚴(yán)酷的過電壓和過電流事件的設(shè)備，在許多基于工業(yè)、汽車、航空和通信的設(shè)計(jì)中都可能發(fā)生這種情況。
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