ADI浪涌抑制器——為產(chǎn)品的可靠運(yùn)行保駕護(hù)航

一、復(fù)雜的電子環(huán)境

汽車、工業(yè)和航空電子設(shè)備所處的供電環(huán)境非常復(fù)雜，在這種惡劣的供電環(huán)境中運(yùn)行，需要具備對(duì)抗各種浪涌傷害的能力。以汽車電子系統(tǒng)供電應(yīng)用為例，該系統(tǒng)不但需要滿足高可靠性要求，還需要應(yīng)對(duì)相對(duì)不太穩(wěn)定的電池電壓，具有一定挑戰(zhàn)性；與車輛電池連接的電子和機(jī)械系統(tǒng)的差異性，也可能導(dǎo)致標(biāo)稱12 V電源出現(xiàn)大幅電壓偏移。

事實(shí)上，在一定時(shí)間段內(nèi)，12 V電源的變化范圍為–14 V至+35 V，且可能出現(xiàn)+150 V至–220 V的電壓峰值。這種很高的瞬態(tài)電壓在汽車和工業(yè)系統(tǒng)是常見的，可以持久從微秒到幾百毫秒，這將帶來巨大的能量。這其中有些浪涌和瞬變?cè)谌粘Ｊ褂弥谐霈F(xiàn)，其他則是因?yàn)楣收匣蛉藶殄e(cuò)誤導(dǎo)致。

無論起因?yàn)楹危鼈儗?duì)汽車電子系統(tǒng)造成的損害難以診斷，修復(fù)成本也很高昂。為避免出現(xiàn)故障風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)內(nèi)的電子器件，要么本身必須具備承受這些浪涌的能力，要么就必須被謹(jǐn)慎得保護(hù)起來。

圖1 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常見的浪涌形式

二、傳統(tǒng)的應(yīng)對(duì)方式

傳統(tǒng)的過電壓（OV）和過流（OC）保護(hù)系統(tǒng)往往包括：用于過濾低能量尖峰的電容器和電感、用于過電壓保護(hù)的瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）、用于直流過流保護(hù)的保險(xiǎn)絲、用于電池反向保護(hù)的系列二極管等。

圖2 傳統(tǒng)保護(hù)架構(gòu)

盡管這些器件也在不斷改進(jìn)，但這些分立的解決方案體積龐大、不夠精密，并且在持續(xù)故障期間會(huì)燒斷保險(xiǎn)絲，可能引起以下這些更大范圍的停機(jī)和故障：

（1）吸收同樣的能量，分立器件需要更大的體積。

（2）參數(shù)離散，例如同樣是SMB封裝的78V TVS，其齊納擊穿電壓的范圍可達(dá)1V。

（3）持續(xù)或直流的瞬變，可能會(huì)燒斷保險(xiǎn)絲或TVS，需要人工維修。

（4）用于反向保護(hù)而串聯(lián)在功率通路上的二極管，會(huì)增加損耗并且?guī)頍岬膯栴}。

三、ADI的革新技術(shù)——SURGE STOPPER

技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健的工程師Alex Yang介紹了ADI的革新技術(shù)——SURGE STOPPER，SURGE STOPPER能夠?qū)崿F(xiàn)怎樣的功能呢？

圖3 浪涌抑制器在汽車中的應(yīng)用

其功能的核心，就是能夠保護(hù)負(fù)載端的電子系統(tǒng)免受高壓沖擊。并且在電涌施加在系統(tǒng)前端時(shí)，能夠確保系統(tǒng)不間斷運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)的前端供電出現(xiàn)持續(xù)的或是直流故障時(shí)，能夠斷開負(fù)載連接，直至前端供電重新正常，保護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)供電。另一方面，假如后級(jí)出現(xiàn)故障，例如過載和短路，那么SURGE STOPPER也同樣可以保護(hù)前端供電不會(huì)被故障的負(fù)載所拖垮，可以干凈利落地切斷故障通道直至其恢復(fù)正常。

在實(shí)現(xiàn)核心功能的基礎(chǔ)上，SURGE STOPPER在設(shè)計(jì)中考慮了很多細(xì)節(jié)。例如，工程師可以對(duì)嵌位電壓進(jìn)行高精度的微調(diào)，而不需要被動(dòng)地去TVS選型表中選出最接近自己需求的器件。這樣既便于工程師設(shè)計(jì)的更改和迭代，也可以最大限度地減少過度設(shè)計(jì)，降低成本。

根據(jù)市場(chǎng)需求，ADI革新性地針對(duì)浪涌問題研發(fā)了三類產(chǎn)品，包括：線性浪涌抑制器，開關(guān)浪涌抑制器，以及防護(hù)控制器。除此之外，ADI仍在不斷嘗試用新的思路解決浪涌問題。

線性浪涌抑制器

在正常運(yùn)行期間，一個(gè)線性浪涌抑制器完全打開MOSFET的溝道，為負(fù)載電流提供一個(gè)低電阻路徑。

當(dāng)輸入電源電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，輸出電壓會(huì)被線性地調(diào)節(jié)到一個(gè)由電阻分壓器設(shè)置的安全電壓，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)后級(jí)負(fù)載電路的目的。

在保護(hù)狀態(tài)下，后級(jí)電路會(huì)保持工作狀態(tài)。

圖4 線性浪涌抑制器

開關(guān)浪涌抑制器

在正常運(yùn)行期間，開關(guān)浪涌抑制器完全打開外部MOSFET，讓功率順利通過保護(hù)級(jí)，從而為后級(jí)負(fù)載供電。

當(dāng)輸入電壓浪涌發(fā)生時(shí)，立刻切換工作模式，將外部MOSFET作為一個(gè)高效率的BUCK穩(wěn)壓器的一部分，通過限制輸出電壓和電流來保護(hù)關(guān)鍵的下游組件。

在保護(hù)狀態(tài)下，后級(jí)電路會(huì)保持工作狀態(tài)。

圖5 開關(guān)浪涌抑制器

保護(hù)控制器

保護(hù)控制器在供電電壓出現(xiàn)異常時(shí)立即斷開連接，從而達(dá)到保護(hù)后級(jí)電路的目的。

在保護(hù)狀態(tài)下，后級(jí)電路會(huì)停止工作。

以LTC4368為例，它可以實(shí)現(xiàn)過壓（OV）、欠壓（UV）、過流（OC）、反向輸入（RI）四種保護(hù)，基本覆蓋了應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)的各種工況，為后級(jí)電路提供了完善的保護(hù)解決方案。

圖6 LTC4368框圖

四、產(chǎn)品舉例

Alex分享了ADI的一款線性浪涌抑制器LT4363。

圖7 LT4363的電路架構(gòu)

LT4363簡(jiǎn)介

它能通過控制一個(gè)外部N溝道MOSFET的柵極，以在過壓過程中（比如：汽車應(yīng)用中的負(fù)載突降情況）調(diào)節(jié)輸出電壓。輸出被限制在一個(gè)安全的數(shù)值上，從而允許負(fù)載持續(xù)運(yùn)作。

LT4363還監(jiān)視SNS和OUT引腳之間的壓降，以防止遭受過流故障的影響。

不管在哪種故障條件下，定時(shí)器的起動(dòng)均與 MOSFET 應(yīng)力成反比。在定時(shí)器終止操作之前，F(xiàn)LT 引腳將被拉至低電平，以發(fā)出“即將斷電”的警告。如果該條件一直持續(xù)，則 MOSFET 將關(guān)斷。在復(fù)位之前，LT4363-1 保持關(guān)斷，而LT4363-2則在一個(gè)冷卻周期之后重新起動(dòng)。

兩個(gè)高精度比較器能監(jiān)視輸入電源的過壓（OV）和欠壓（UV）情況。當(dāng)電壓低于UV門限時(shí)，外部MOSFET保持關(guān)斷狀態(tài)。假如輸入電源電壓高于OV門限，則不允許MOSFET重新接通?？梢圆捎帽硨?duì)背MOSFET來代替肖特基二極管以提供反向輸入保護(hù)，從而減少壓降和功率損失。一個(gè)停機(jī)引腳負(fù)責(zé)將停機(jī)期間的靜態(tài)電流減小至7μA以下。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

過壓故障

在過壓情況發(fā)生時(shí)，LT4363會(huì)通過控制MOSFET柵極電壓，使得MOSFET工作在可  變電阻區(qū)，以保證輸出電壓采樣引腳FB上的電壓維持在1.275V。從而達(dá)到，將電壓嵌位在我們所設(shè)定的電壓上的目的。同時(shí)，如果過電壓現(xiàn)象持續(xù)存在，則定時(shí)器會(huì)控制MOSFET關(guān)閉。

過流故障

當(dāng)出現(xiàn)短路或過流情況，LT4363會(huì)控制GATE引腳，以限制SNS和OUT引腳之間電流檢測(cè)電壓為50 mV。在輸出嚴(yán)重短路的情況下（一般指輸出電壓低于2V），電流檢測(cè)門限會(huì)由原來的50 mV降低至25mV，以降低MOSFET上的功率應(yīng)力。如果故障仍然持續(xù)，則定時(shí)器會(huì)控制MOSFET關(guān)閉。

MOSFET的選型

LT4363通過驅(qū)動(dòng)一個(gè)N溝道MOSFET來導(dǎo)電負(fù)載電流。MOSFET的重要參數(shù)是導(dǎo)通電阻RDS（ON），漏源極電壓的最大值V（BR）DSS、柵極閾值電壓V（BR）GS以及SOA。

V（BR）DSS漏源極電壓的最大值:

V（BR）DSS漏源極電壓的最大值必須高于最高電源電壓。如果在出現(xiàn)輸出短路接地或在過壓事件期間，MOSFET的源漏極會(huì)承受全部供電電壓。

V（BR）GS柵極驅(qū)動(dòng)電壓：

對(duì)于VCC供電在9V以上的應(yīng)用，通用型的所需的柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍在10V和16V之間；對(duì)于VCC供電在9V以下的應(yīng)用，N溝道MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，不能低于4.5V。

MOSFET的SOA：

SOA（Safe Operation Area）是所有MOSFET中的一個(gè)參數(shù)，以圖標(biāo)形式體現(xiàn)在規(guī)格書中。其中體現(xiàn)出相關(guān)聯(lián)的三個(gè)參數(shù)的關(guān)系：Vds、Id，以及時(shí)間T。以典型應(yīng)用的中的N-MOSFET:FDB33N25為例：

圖8 場(chǎng)效應(yīng)管FDB33N25 的SOA曲線

在選擇MOSFET的SOA時(shí)，必須考慮所有故障條件下的情況；

在正常工作中，溝道是完全開著的，所以損耗在MOSFET上的功率非常?。?/p>

在出現(xiàn)過壓或是過流故障時(shí)，GATE引腳就會(huì)開始控制MOSFET上DS兩端所承受的電壓或是流過MOSFET的電流。此時(shí)高電壓和大電流會(huì)同時(shí)存在于MOSFET當(dāng)中，因此必須謹(jǐn)慎地依照SOA數(shù)據(jù)來確定故障定時(shí)器的設(shè)置。

五、結(jié)語

LT4363只是ADI眾多浪涌抑制控制器系列中的一款，在汽車、工業(yè)等復(fù)雜供電環(huán)境中，世健提供的ADI浪涌抑制器能夠幫助產(chǎn)品抵御惡劣的供電環(huán)境，讓產(chǎn)品具備對(duì)抗各種浪涌傷害的能力，為產(chǎn)品的可靠運(yùn)行保駕護(hù)航。