過壓保護(hù)的備用電路: 技巧和竅門

摘要：過壓保護(hù)(OVP)器件用于保護(hù)后續(xù)電路免受甩負(fù)載或瞬間高壓的破壞，在某些特定的應(yīng)用中，基本的過壓保護(hù)電路不足以勝任器件保護(hù)的要求，通常有以下兩種需求。第一，電路的最大輸入電壓可能增大；第二，適當(dāng)修改電路，可以在發(fā)生過壓或欠壓時(shí)利用輸出電容儲(chǔ)能保持能量。本文討論如何針對(duì)這兩種需求修改電路，將以MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398過壓保護(hù)器件為例進(jìn)行說明。

引言

MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398過壓保護(hù)(OVP)器件用于保護(hù)后續(xù)電路免受甩負(fù)載或瞬間高壓的破壞。器件通過控制外部串聯(lián)在電源線上的n溝道MOSFET實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電壓超過用戶設(shè)置的過壓門限時(shí)，拉低MOSFET的柵極，MOSFET關(guān)斷，將負(fù)載與輸入電源斷開。

過壓保護(hù)(OVP)器件數(shù)據(jù)資料中提供的典型電路可以滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求(圖1)。然而，有些應(yīng)用需要對(duì)基本電路進(jìn)行適當(dāng)修改。本文討論了兩種類似應(yīng)用：增大電路的最大輸入電壓，在過壓情況發(fā)生時(shí)利用輸出電容存儲(chǔ)能量。


圖1. 過壓保護(hù)的基本電路

增加電路的最大輸入電壓

雖然圖1電路能夠工作在72V瞬態(tài)電壓，但有些應(yīng)用需要更高的保護(hù)。因此，如何提高OVP器件的最大輸入電壓是一件有意義的事情。圖2所示電路增加了一個(gè)電阻和齊納二極管，用來對(duì)IN的電壓進(jìn)行箝位。如果增加一個(gè)三極管緩沖器(圖3)，就可以降低對(duì)并聯(lián)穩(wěn)壓器電流的需求，但也提高了設(shè)計(jì)成本。


圖2. 增大最大輸入電壓的過壓保護(hù)電路


圖3. 通過三極管緩沖器增大輸入電壓的過壓保護(hù)電路

齊納二極管的選擇，要求避免在正常工作時(shí)消耗過多的功率，并可承受高于輸入電壓最大值的電壓。此外，齊納二極管的擊穿電壓必須小于OVP的最大工作電壓(72V)，擊穿時(shí)齊納二極管電流最大。

串聯(lián)電阻(R3)既要足夠大，以限制過壓時(shí)齊納二極管的功耗，又要足夠小，在最小輸入電壓時(shí)能夠維持OVP器件正常工作。

圖2中電阻R3的阻值根據(jù)以下數(shù)據(jù)計(jì)算：齊納二極管D1的擊穿電壓為54V；過壓時(shí)峰值為150V，齊納二極管的功率小于3W。根據(jù)這些數(shù)據(jù)要求，齊納二極管流過的最大電流為：

3W/54V = 56mA

根據(jù)這個(gè)電流，R3的下限為：

(150V - 54V)/56mA = 1.7kΩ

R3的峰值功耗為：

(56mA)2 × 1.7kΩ = 5.3W

如果選擇比5.3W對(duì)應(yīng)電阻更小的阻值，則會(huì)在電阻和齊納二極管上引起相當(dāng)大的功率消耗。

為了計(jì)算電阻R3的上限，必須了解供電電壓的最小值。保證MAX6495正常工作的最小輸入電壓為5.5V。例如，假設(shè)供電電壓的最小值為6V，正常工作時(shí)R3的最大壓降為500mV。由于MAX6495的工作電流為150μA (最大)，相應(yīng)電阻的最大值為：

500mV/150μA = 3.3kΩ

圖2中的R3設(shè)置為2kΩ，可以保證供電電壓略小于6V時(shí)OVP器件仍可以正常工作。

注意，發(fā)生過壓故障時(shí)，R3和D1 (圖2)需要耗散相當(dāng)大的功率。如果過壓條件持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)(如：幾十毫秒以上)，圖3所示電路或許更能勝任應(yīng)用的要求。圖中射極跟隨器通過降低從R3與D1節(jié)點(diǎn)抽取的電流大大增加R3所允許的最大值。以β值為100的三極管為例，此時(shí)150μA的器件工作電流變成1.5μA。這種情況下，不能忽略5μA的二極管反向漏電流。R3為10kΩ，因此，由于漏電流在R3上產(chǎn)生的壓降會(huì)達(dá)到50mV。

在IN和GND間使用一個(gè)1μF (最小值)的陶瓷電容。確保器件的電壓范圍滿足輸入電壓的要求，須注意MOSFET的VDS_MAX額定值。

利用輸出端電容儲(chǔ)能

發(fā)生過壓時(shí)，典型應(yīng)用電路能夠?qū)敵鲭娙葑詣?dòng)放電，以保護(hù)下游電路(圖4)，有些應(yīng)用需要利用輸出電容儲(chǔ)存能量，并且能夠在瞬間高壓的條件下繼續(xù)維持下游電路的供電，利用圖5電路可以達(dá)到這一目的。


圖4. 典型的限壓電路提供輸出電容放電通道

MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398通過內(nèi)部100mA的電流源(見圖4)連接到GATE輸出，以對(duì)柵極電容和輸出電容放電。電流源先對(duì)GATE放電(電流I1，綠色箭頭)，直到GATE的電壓等于OUTFB電壓，然后斷開FET，電流源繼續(xù)降低GATE電壓，最后，直到內(nèi)部的箝位二極管變?yōu)檎蚱茫瑢?duì)輸出電容放電(電流I2，紅色箭頭)。


圖5. 帶有輸出電容儲(chǔ)能功能的過壓限制電路

如果OUTFB沒有連接，則斷開了通過箝位二極管放電的通路，不再對(duì)輸出電容放電。然而，MOSFET的柵極就不再有保護(hù)箝位二極管，VGS_MAX有可能超出額定值。

在MOSFET源極和柵極之間增加一個(gè)外部箝位二極管(圖5中的D1)可重新建立輸出端與100mA恒流源之間的通路。在柵極和GATE引腳之間增加一個(gè)串聯(lián)電阻(圖5中的R3)，將會(huì)限制輸出電容的放電電流，降低電流。限制放電電流的同時(shí)會(huì)增加電路的斷開時(shí)間，也降低了電路對(duì)瞬態(tài)過壓的響應(yīng)速度。在串聯(lián)電阻兩端并聯(lián)一個(gè)電容(圖5中的C4)可以減輕對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響，還可以選擇使用電阻R4，避免OUTFB浮空。

如果將SET外部的分壓電阻連接到輸出端，而不是輸入端(參考上述電路圖)，使MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398工作在限幅模式，發(fā)生過壓時(shí)，電路會(huì)定期地對(duì)輸出電容進(jìn)行充電。電容電壓跌落到過壓門限的滯回電壓以下時(shí)，MOSFET導(dǎo)通，對(duì)電容充電；當(dāng)電容電壓達(dá)到過壓門限時(shí)，MOSFET斷開。

圖6給出了MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398工作在過壓監(jiān)控模式的電路。輸入電壓經(jīng)過電阻分壓后連接到SET引腳，當(dāng)輸入過壓時(shí)，斷開MOSFET，并將一直維持?jǐn)嚅_狀態(tài)，直到解除輸入過壓故障。


圖6. 過壓監(jiān)測(cè)模式下的過壓比較配置

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