汽車、工業(yè)、通信……智能化和電氣化正在越來越多的行業(yè)中應(yīng)用發(fā)展，電子系統(tǒng)精密而敏感，為盡量減少由瞬變電壓電流引起的系統(tǒng)停機(jī)及財(cái)產(chǎn)損失，使用率高的電源或全年無休的系統(tǒng)需要在供電板上增加浪涌抑制保護(hù)。

浪涌也叫突波，指超出正常工作電壓的瞬間過電壓或電流。浪涌是發(fā)生在僅僅幾百萬分之一秒時(shí)間內(nèi)的一種劇烈脈沖。電子系統(tǒng)中出現(xiàn)浪涌事件的情況復(fù)雜多變：短路、大型發(fā)動(dòng)機(jī)、雷擊感應(yīng)瞬變影響、熱插拔的電源連接都可能導(dǎo)致浪涌，并且持續(xù)的時(shí)間從幾微秒到幾百毫秒不等。如何設(shè)計(jì)靈活可靠的保護(hù)機(jī)制以確保下游成本高昂的電子器件的使用壽命？本文將以亞德諾半導(dǎo)體（ADI）的浪涌抑制器方案為例，講解如何為電路選擇合適的過流保護(hù)。

圖1. 浪涌產(chǎn)生時(shí)的短暫時(shí)間（ns級(jí)）

不再傳統(tǒng)的過流保護(hù)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的無源過流保護(hù)(OCP)往往基于保險(xiǎn)絲，其熔斷額定值高于標(biāo)稱值，例如，比最大額定電流高20%（百分比取決于電路類型以及預(yù)期的典型操作負(fù)載）。保險(xiǎn)絲設(shè)計(jì)相當(dāng)簡單，但由于其一旦燒斷就必須更換的特性，維護(hù)相對(duì)復(fù)雜。特別是在難以接觸的位置，后期還是會(huì)耗費(fèi)額外時(shí)間和成本。除維護(hù)問題外，另一個(gè)麻煩在于其反應(yīng)時(shí)間，根據(jù)所選保險(xiǎn)絲的類型，反應(yīng)時(shí)間可能有很大差異，而且總體響應(yīng)速度慢，不適用于與時(shí)俱進(jìn)的靈活電子系統(tǒng)。

過流保護(hù)也在進(jìn)步——浪涌抑制器為系統(tǒng)帶來了更多可靠性，這是一種集成電路裝置，內(nèi)置輸出電流限制使浪涌抑制器能保護(hù)負(fù)載不受輸入浪涌影響，并保護(hù)電源免于遭受下游過載和短路。浪涌抑制器可用于控制電源線路中的N通道功率MOSFET，后者置于DC電源（例如12 V、24 V或48 V）和需要抵御負(fù)載電流浪涌的系統(tǒng)電子器件之間，只需確定少數(shù)幾個(gè)元器件的尺寸和讓它們通過質(zhì)量認(rèn)證，極大地簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。可調(diào)定時(shí)器在電流浪涌限制事件期間激活，保證系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行以應(yīng)對(duì)短暫故障，如果故障的持續(xù)時(shí)間超過定時(shí)器時(shí)間，則系統(tǒng)斷電，克服了傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲保護(hù)解決方案面臨的挑戰(zhàn)和存在的缺點(diǎn)。

圖2.浪涌抑制器配置的簡化示意圖

圖二顯示了浪涌抑制器配置的簡化示意圖，在浪涌發(fā)生期間，一些浪涌抑制器使用串聯(lián)感應(yīng)電阻（圖二中的斷路器）來監(jiān)測(cè)過流情況，并調(diào)整N通道MOSFET的柵極，以限制輸出負(fù)載端的電流。

ADI公司提供的LTC4381是首款帶有內(nèi)部功率MOSFET的浪涌抑制器。它可以采用高達(dá)72 V的供電電壓，但僅消耗6 μA靜態(tài)電流。內(nèi)部功率MOSFET提供100 V漏源擊穿電壓(BVDSS)和9 mΩ導(dǎo)通電阻(RDS(ON))，可以支持高達(dá) 100 V的輸入浪涌和10 A應(yīng)用。LTC4381提供四個(gè)選項(xiàng)，可以選擇故障重啟行為和固定或可調(diào)的輸出鉗位電壓。

圖3. 48 V、10 A電子保險(xiǎn)絲和LTC4381-4電路

LTC4381的浪涌抑制器功能易于擴(kuò)展，可以作為電子保險(xiǎn)絲使用。圖三展示了48 V、10 A電子保險(xiǎn)絲應(yīng)用中的LTC4381-4，該應(yīng)用保護(hù)電源不受輸出端的過載或短路影響。正常運(yùn)行期間，輸出VOUT通過內(nèi)部功率MOSFET和外部檢測(cè)電阻RSNS連接到電源輸入VIN。在輸出過載或短路期間，當(dāng)RSNS壓降超過50 mV電流限值閾值時(shí)，TMR 引腳電容電壓開始從0 V上升，內(nèi)部MOSFET在TMR電壓達(dá)到1.215 V 時(shí)關(guān)閉。4 mΩ RSNS將典型過流閾值設(shè)置為12.5 A (50 mV/4 mΩ)，最小閾值設(shè)置為11.25 A (45 mV/4 mΩ)，為10 A負(fù)載電流提供足夠余量。

由于返回電路的電路或電纜的寄生電感，當(dāng)內(nèi)部MOSFET開關(guān)在電流流動(dòng)期間關(guān)閉時(shí)，輸入電壓會(huì)急漲至標(biāo)稱工作電壓以上。齊納D1保護(hù)LTC4381 VCC引腳的80 V絕對(duì)最大額定值，而D2保護(hù)內(nèi)部 100 V MOSFET不受雪崩影響。D1也將輸出鉗位電壓設(shè)置到66.5 V (56 V + 10.5 V)，以防不使用D2。R1和C1過濾VIN升高和下降。如果有電容 接近LTC4381限制電壓尖峰，低于80 V，則VCC引腳可以直接連接至 VIN。在這種情況下，可以取消使用D1、D2、R1和C1。

LTC4381的輸出電路短路保護(hù)

圖三的電路主要用于保護(hù)上游電源，無論是在啟動(dòng)或正常運(yùn)行期間，保護(hù)電源不受過載和短路等下游故障影響。圖四則顯示了在輸出端存在短路時(shí)，LTC4381啟動(dòng)，小型TMR電容如何保護(hù)MOSFET的情況。柵極電壓（藍(lán)色曲線）升高。超過3 V閾值電壓時(shí)，MOSFET開啟，電流（綠色曲線）開始流動(dòng)。由于輸出短路，且沒有柵極電容，MOSFET電路迅速升高，超過0 V輸出時(shí)的15.5 A電流限值閾值，并在LTC4381做 出反應(yīng)，下拉MOSFET柵極和關(guān)斷電流流動(dòng)之前達(dá)到21 A峰值。電流超出15.5 A的時(shí)間持續(xù)不到50 μs。由于MOSFET中短暫的功耗， TMR電壓（紅色曲線）升高約200 mV。由于TMR遠(yuǎn)低于1.215 V柵極關(guān)斷閾值，柵極再次打開，導(dǎo)致出現(xiàn)另一個(gè)電流尖峰。在每一個(gè)電流尖峰位置，TMR電壓升高至接近1.215 V。

圖4. 啟動(dòng)48 V電源的LTC4381進(jìn)入輸出短路。

在經(jīng)歷幾次這樣的電流尖峰后，TMR電壓達(dá)到1.215 V柵極關(guān)斷閾值，MOSFET保持關(guān)閉。TMR現(xiàn)在進(jìn)入冷卻周期，LTC4381-4不允許MOSFET再次開啟，直到冷卻周期完成。由于LTC4381-4自動(dòng)重試，這樣的電流尖峰和冷卻周期模式將無限次重復(fù)，直到輸出短路被清除。在正常操作期間（即，輸出已啟動(dòng)）如果發(fā)生輸出短路，該模式將重復(fù)出現(xiàn)。

結(jié)語

所有行業(yè)的制造商都在不斷推動(dòng)提升高端性能，人們?cè)絹碓揭髮?duì)這些在嚴(yán)苛環(huán)境中運(yùn)行的器件提供保護(hù)。ADI LTC4381的內(nèi)部功率MOSFET為48 V、10 A系統(tǒng)的電子保險(xiǎn)絲提供緊湊電路，在設(shè)計(jì)階段無需花費(fèi)時(shí)間選擇功率 MOSFET，有助于快速構(gòu)建一個(gè)可靠的解決方案，以保護(hù)系統(tǒng)中價(jià)格昂貴的電子裝置。