保護敏感電子組件，抵御高壓瞬態(tài)

汽車和工業(yè)應(yīng)用中常常遇到持續(xù)時間從幾微秒到數(shù)百毫秒的高壓電源尖峰。這些系統(tǒng)中的電子產(chǎn)品不僅必須耐受瞬態(tài)電壓尖峰而不被損壞，而且在很多情況下還必須在出現(xiàn)電壓尖峰時自始至終可靠工作。在電源通過長導(dǎo)線分配的系統(tǒng)中，負載步進 (即負載電流突然變化) 會引起嚴重的瞬態(tài)。尤其引人注意的是負的負載步進，這時負載電流從較大的值降低為較小的值。負的 dl/dt 引起導(dǎo)線寄生電感，產(chǎn)生正向高壓尖峰，這可能引起由同一條導(dǎo)線供電的周圍器件之損壞?？焖儇撦d切換 (如繼電器、開關(guān)觸點、固態(tài)負載切換等) 會產(chǎn)生尤其高的 dl/dt 值。電源和負載之間的連接受到損害可能導(dǎo)致電流突然中斷，從而產(chǎn)生大的 dl/dt 值。最能說明問題的一個例子是汽車拋負載，在這種情況下，震動和終端受損造成與電池的連接突然斷開。

拋負載可能引起電壓浪涌，且該浪涌可能持續(xù)數(shù)百毫秒時間。根據(jù)汽車工程師學會 (Society of Automotive Engineers) 的數(shù)據(jù)，這種瞬態(tài)電壓的幅度可能高達 125V。典型的拋負載曲線如圖 1 所示，其具有 5ms 的上升時間，并呈指數(shù)性衰減 (具有一個 200ms 的時間常數(shù))。在工業(yè)系統(tǒng)中，由于螺線管及電機中的再生制動會引發(fā)相似的事件。

圖 1：典型拋負載曲線

業(yè)界強烈需要用于抑制浪涌、尖峰和瞬變的方法，從而使得關(guān)鍵性的電子子系統(tǒng)不僅可以安然承受，而且還能在此類過程中繼續(xù)運作。持續(xù)時間很短的過程 (例如：尖峰和瞬變) 可以容易地利用基于電感器的濾波器和大的旁路電容器來抑制。而持續(xù)時間較長的浪涌抑制起來則不那么容易，其需要依賴于高功率分路箝位器和有損耗的串聯(lián)限流電阻。

目前已經(jīng)開發(fā)了一種隔離任何類型浪涌、尖峰和瞬態(tài)的新方法。LT4356浪涌抑制器用一個外部 N 溝道 MOSFET 實現(xiàn)了串聯(lián)-通路穩(wěn)壓器。在通常情況下，LT4356 驅(qū)動 MOSFET，使其完全接通，這樣輸入功率直接通過來到負載電路，只有一點損耗。如果輸入電壓上升到高于某個值，那么 LT4356 開始將輸出調(diào)節(jié)到一個安全值。MOSFET 作為跟隨器限制峰值饋通，調(diào)節(jié)響應(yīng)時間由 MOSFET 柵極上的補償電容器控制。

LT4356 無需笨重的濾波組件，同時隔離低壓電路使其免受損壞。最重要的是，LT4356 調(diào)節(jié)輸出時無需在其下游使用高壓額定值組件。相反，可以使用較低成本的低壓組件，LT4356 可以隔離高壓使其不能到達這些低壓組件。

圖 2 顯示了 LT4356 對拋負載的響應(yīng)。輸入突然上升到 80V，但是輸出被調(diào)節(jié)到一個安全值。浪涌消散后，LT4356 返回空閑狀態(tài)，將 MOSFET 過驅(qū)動至低損耗工作狀態(tài)。

圖 2：LT4356 對拋負載的響應(yīng)

電路工作原理

圖 3 所示為 LT4356 的方框圖。除了電壓調(diào)節(jié)環(huán)路之外，其他重要的特點包括過流保護和反向輸入保護，以及一種可將電源電流減小至大約 5μA 的微功率停機狀態(tài)。另外還有一個空余的增益級，其可用作一個高精度比較器或者放大器以提供輔助功能。浪涌電流限制是 GATE 引腳旁路電容器和 LT4356 之受控 GATE 電流的一個額外的好處。當存在持續(xù)的輸入過壓或電流過載時，一個故障輸出可向負載電路發(fā)出 “操作時間有限” 的預(yù)警。

圖 3：LT4356 方框圖

調(diào)節(jié)電壓由連接至 FB 引腳的兩個電阻器之阻值比來確定;常見的選擇是將調(diào)節(jié)點設(shè)定為比最大 DC 工作電壓高 5%~10%，或者，也可以將之設(shè)定在一個比下游組件的額定電壓略低的限值。過流限制由一個低值檢測電阻和 LT4356 的內(nèi)部 50mV 電流檢測放大器來設(shè)定。

在漫長的浪涌過程中持續(xù)運作的代價是在外部 MOSFET 中產(chǎn)生大量的功率耗散。為了使 MOSFET 在其能力范圍之內(nèi)工作，LT4356 將在電路處于電壓或電流限制狀態(tài)時啟用一個定時器，并在發(fā)生任何損壞之前關(guān)斷 MOSFET。時間間隔由 Vds 和 Id 來調(diào)整，旨在更好地 (相比于采用固定定時器) 利用安全工作區(qū)。這兩項參數(shù)均由 LT4356 負責監(jiān)察。當首次加電或者當通過允許 SHDN# 將其自身拉至高電平來啟動 LT4356 時，通過緩慢地把柵極驅(qū)動至高電平而以一種漸進的方式接通外部 MOSFET。這種軟起動提供了浪涌電流限制作用，可最大限度地遏制動態(tài)負載對于輸入電源的影響，并減輕任何下游熔斷器中的熱疲勞。一旦 MOSFET 完全導(dǎo)通，使能引腳 EN 將變至高電平以啟動負載電路，例如：一個微處理器或開關(guān)穩(wěn)壓器。

在過流或過壓情況下，電流放大器 (IA) 和電壓放大器 (IV) 被調(diào)用至運行狀態(tài)，從而對輸出電流或電壓進行適當?shù)南拗啤．敯l(fā)生過壓時，負載電路繼續(xù)運作，電源電壓僅略有增加，如圖 2 所示。在電流過載情況下，假如可提供足夠的輸出電壓，則負載電路可以繼續(xù)操作。無論何種原因?qū)е螺敵鱿拗乒δ芷鹱饔茫〞r器電容器電壓都將斜坡上升。如果這種狀況持續(xù)時間足夠長以至定時器引腳 (TMR) 達到其第一個電壓門限 (1.25V)，則 FAULT# 引腳變至低電平以向下游電路發(fā)出 “即將失去電源” 的預(yù)警。當 TMR 引腳電壓達到 1.35V (第二個故障門限) 時，定時器將關(guān)斷 MOSFET 并在等待一個冷卻間隔之后嘗試重啟。

LT4356 的另一個特點是具有空余的放大器 (AMP)，其可用作一個電源良好比較器、輸入電壓監(jiān)視器或低壓差線性穩(wěn)壓器。對于 LT4356-1 版本，把 SHDN# 引腳拉至低電平將導(dǎo)致所有功能電路全部關(guān)斷。電源電流減小至 5μA，因而可在那些將設(shè)備永久性地置于和電池電源相連之狀態(tài)的應(yīng)用中使用。對于 LT4356-2 版本，輔助放大器和內(nèi)部基準在停機期間保持運行狀態(tài)，停機電流為 50μA。LT4356 適用于那些要求在主系統(tǒng)被關(guān)斷的情況下為至關(guān)重要的功能電路提供一個?；铍娫措妷旱膽?yīng)用，其采取的方式是將輔助放大器配置為一個低壓差線性穩(wěn)壓器。

在圖 4 所示的電路中，一個位于反饋 (FB) 引腳上的外部阻性分壓器被設(shè)定為在過壓過程中將輸出電壓限制在 16V。倘若輸入上升至高于 16V，則輸出將調(diào)節(jié)在該電平上，直到故障狀況被清除或定時器超時為止 (在預(yù)定的超時狀態(tài)之后達到 1.35V)?？沼喾糯笃鞅慌渲脼楸O(jiān)視輸入電壓并通過 AOUT 引腳指示欠壓。使能 (EN) 引腳在 MOSFET 完全導(dǎo)通之后啟動下游負載。

圖 4：一個位于反饋 (FB) 引腳上的外部阻性分壓器被設(shè)定為在過壓過程中將輸出電壓限制在 16V。

LT4356 具有一個寬輸入范圍，從 4V 的最小工作電壓至 100V 的絕對最大值。因此，其可在那些輸入電壓有可能于標稱值的低端出現(xiàn)下降和在標稱值的高端出現(xiàn)飆升的系統(tǒng)中運作。由于 MOSFET 一般被驅(qū)動至其低電阻狀態(tài)，所以通過在輸入電源和負載電路之間引入 LT4356 將在低輸入電壓下犧牲極少的工作裕量。

反向輸入保護

在安裝一個由遠程電源供電的產(chǎn)品時，發(fā)生輸入極性接反的可能性尤其突出。如果產(chǎn)品設(shè)計未考慮反向電壓的處理，那么在連接電源線時的一時疏忽就有可能導(dǎo)致代價高昂的錯誤。電源極性接反將對極化電容器、箝位二極管和其他固態(tài)器件造成巨大的損害。LT4356 專為在其輸入端上耐受高達 -30V 的反向電壓而設(shè)計，而且它能驅(qū)動第二個反向隔離 MOSFET 以阻止反向電壓傳遞到負載 (見圖 5)。當然，該電路的重要優(yōu)勢是保護負載免遭毀壞，但相比于明顯的解決方案 (采用一個串聯(lián)隔離二極管)，其改善在正常操作期間是很顯著的：隔離二極管的損耗 (功率和電壓) 被完全消除。

圖 5：LT4356 專為在其輸入端上耐受高達 -30V 的反向電壓而設(shè)計，而且它能驅(qū)動第二個反向隔離 MOSFET 以阻止反向電壓傳遞到負載。

結(jié)論

雖然工業(yè)系統(tǒng)中的電子設(shè)備越來越多且日益精細復(fù)雜，然而電源則依然會受到尖峰和浪涌的損害。必須為敏感的設(shè)備提供針對此類瞬變的保護功能，否則就有可能在現(xiàn)場遭遇代價昂貴的故障。此外，隨著汽車電子產(chǎn)品復(fù)雜程度的攀升，濾波、箝位和噪聲抑制等傳統(tǒng)方法的可用空間逐漸減少。如果不采取一種不同的方法來解決與汽車電子產(chǎn)品不斷增加相關(guān)的問題，那么我們今天所面對的可靠性問題注定將會變得更糟。這不僅僅是一項客戶滿意的問題，而且還在逐步成為一項安全性問題。如果只是一個顯示器背光燈熄滅，那只是有些不方便，但假若是鍋爐壓力監(jiān)視器發(fā)生故障，那可就是一個重大的問題了。

LT4356 浪涌抑制器為電子控制系統(tǒng)提供了堅固的前端保護。其可在壓縮必要電路板空間的同時削減因采用隔離二極管和濾波電感器所引起的熱耗散及電壓損耗。較高的效率和較寬的可用電壓范圍允許將更多的功能整合到空間受限的產(chǎn)品中。