ADI浪涌抑制器——為產品的可靠運行保駕護航

時間：2021-12-21 17:27:45

關鍵字：世健汽車電子電池電壓

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[導讀]汽車、工業(yè)和航空電子設備所處的供電環(huán)境非常復雜，在這種惡劣的供電環(huán)境中運行，需要具備對抗各種浪涌傷害的能力。以汽車電子系統(tǒng)供電應用為例，該系統(tǒng)不但需要滿足高可靠性要求，還需要應對相對不太穩(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械系統(tǒng)的差異性，也可能導致標稱12 V電源出現(xiàn)大幅電壓偏移。

一、復雜的電子環(huán)境

汽車、工業(yè)和航空電子設備所處的供電環(huán)境非常復雜，在這種惡劣的供電環(huán)境中運行，需要具備對抗各種浪涌傷害的能力。以汽車電子系統(tǒng)供電應用為例，該系統(tǒng)不但需要滿足高可靠性要求，還需要應對相對不太穩(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械系統(tǒng)的差異性，也可能導致標稱12 V電源出現(xiàn)大幅電壓偏移。

事實上，在一定時間段內，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在日常使用中出現(xiàn)，其他則是因為故障或人為錯誤導致。

無論起因為何，它們對汽車電子系統(tǒng)造成的損害難以診斷，修復成本也很高昂。為避免出現(xiàn)故障風險，系統(tǒng)內的電子器件，要么本身必須具備承受這些浪涌的能力，要么就必須被謹慎得保護起來。

圖1 工業(yè)現(xiàn)場常見的浪涌形式

二、傳統(tǒng)的應對方式

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

圖2 傳統(tǒng)保護架構

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

（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1V。

（3）持續(xù)或直流的瞬變，可能會燒斷保險絲或TVS，需要人工維修。

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

三、ADI的革新技術——SURGE STOPPER

技術型授權代理商Excelpoint世健的工程師Alex Yang介紹了ADI的革新技術——SURGE STOPPER，SURGE STOPPER能夠實現(xiàn)怎樣的功能呢？

圖3 浪涌抑制器在汽車中的應用

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

在實現(xiàn)核心功能的基礎上，SURGE STOPPER在設計中考慮了很多細節(jié)。例如，工程師可以對嵌位電壓進行高精度的微調，而不需要被動地去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計的更改和迭代，也可以最大限度地減少過度設計，降低成本。

根據市場需求，ADI革新性地針對浪涌問題研發(fā)了三類產品，包括：線性浪涌抑制器，開關浪涌抑制器，以及防護控制器。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

在正常運行期間，一個線性浪涌抑制器完全打開MOSFET的溝道，為負載電流提供一個低電阻路徑。

當輸入電源電壓出現(xiàn)波動時，輸出電壓會被線性地調節(jié)到一個由電阻分壓器設置的安全電壓，從而實現(xiàn)保護后級負載電路的目的。

在保護狀態(tài)下，后級電路會保持工作狀態(tài)。

圖4 線性浪涌抑制器

開關浪涌抑制器

在正常運行期間，開關浪涌抑制器完全打開外部MOSFET，讓功率順利通過保護級，從而為后級負載供電。

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

在保護狀態(tài)下，后級電路會保持工作狀態(tài)。

圖5 開關浪涌抑制器

保護控制器

保護控制器在供電電壓出現(xiàn)異常時立即斷開連接，從而達到保護后級電路的目的。

在保護狀態(tài)下，后級電路會停止工作。

以LTC4368為例，它可以實現(xiàn)過壓（OV）、欠壓（UV）、過流（OC）、反向輸入（RI）四種保護，基本覆蓋了應用現(xiàn)場會出現(xiàn)的各種工況，為后級電路提供了完善的保護解決方案。

圖6 LTC4368框圖

四、產品舉例

Alex分享了ADI的一款線性浪涌抑制器LT4363。

圖7LT4363的電路架構

LT4363簡介

它能通過控制一個外部N溝道MOSFET的柵極，以在過壓過程中（比如：汽車應用中的負載突降情況）調節(jié)輸出電壓。輸出被限制在一個安全的數值上，從而允許負載持續(xù)運作。

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，定時器的起動均與 MOSFET 應力成反比。在定時器終止操作之前，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 將關斷。在復位之前，LT4363-1 保持關斷，而LT4363-2則在一個冷卻周期之后重新起動。

兩個高精度比較器能監(jiān)視輸入電源的過壓（OV）和欠壓（UV）情況。當電壓低于UV門限時，外部MOSFET保持關斷狀態(tài)。假如輸入電源電壓高于OV門限，則不允許MOSFET重新接通。可以采用背對背MOSFET來代替肖特基二極管以提供反向輸入保護，從而減少壓降和功率損失。一個停機引腳負責將停機期間的靜態(tài)電流減小至7μA以下。

設計要點

過壓故障

在過壓情況發(fā)生時，LT4363會通過控制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。從而達到，將電壓嵌位在我們所設定的電壓上的目的。同時，如果過電壓現(xiàn)象持續(xù)存在，則定時器會控制MOSFET關閉。

過流故障

當出現(xiàn)短路或過流情況，LT4363會控制GATE引腳，以限制SNS和OUT引腳之間電流檢測電壓為50 mV。在輸出嚴重短路的情況下（一般指輸出電壓低于2V），電流檢測門限會由原來的50 mV降低至25mV，以降低MOSFET上的功率應力。如果故障仍然持續(xù)，則定時器會控制MOSFET關閉。

MOSFET的選型

LT4363通過驅動一個N溝道MOSFET來導電負載電流。MOSFET的重要參數是導通電阻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的源漏極會承受全部供電電壓。

V（BR）GS柵極驅動電壓：

對于VCC供電在9V以上的應用，通用型的所需的柵極驅動電壓范圍在10V和16V之間；對于VCC供電在9V以下的應用，N溝道MOSFET的柵極驅動電壓，不能低于4.5V。

MOSFET的SOA：

SOA（Safe Operation Area）是所有MOSFET中的一個參數，以圖標形式體現(xiàn)在規(guī)格書中。其中體現(xiàn)出相關聯(lián)的三個參數的關系：Vds、Id，以及時間T。以典型應用的中的N-MOSFET:FDB33N25為例：