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無(wú)需隔離二極管就可保護(hù)敏感電路免受過(guò)壓和電源反向連接的影響

時(shí)間：2012-10-08 09:44 來(lái)源：凌力爾特公司作者：Victor Fleury

如果將 24V 電源連到 12V 電路上，會(huì)出現(xiàn)什么情況? 如果電源線和地線不小心接反了，能不損壞電路嗎? 您的應(yīng)用是否處于一種嚴(yán)酷的環(huán)境，其中輸入電源可能振蕩到非常高的電壓或低于地電位? 即使這些事件不太可能發(fā)生，但是只要出現(xiàn)一次，就能損壞電路板了。

可以采取哪些方法來(lái)保護(hù)敏感電路免受過(guò)高、過(guò)低甚至負(fù)電壓的影響? 為了隔離負(fù)的電源電壓，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師傳統(tǒng)上給電源串聯(lián)一個(gè)功率二極管。不過(guò)，這個(gè)二極管占用了寶貴的電路板空間，并在負(fù)載電流很大時(shí)，浪費(fèi)大量功率。

另一種常見(jiàn)的解決方案是給電源串聯(lián)一個(gè)高壓 P 溝道 MOSFET。P 溝道 MOSFET 比串聯(lián)二極管所浪費(fèi)的功率少，但是 MOSFET 和驅(qū)動(dòng) MOSFET 所需電路使成本提高了。

這兩種解決方案的缺點(diǎn)是，它們都犧牲了以低電源電壓工作的機(jī)會(huì)，尤其是串聯(lián)二極管。另外，兩種解決方案都不能防止受到過(guò)高電壓的影響，這種保護(hù)需要更多電路，包括高壓窗口比較器和充電泵。

欠壓、過(guò)壓和電源反向連接保護(hù)

LTC4365 是一種獨(dú)特的解決方案，簡(jiǎn)要和可靠地保護(hù)敏感電路免受不可預(yù)測(cè)的高或負(fù)電源電壓所影響。LTC4365 隔離高達(dá) 60V 的正電壓和低至 -40V 的負(fù)電壓。只有處于安全工作電源電壓范圍內(nèi)的電壓才能傳遞給負(fù)載。惟一需要的外部有源組件是一個(gè)雙 N 溝道 MOSFET，連接在不可預(yù)測(cè)的電源和敏感負(fù)載之間。

圖 1 顯示了一個(gè)完整的應(yīng)用。電阻分壓器設(shè)定過(guò)壓 (OV) 和欠壓 (UV) 跳變點(diǎn)，以連接或斷開(kāi)負(fù)載與 V_IN的連接。如果輸入電源電壓變化到這個(gè)電壓窗口之外，那么 LTC4365 就快速斷開(kāi)負(fù)載與電源的連接。

圖 1：汽車應(yīng)用中，完整的 12V 欠壓、過(guò)壓和電源反向連接保護(hù)電路

雙 N 溝道 MOSFET 在 V_IN 處隔離正和負(fù)電壓。在正常工作時(shí)，LTC4365 為外部 MOSFET的柵極提供 8.4V 增強(qiáng)電壓。LTC4365 的有效工作范圍為 2.5V 至 34V，過(guò)壓-欠壓窗口可以處于這個(gè)范圍內(nèi)的任何地方。就大多數(shù)應(yīng)用而言，在 V_IN 處無(wú)需保護(hù)性箝位，這進(jìn)一步簡(jiǎn)化了電路板設(shè)計(jì)。

準(zhǔn)確和快速的過(guò)壓和欠壓保護(hù)

LTC4365 中兩個(gè)準(zhǔn)確 (±1.5%) 的比較器監(jiān)視 V_IN 處的過(guò)壓 (OV) 和欠壓 (UV) 情況。如果輸入電源分別升高至高于 OV 或降低至低于 UV 門限，那么外部 MOSFET 的柵極就被快速關(guān)斷。外部電阻分壓器允許用戶選擇適合 V_OUT 處負(fù)載的輸入電源范圍。此外，UV 和 OV 輸入的漏電流非常低 (在 100°C 時(shí)，典型值 < 1nA)，從而允許外部電阻分壓器中的高值電阻。

圖 2 顯示當(dāng) V_IN 從 -30V 緩慢上升至 30V 時(shí)圖 1 電路的反應(yīng)。UV 和 OV 門限分別設(shè)定為 3.5V 和 18V。當(dāng)電源電壓位于 3.5V 至 18V 的窗口內(nèi)時(shí)，V_OUT 跟蹤 V_IN。在這個(gè)窗口之外，LTC4365 關(guān)斷 N 溝道 MOSFET，即使 V_IN 為負(fù)，也斷開(kāi) V_OUT 與 V_IN 的連接。

圖 2：V_IN從 -30V 上升到 30V 時(shí)的負(fù)載保護(hù)

新穎的電源反向連接保護(hù)方法

LTC4365 采用了一種新穎的負(fù)電源電壓保護(hù)電路。當(dāng) LTC4365 在 V_IN 處檢測(cè)到負(fù)電壓時(shí)，它會(huì)快速連接 GATE 引腳和 V_IN。在 GATE 引腳和 V_IN 之間沒(méi)有二極管壓降。當(dāng)外部 N 溝道 MOSFET 的柵極電壓為最大負(fù)電壓 (V_IN) 時(shí)，從 V_OUT 到 V_IN 負(fù)電壓的泄漏最小。

圖 3 顯示了當(dāng) V_IN 被帶電接入 -20V 電壓時(shí)，會(huì)發(fā)生什么情況。V_IN、V_OUT 和 GATE 在連接建立瞬間從地電位開(kāi)始變化。由于 V_IN 和 GATE 連接的寄生電感，V_IN 電壓和 GATE 引腳在低于 -20V 的電壓上明顯地振蕩。外部 MOSFET 必須具有能承受這種過(guò)沖而不被損壞的擊穿電壓。

圖 3：V_IN帶電接入 -20V

在負(fù)電壓瞬態(tài)時(shí)，GATE 引腳跟隨 V_IN 的密切程度決定了 LTC4365 反向連接保護(hù)電路的速度。在圖中所用比例情況下，兩種波形幾乎無(wú)法區(qū)分。注意，無(wú)需額外的外部電路來(lái)提供反向連接保護(hù)。

AC 隔離

LTC4365 有一個(gè)恢復(fù)延遲定時(shí)器，可濾除 V_IN 噪聲，并有助于防止 V_OUT 顫動(dòng)。在 OV 或 UV 故障發(fā)生之后 (或當(dāng) V_IN 變?yōu)樨?fù)電壓時(shí))，輸入電源電壓必須至少在 36ms 之內(nèi)返回所希望的工作電壓窗口，以重新接通外部 MOSFET。若在不到 36ms 時(shí)間內(nèi)脫離并重新返回故障狀態(tài)，那么 MOSFET 保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)。

圖 4 顯示，LTC4365 隔離 40V 至 -40V 的 AC 線電壓。在負(fù)電壓部分，GATE 引腳跟隨 V_IN，但當(dāng) V_IN 變?yōu)檎妷簳r(shí)，GATE 引腳仍然保持在地電位。注意，V_OUT 一直不受影響。

圖 4：36ms 恢復(fù)定時(shí)器隔離 28V、60Hz AC 線電壓

在故障情況下的高壓瞬態(tài)

圖 5 顯示一個(gè)測(cè)試電路，該電路在過(guò)壓情況下產(chǎn)生瞬態(tài)。標(biāo)稱輸入電源為 24V，過(guò)壓門限為 30V。圖 6 顯示 V_IN在過(guò)壓情況下的波形。這些瞬態(tài)視 V_IN 和 GATE 引腳上寄生電感的不同而不同。即使在實(shí)驗(yàn)中，可選電源箝位 (D1) 未使用，電路仍然能承受這些瞬態(tài)而不被損壞。

圖 5：在V_IN電感很大時(shí)發(fā)生 OV 故障

圖 6：未使用 TransZorb (TVS) 時(shí)，發(fā)生 OV 故障時(shí)的瞬態(tài)

在兩個(gè)電源之間做出選擇

該器件停機(jī)時(shí)，V_IN 和 V_OUT 引腳可以由兩個(gè)不同的電源以不同的電壓驅(qū)動(dòng)。LTC4365 自動(dòng)驅(qū)動(dòng) GATE 引腳至低于兩個(gè)電源之中較低的電壓，從而防止電流從任一方向流過(guò)外部 MOSFET。圖 7 所示應(yīng)用使用兩個(gè) LTC4365，以在兩個(gè)電源之間做出選擇。應(yīng)該小心地確保在任意給定時(shí)間內(nèi)兩個(gè) LTC4365 中只有一個(gè)被啟動(dòng)。

圖 7：在兩個(gè)電源之中選擇一個(gè)

在V_OUT已加電時(shí)，V_IN帶電反向接入

甚至在 V_OUT 由單獨(dú)的電源驅(qū)動(dòng)時(shí)，LTC4365 也可防止受到負(fù) V_IN 連接的影響。圖 8 顯示，當(dāng) LTC4365 處于停機(jī)模式，V_OUT 加電至 20V，V_IN 帶電接入 -20V 電壓時(shí)的波形。只要不超過(guò)外部 MOSFET 的擊穿電壓 (60V)，那么 V_OUT 端的 20V 電源電壓就不受 V_IN 端反向極性連接的影響。

圖 8：V_OUT加電時(shí)V_IN熱插拔 (Hot Swap^TM) 至負(fù)電源的波形

結(jié)論

LTC4365 控制器保護(hù)敏感電路免受過(guò)壓、欠壓和電源反向連接的影響。只要合乎用戶可調(diào)的 UV 和 OV 跳變門限，那么電源電壓就被傳遞給輸出。在這個(gè)窗口之外的任何電壓都被隔離，窗口電壓最高為 60V，最低為 -40V。

LTC4365 采用纖巧的 8 引腳 3mm x 2mm DFN 和 TSOT-23 封裝，由于 LTC4365 采用了新穎的架構(gòu)，所以可提供堅(jiān)固和小尺寸的解決方案，而且所需的外部組件最少。LTC4365 無(wú)需給電源串聯(lián)反向電壓隔離二極管，用背靠背的外部 MOSFET 就可自動(dòng)執(zhí)行這一功能。LTC4365 提供 2.5V 至 34V 的寬工作電壓范圍，在停機(jī)時(shí)僅消耗 10µA 電流。