電涌事件的類(lèi)型及其能量含量可能會(huì )根據使用電子設備的區域而有所不同。電路可被暴露于過(guò)壓、過(guò)流、反向-電壓和反向-電流條件。最終，如果直接面對圖1所示的瞬態(tài)條件，許多電子電路將無(wú)法生存，更不用說(shuō)運行了。因此，設計人員必須考慮所有輸入事件并實(shí)施保護機制，以保護電路免受這些電壓和電流浪涌的影響。

 

設計挑戰

 

電子系統中存在許多不同的瞬態(tài)電壓和電流浪涌原因，但是某些電子環(huán)境比其他環(huán)境更容易發(fā)生瞬態(tài)事件。眾所周知，基于汽車(chē)，工業(yè)和通信環(huán)境的應用程序會(huì )遇到潛在的有害事件，給下游電子設備造成嚴重破壞。但是，電涌事件并不僅限于這些環(huán)境。

 

浪涌保護電路的其他可能選擇包括需要高壓或大電流電源的任何應用，或具有熱插拔電源連接功能的應用，或具有電機或可能遭受雷擊引起的瞬變的系統。高-電壓事件可以發(fā)生在寬范圍的時(shí)基，從微秒到幾百毫秒，因此靈活可靠的保護機制是必要的，以確保下游昂貴的電子設備的壽命。

 

例如，當交流發(fā)電機（為電池充電）暫時(shí)從電池上斷開(kāi)時(shí)，可能會(huì )發(fā)生汽車(chē)甩負荷。這種斷開(kāi)的結果是，來(lái)自交流發(fā)電機的滿(mǎn)充電電流被放置在電源線(xiàn)上，這會(huì )在數百毫秒內將電源電壓升高到很高的水平（ > 100 V ）。

 

通信應用有許多可能的浪涌原因，從熱插拔通信卡到可能暴露在雷擊下的戶(hù)外安裝。大型設施中使用的長(cháng)電纜也有可能出現感應性電壓尖峰。

 

最終，在滿(mǎn)足公布的規格的同時(shí)，還必須了解設備必須在其中運行的環(huán)境。這有助于設計者建立一個(gè)最佳的保護機制，既堅固又不顯眼，但允許下游的電子裝置在安全電壓水平內運行，并盡量減少中斷。

 

傳統保護電路

 

考慮到這么多不同類(lèi)型的電氣事件，在電子工程師的武器庫中應該采取什么措施來(lái)保護敏感的下游電子設備？

 

有這么多不同類(lèi)型的電氣事件需要考慮，電子工程師的武器庫中應該有什么來(lái)保護敏感的下游電子產(chǎn)品呢？

 

傳統的保護實(shí)現依賴(lài)于幾個(gè)設備，而不是只有一個(gè)。例如，用于過(guò)壓保護的瞬態(tài)電壓抑制器（TVS），用于過(guò)流保護的在線(xiàn)保險絲，用于電池/電源反向保護的串聯(lián)二極管，以及用于濾除低能量尖峰的電容和電感的混合器件（圖2）。雖然離散設置可以滿(mǎn)足公布的規格 保護下游電路，但它們會(huì )導致復雜的實(shí)現，需要多次選擇迭代以正確確定濾波的大小。

 

圖2.傳統保護裝置。

 

讓我們仔細看看這些設備中的每一個(gè)，觸及這種實(shí)現方式的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

 

瞬態(tài)電壓抑制器

 

TVS是一個(gè)相對簡(jiǎn)單的器件，有助于保護下游電路免受電源上的高壓尖峰的影響。它可以分成幾種不同的類(lèi)型，這些類(lèi)型具有廣泛的特性（下表按響應時(shí)間從小到大排列）。

 

盡管這些產(chǎn)品有一系列的結構和特性，但它們都以類(lèi)似的方式運作。當電壓超過(guò)設備的閾值時(shí)，分流多余的電流。TVS在很短的時(shí)間內將輸出端電壓箝制在額定水平。例如，一個(gè)TVS二極管可以在低至皮秒的時(shí)間內作出反應，而氣體放電管（GDT）可能需要幾微秒的時(shí)間來(lái)作出反應，但能夠處理更大的浪涌。

 

圖3顯示了一個(gè)保護下游電路的TVS二極管的簡(jiǎn)單實(shí)現。在正常工作條件下，TVS是高阻抗的，輸入電壓簡(jiǎn)單地傳遞到輸出。當輸入端出現過(guò)壓情況時(shí)，TVS變得導電，并通過(guò)將多余的能量分流到地（GND）來(lái)作出反應，箝制下游負載看到的電壓。軌電壓上升到典型的操作值以上，但對于任何下游電路來(lái)說(shuō)，被鉗制在一個(gè)安全水平的數值。

 

圖3.使用傳統的TVS解決方案防止電涌。

 

盡管TVS器件能有效地抑制非常高的電壓偏移，但在面臨持續的過(guò)電壓事件時(shí)，它們也不能避免損壞，從而導致需要定期監測或更換器件。另一個(gè)問(wèn)題是，TVS可能會(huì )出現短路故障，從而撬動(dòng)了輸入電源。

 

此外，根據所涉及的能量，它們在物理上可能很大，需要與余量相匹配，增加了解決方案的尺寸。即使TVS的尺寸正確，下游電路也必須能夠處理鉗制的電壓，導致下游電壓等級要求增加。

 

在線(xiàn)式熔斷器

 

過(guò)流保護可以使用無(wú)處不在的在線(xiàn)保險絲來(lái)實(shí)現，其熔斷額定值比額定值高一些--例如，比最大額定電流高20%（該百分比取決于電路類(lèi)型以及預期的典型操作負載）。當然，保險絲最大的問(wèn)題是，它們一旦熔斷就必須被更換。

 

保險絲的簡(jiǎn)單設計所帶來(lái)的時(shí)間和成本節約可能會(huì )因為相對復雜的維護工作而在日后產(chǎn)生，特別是當應用在物理上難以達到時(shí)。使用替代性保險絲可以降低維護要求，例如可復位保險絲，它利用正溫度系數，在大于正常電流通過(guò)設備時(shí)打開(kāi)電路（電流水平的增加會(huì )提高溫度，導致電阻急劇增加）。

 

撇開(kāi)維護問(wèn)題不談，保險絲最大的問(wèn)題之一是其反應時(shí)間，這可能會(huì )因所選保險絲的類(lèi)型而有很大差異。有快速熔斷的保險絲，但清零時(shí)間（打開(kāi)電路的時(shí)間）仍然可以從數百微秒到數毫秒不等。因此，電路設計者必須考慮在這些延長(cháng)的時(shí)間內所釋放的能量，以確保下游電子設備能夠存活。

 

串聯(lián)二極管

 

在某些環(huán)境中，電路容易遭受電源斷開(kāi)和重新連接的影響，例如在電池供電的環(huán)境中。在這種情況下，重新連接電源時(shí)不能保證正確的極性。

 

極性保護可以通過(guò)在電路的正電源線(xiàn)上添加一個(gè)串聯(lián)二極管來(lái)實(shí)現。盡管這種簡(jiǎn)單的添加可以有效地防止極性反接，但是串聯(lián)二極管的電壓降會(huì )導致相應的功耗。在電流相對較低的電路中，折衷最小，但是對于許多現代的高電流軌，則需要替代解決方案。圖4顯示了對圖3的更新，顯示了TVS和增加的串聯(lián)二極管，以防止反極性連接。

 

圖4.添加串聯(lián)二極管可防止極性反接，但是在大電流系統中，二極管的壓降可能會(huì )成為問(wèn)題。

 

使用電感和電容的過(guò)濾器

 

到目前為止所討論的無(wú)源解決方案都限制了通過(guò)的事件的振幅，但它們通常會(huì )捕獲較大的事件，而留下一些較小的尖峰通過(guò)。這些較小的瞬態(tài)仍然會(huì )對下游電路造成損害，因此需要額外的無(wú)源濾波器來(lái)清潔線(xiàn)路。這可以通過(guò)使用分立電感器和電容器來(lái)實(shí)現，其大小必須能衰減不需要的頻率的電壓。

 

濾波器的設計需要在設計前進(jìn)行測試和測量，以確定尺寸和頻率，然后才能正確確定濾波器的尺寸。這種途徑的缺點(diǎn)是BOM的成本和不動(dòng)產(chǎn)的要求--為達到濾波水平所需的電路板面積和元件的成本--以及需要過(guò)度設計，這意味著(zhù)對元件的公差進(jìn)行評級，以補償隨時(shí)間和溫度的變化。

 

使用電涌保護器的主動(dòng)保護

 

克服上述無(wú)源保護解決方案的挑戰和缺點(diǎn)的方法之一是利用浪涌阻斷器IC。浪涌抑制器通過(guò)一個(gè)控制器IC和一個(gè)串聯(lián)的N溝道MOSFET消除了對龐大的分流電路（TVS器件、保險絲、電感器和電容器）的需求。電涌止動(dòng)器控制器可以大大簡(jiǎn)化系統設計，因為需要確定尺寸和合格的元件很少。

 

浪涌抑制器持續監測輸入電壓和電流。在額定工作條件下，控制器驅動(dòng)N溝道MOSFET通過(guò)器件的柵極完全打開(kāi)，提供一個(gè)從輸入到輸出的低電阻路徑。當過(guò)壓或浪涌情況發(fā)生時(shí)--閾值由輸出端的反饋網(wǎng)絡(luò )決定--IC調節N溝道MOSFET的柵極，將MOSFET的輸出電壓鉗制在由電阻分壓器設定的水平上。

 

圖5顯示了浪涌抑制器實(shí)施的簡(jiǎn)化原理圖，以及標稱(chēng)12-V軌道上100V輸入浪涌的結果。在浪涌事件的持續時(shí)間內，浪涌抑制器電路的輸出被鉗制在27V。一些浪涌抑制器還使用一個(gè)串聯(lián)感應電阻（圖5中的斷路器）監測過(guò)流情況，并調整N溝道MOSFET的柵極，以限制呈現給輸出負載的電流。

 

圖5.浪涌抑制器實(shí)現的高級示意圖。

 

浪涌抑制器有四種類(lèi)型，按其對過(guò)電壓事件的響應進(jìn)行分類(lèi)：

 

線(xiàn)性電涌保護器

閘門(mén)夾

開(kāi)關(guān)型電涌保護器

輸出斷開(kāi)保護控制器

 

電涌保護器的選擇取決于應用，所以我們來(lái)比較一下它們的操作和優(yōu)勢。

 

線(xiàn)性電涌保護器

 

線(xiàn)性浪涌抑制器（圖6）驅動(dòng)串聯(lián)MOSFET，很像一個(gè)線(xiàn)性穩壓器，將輸出電壓限制在預先設定的安全值，將多余的能量耗散在MOSFET中。為了幫助保護MOSFET，該器件通過(guò)實(shí)施電容性故障定時(shí)器來(lái)限制在高耗散區域的時(shí)間。

 

圖6. LT4363線(xiàn)性電涌保護器。

 

柵極鉗制浪涌保護器

 

柵極鉗制浪涌抑制器（圖7）通過(guò)利用內部或外部鉗制（例如，內部31.5V或50V，或可調節的外部鉗制）將柵極引腳限制在這一電壓。然后，MOSFET的閾值電壓決定了輸出電壓的限制。例如，用一個(gè)內部31.5V的柵極鉗和一個(gè)5V的MOSFET閾值電壓，輸出電壓被限制在26.5V。另外，一個(gè)外部柵極鉗允許選擇更廣泛的電壓范圍。

 

圖7. LTC4380柵極鉗位浪涌抑制器。

 

開(kāi)關(guān)式電涌保護器

 

對于較高功率的應用，開(kāi)關(guān)浪涌抑制器是一個(gè)不錯的選擇（圖8）。與線(xiàn)性和門(mén)控浪涌抑制器一樣，開(kāi)關(guān)浪涌抑制器在正常工作情況下完全增強了通過(guò)FET，以便在輸入和輸出之間提供一個(gè)低電阻路徑（最大限度地減少功率耗散）。

 

圖8. LTC7860開(kāi)關(guān)浪涌抑制器。

 

當檢測到電涌事件時(shí)，開(kāi)關(guān)式電涌保護器與線(xiàn)性或門(mén)控電涌保護器之間的主要區別就出現了。在發(fā)生電涌時(shí)，開(kāi)關(guān)式電涌保護器的輸出通過(guò)開(kāi)關(guān)外部MOSFET調節到鉗位電壓，這與開(kāi)關(guān)式DC-DC轉換器非常相似。

 

保護控制器:輸出斷開(kāi)

 

保護控制器并不是正式的電涌抑制器，但它確實(shí)能阻止電涌。像浪涌抑制器一樣，保護控制器監測過(guò)壓和過(guò)流情況，但保護控制器不是箝制或調節輸出，而是立即斷開(kāi)輸出以保護下游電子。

 

這種簡(jiǎn)單的保護電路可以有一個(gè)非常緊湊的尺寸，適用于電池操作的便攜式應用。例如，圖9顯示了保護控制器（在本例中是LTC4368）的簡(jiǎn)化原理圖，以及它對過(guò)壓事件的響應。保護控制器有許多變體可供選擇。

 

圖9. LTC4368保護控制器。

 

保護控制器通過(guò)監測輸入電壓來(lái)確保其保持在由OV/UV引腳上的電阻分壓器配置的電壓窗口內，當輸入超出該窗口時(shí)，通過(guò)背對背MOSFET斷開(kāi)輸出（圖9，再次）。背對背MOSFET也可以防止輸入被逆轉。輸出端的感應電阻通過(guò)持續監測正向電流實(shí)現過(guò)流保護能力，但沒(méi)有基于定時(shí)器的穿越操作。

 

電涌止動(dòng)器的特點(diǎn)

 

要為您的應用選擇最合適的浪涌保護器，您需要知道有哪些功能，以及它們幫助解決的挑戰。這些設備可以在parametrictable上找到。

 

斷開(kāi)與穿越

 

一些應用要求在檢測到浪涌事件時(shí)將輸出與輸入斷開(kāi)。在這種情況下，就需要過(guò)電壓斷開(kāi)。如果你需要輸出在面對浪涌事件時(shí)保持運行，從而最大限度地減少下游電子設備的停機時(shí)間，你將要求浪涌保護器穿越浪涌事件。在這種情況下，線(xiàn)性或開(kāi)關(guān)式浪涌保護器可以實(shí)現這一功能（如果功率水平對所選的拓撲結構和FET來(lái)說(shuō)是合理的）。

 

故障計時(shí)器

 

穿越操作需要為MOSFET提供一定的保護，以防持久性浪涌。保持在安全操作區域（SOA ）中在FET中，可以實(shí)現一個(gè)定時(shí)器。計時(shí)器本質(zhì)上是接地電容。當發(fā)生過(guò)壓情況時(shí)，內部電流源開(kāi)始為該外部電容器充電。

 

一旦電容器達到一定的閾值電壓，數字故障引腳就會(huì )拉低以指示傳輸晶體管將因擴展的過(guò)壓條件而很快關(guān)閉。如果定時(shí)器引腳電壓繼續上升到次級閾值，則GATE引腳將拉低以關(guān)閉MOSFET。

 

計時(shí)器電壓的變化率隨MOSFET兩端的電壓而變化，也就是說(shuō)，對于較大的電壓，較短的計時(shí)器，對于較小的電壓，較長(cháng)的計時(shí)器。這項有用的功能使器件能夠經(jīng)受短暫的過(guò)壓事件，從而使下游組件保持工作狀態(tài)，同時(shí)保護MOSFET免受持續時(shí)間較長(cháng)的過(guò)壓事件的損害。某些設備具有重試功能，使設備可以在冷卻時(shí)間過(guò)后再次打開(kāi)輸出。

 

過(guò)流保護

 

許多電涌制動(dòng)器具有監視電流并防止過(guò)電流事件的能力。這是通過(guò)監視串聯(lián)檢測電阻兩端的壓降并做出適當響應來(lái)實(shí)現的。還可以監視和控制浪涌電流，以保護MOSFET。該響應可能類(lèi)似于過(guò)壓情況，因為它可以通過(guò)閉鎖斷開(kāi)連接，也可以在電路可以處理功率水平的情況下穿越事件。

 

反向-輸入保護

 

反向輸入保護是可能的，因為浪涌止動(dòng)裝置的寬的工作能力（能夠承受高達低于地電位60 V在某些設備上的）。圖10顯示了一個(gè)背到后面MOSFET實(shí)現的反向-電流保護。在正常工作期間，Q2和Q1通過(guò)GATE引腳導通，而Q3則沒(méi)有任何影響。但是，當存在反向電壓條件時(shí)，Q3導通，將Q2的柵極下拉至負輸入并隔離Q1，從而保護輸出。

 

圖10.顯示的是LT4363反向輸入保護電路。

 

強大的器件引腳保護也可實(shí)現反向輸出電壓保護。下面接地電位高達20 V是可能的，取決于所選擇的裝置上。

 

對于要求寬輸入電壓范圍的應用，可以使用浮動(dòng)拓撲浪涌抑制器。當發(fā)生電涌事件時(shí)，電涌抑制器IC會(huì )看到完整的電涌電壓。因此，內部晶體管技術(shù)限制了IC的電壓范圍。

 

使用浮動(dòng)浪涌抑制器（例如LTC4366），IC浮動(dòng)在輸出電壓以下，從而提供了更大的工作電壓范圍。在返回線(xiàn)（ V SS ）中放置了一個(gè)電阻，該電阻使IC隨電源電壓浮動(dòng)。結果是由外部組件和MOSFET的電壓能力設置的輸入電壓限制。圖11顯示了一個(gè)應用電路，該電路能夠在很高的直流電源下工作，同時(shí)保護下游負載。

 

圖11.這是LTC4366高壓浮動(dòng)拓撲。

 

為我的應用選擇合適的設備

 

在許多方面，由于其固有的堅固設計，使用浪涌抑制器可簡(jiǎn)化保護電路的設計。數據表可以極大地幫助您確定組件的大小，并且已經(jīng)顯示了許多可能的應用。最難的部分可能是選擇最合適的設備。請按照以下幾個(gè)步驟來(lái)縮小范圍：

查閱保護參數表。

選擇輸入電壓范圍。

選擇通道的數量。

 

篩選功能以縮小可能的選項。

 

與所有產(chǎn)品選擇一樣，在尋找正確的設備之前了解您的系統要求很重要。一些重要的考慮因素是預期的供電電壓和下游電子設備的電壓容限（對于確定鉗位電壓很重要），以及對設計很重要的任何特定功能。

 

下面列出了一些經(jīng)過(guò)過(guò)濾的參數表示例，以供參考，這些示例可以在網(wǎng)站上進(jìn)行進(jìn)一步修改以包括其他一些參數：

 

高-電壓浪涌-擋塊裝置可以找到這里。

 

具有OV斷開(kāi)功能的保護控制器可在此處找到。

 

無(wú)論采用哪種浪涌-限位器類(lèi)型，基于IC的有源浪涌-限位器設計都無(wú)需使用笨重的TVS二極管或大型電感器和電容器來(lái)進(jìn)行濾波。這導致總體上較小的面積和較小的輪廓解決方案。

 

輸出電壓鉗位比TVS的精度更高，精度可達到1％至2％。這樣可以防止過(guò)度設計，并允許選擇公差更嚴格的下游設備。采用這種方法，可使設計人員為下游設備實(shí)現可靠，靈活和小尺寸的保護，尤其是那些面臨嚴酷的過(guò)電壓和過(guò)電流事件的設備，在許多基于工業(yè)、汽車(chē)、航空和通信的設計中都可能發(fā)生這種情況。