【導讀】在工業(yè)電子設備中，過(guò)壓保護是確保設備可靠運行的重要環(huán)節。本文將探討如何使用開(kāi)關(guān)浪涌抑制器替代傳統的線(xiàn)性浪涌抑制器，以應對長(cháng)時(shí)間的過(guò)壓情況。與傳統線(xiàn)性浪涌抑制器不同，開(kāi)關(guān)浪涌抑制器能夠在持續浪涌的情況下保持負載正常運行，而傳統線(xiàn)性浪涌抑制器則需要在電源路徑中的MOSFET散熱超過(guò)其處理能力時(shí)切斷電流。
摘要
在工業(yè)電子設備中，過(guò)壓保護是確保設備可靠運行的重要環(huán)節。本文將探討如何使用開(kāi)關(guān)浪涌抑制器替代傳統的線(xiàn)性浪涌抑制器，以應對長(cháng)時(shí)間的過(guò)壓情況。與傳統線(xiàn)性浪涌抑制器不同，開(kāi)關(guān)浪涌抑制器能夠在持續浪涌的情況下保持負載正常運行，而傳統線(xiàn)性浪涌抑制器則需要在電源路徑中的MOSFET散熱超過(guò)其處理能力時(shí)切斷電流。
可靠的工業(yè)電子設備通常配備保護電路，以防止電源線(xiàn)路出現過(guò)壓，從而保護電子設備免受損壞。過(guò)壓現象可能在電源線(xiàn)路負載快速變化時(shí)發(fā)生，線(xiàn)路中的寄生電感可能導致高電壓尖峰。這個(gè)問(wèn)題可通過(guò)輸入保護電路來(lái)解決，比如圖1所示的采用ADI LTC4380的保護電路。在該電路中，功率開(kāi)關(guān)M1位于電流傳導路徑上。當VIN時(shí)發(fā)生過(guò)壓時(shí)，開(kāi)關(guān)M1將在線(xiàn)性區域內工作，使其表現為歐姆區域的電阻，從而通過(guò)MOSFET M1上的壓降來(lái)調節VOUT。這一機制可有效防止輸出電壓升高至過(guò)高水平，從而保護下游電子設備。然而，這種保護方法的有效時(shí)間是有限的，持續時(shí)間由開(kāi)關(guān)M1的許可安全工作區(SOA)決定。如果功率MOSFET上的壓降一直很高且持續時(shí)間超過(guò)了限制，MOSFET的溫度將超過(guò)其最高溫度閾值，可能導致器件損壞。LTC4380等集成電路內置了定時(shí)器，以防止過(guò)壓情況的發(fā)生。定時(shí)器中設定了MOSFET在過(guò)壓條件下在線(xiàn)性區域工作的時(shí)長(cháng)，通常為數毫秒或數微秒。一旦設定時(shí)間結束，開(kāi)關(guān)M1將完全斷開(kāi)，從而保護開(kāi)關(guān)本身，但這也意味著(zhù)系統的電源將被切斷。
圖1.采用線(xiàn)性浪涌保護器IC進(jìn)行過(guò)壓保護（簡(jiǎn)化電路）。
為了確保工業(yè)電子設備在任何情況下都能可靠運行并獲得不間斷電源，選擇能夠長(cháng)時(shí)間耐受過(guò)壓的解決方案至關(guān)重要。這包括考慮故障情形，例如電源線(xiàn)路連接錯誤可能會(huì )導致過(guò)壓。通過(guò)選擇能夠應對這些情況的解決方案，電路可以可靠運行并避免電源電壓中斷。此類(lèi)解決方案可通過(guò)圖2所示的開(kāi)關(guān)浪涌保護器來(lái)實(shí)現。
圖2.無(wú)過(guò)壓時(shí)間限制的開(kāi)關(guān)過(guò)壓保護電路（簡(jiǎn)化電路）。
在圖2所示的電路中，除了浪涌保護器IC，還使用了電感和外部肖特基二極管。降壓開(kāi)關(guān)穩壓器作為保護電路運行。然而，僅當輸入電壓超過(guò)設置的最大值時(shí)，該開(kāi)關(guān)穩壓器才會(huì )開(kāi)始工作。此時(shí)間段內的工作通常不需要特別注重能效。簡(jiǎn)單的肖特基二極管可用作反激二極管。
圖3.輸入電壓和輸出電壓對過(guò)壓的響應（上圖），以及高頻范圍內開(kāi)關(guān)節點(diǎn)處的開(kāi)關(guān)電壓（下圖）。
在圖3中，藍色顯示輸入電壓響應。正常輸入電壓為16 V。大約2 ms時(shí)，過(guò)壓達到40 V。紅色顯示輸出電壓隨時(shí)間的變化。在VIN過(guò)壓持續期間，開(kāi)關(guān)DC-DC穩壓器激活，將輸出電壓調節到16 V。綠色顯示區域為開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓（在MOSFET、肖特基二極管和電感之間的節點(diǎn)處）。
因此，如圖1所示，過(guò)壓保護電路可以采用線(xiàn)性設計，或者采用特殊的開(kāi)關(guān)（降壓）DC-DC穩壓器，比如圖2中的LTC7860。簡(jiǎn)單的降壓開(kāi)關(guān)穩壓器不適合此應用，因為在這種情況下，N溝道MOSFET無(wú)法持續導通。
過(guò)壓保護電路包括線(xiàn)性浪涌保護器和開(kāi)關(guān)浪涌保護器IC。有了開(kāi)關(guān)浪涌保護器，即使遭遇長(cháng)時(shí)間過(guò)壓，電路也能持續工作。這意味著(zhù)即使過(guò)壓持續很長(cháng)時(shí)間，被供電電路仍持續受到保護并正常工作。
結論
越來(lái)越多的工業(yè)和儀表應用要求使用精密轉換器來(lái)實(shí)現各種工藝的精確控制與測量。此外，這些最終應用還要求更高的靈活性、可靠性和功能集，同時(shí)降低成本和電路板面積。元件制造商正在解決這些難題，并推出了一系列產(chǎn)品來(lái)滿(mǎn)足系統設計人員對當前與未來(lái)設計的要求。如本文所述，有多種途徑可選擇合適的元件用于精密應用，每一種都各有優(yōu)缺點(diǎn)。隨著(zhù)系統精度的提高，人們需要更加注重合適元件的選擇，以滿(mǎn)足應用要求。
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