如何選擇合適的電路保護(hù)

問題：

有什么有源電路保護(hù)方案可以取代TVS二極管和保險絲？

答案：

可以試試?yán)擞恳种破鳌?/p>

摘要

所有行業(yè)的制造商都在不斷推動提升高端性能，同時試圖在此類創(chuàng)新與成熟可靠的解決方案之間達(dá)成平衡。設(shè)計人員面臨著平衡設(shè)計復(fù)雜性、可靠性和成本這一困難任務(wù)。以一個電子保護(hù)子系統(tǒng)為例，受其特性限制，無法進(jìn)行創(chuàng)新。這些系統(tǒng)保護(hù)敏感且成本高昂的下游電子器件（FPGA、ASIC和微處理器），這些器件都要求保證零故障。

許多傳統(tǒng)的可靠保護(hù)解決方案（例如二極管、保險絲和TVS器件）能夠保持待保護(hù)狀態(tài)，但它們通常低效、體積龐大且需要維護(hù)。為了解決這些不足，有源智能保護(hù)IC應(yīng)運而生，它們能夠達(dá)到傳統(tǒng)方法的保護(hù)要求，而且從有些方面來看，它們更加可靠。但是器件種類繁多，所以，設(shè)計人員面臨的最困難的問題就是選擇合適的解決方案。

為了幫助設(shè)計人員縮小選擇范圍，本文對傳統(tǒng)保護(hù)方法和ADI保護(hù)產(chǎn)品系列進(jìn)行比較，以展示這些產(chǎn)品和建議應(yīng)用的特性。

簡介

隨著所有行業(yè)中電子器件的使用數(shù)量不斷增加，且成本高昂的FPGA和處理器的處理功能不斷擴(kuò)展，人們越來越要求對這些在嚴(yán)苛環(huán)境中運行的器件提供保護(hù)。此外，還需要它們體積小巧、可靠性高，能夠快速響應(yīng)過壓和過流浪涌事件。本文探討了許多應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)，以及為何需要保護(hù)，比較了傳統(tǒng)的保護(hù)方法和更新的可替代解決方案，后者具有更高的精度、可靠性和設(shè)計靈活性。

為何考慮使用電壓和電流保護(hù)器件？

汽車、工業(yè)、通信和航空電子系統(tǒng)需經(jīng)受一系列電源浪涌，例如圖1所示的這些。在這些市場中，許多行業(yè)規(guī)范都對瞬態(tài)事件進(jìn)行了定義。例如，ISO 7637-2和ISO 16750-2規(guī)范定義了汽車瞬態(tài)，詳細(xì)概述了預(yù)期瞬變，以及確保持續(xù)驗證這些瞬變的測試步驟。

浪涌事件的類型和所含能量會因電子器件的使用區(qū)域而異；電路可能遭受過壓、過流、反向電壓和反向電流等情況。最后，如果要直接經(jīng)受圖1所示的這些瞬變條件，許多電路都無法維持，更不用說獨立運行，所以設(shè)計人員必須考慮所有輸入情況，并采取可以保護(hù)電路不受電壓和電流浪涌影響的機(jī)制。

圖1 一些更嚴(yán)格的ISO 16750-2測試的概述

設(shè)計挑戰(zhàn)

有很多不同原因會引發(fā)電子系統(tǒng)中出現(xiàn)瞬變電壓和電流，但有些電子環(huán)境比其他環(huán)境更容易發(fā)生瞬變事件。眾所周知，汽車、工業(yè)和通信環(huán)境中的應(yīng)用會經(jīng)受有潛在危害的事件，對下游電子器件造成嚴(yán)重?fù)p壞，但浪涌事件并不只是在這些環(huán)境下發(fā)生。其他可能需要浪涌保護(hù)電路的情況包括：需要高壓或大電流電源的應(yīng)用、采用熱插拔電源連接的應(yīng)用，或者包含電機(jī)或可能受到雷擊感應(yīng)瞬變影響的系統(tǒng)。高壓事件持續(xù)的時間不等，從幾微秒到幾百毫秒都有可能，所以必須采用靈活可靠的保護(hù)機(jī)制來確保下游成本高昂的電子器件的使用壽命。

例如，當(dāng)交流發(fā)電機(jī)（為電池充電）與電池暫時斷開時，會發(fā)生汽車負(fù)載突降。發(fā)生這種斷開后，交流發(fā)電機(jī)提供的滿負(fù)荷充電電流會傳輸至電源軌，使電源軌電壓在數(shù)百毫秒內(nèi)攀升到極高(>100 V)水平。

有多種原因可能導(dǎo)致通信應(yīng)用發(fā)生浪涌，從熱插拔通信卡到可能受到雷電影響的戶外裝置，涉及多種應(yīng)用。大型設(shè)施中使用的長電纜也可能產(chǎn)生感應(yīng)電壓尖峰。

最終，設(shè)計人員必須充分了解器件的使用環(huán)境，并滿足既有的規(guī)范要求，這有助于他們綜合考慮所有故障類型以采用最佳的保護(hù)機(jī)制，使其可靠且不會產(chǎn)生干擾，但允許下游電子器件能夠在安全電壓范圍內(nèi)運行，且保證最低中斷。

傳統(tǒng)保護(hù)電路

在需要考慮如此多種不同類型的電子問題的情況下，電子工程師應(yīng)如何保護(hù)敏感的下游電子器件？

傳統(tǒng)保護(hù)方法基于多個器件提供保護(hù)，而不是基于一個，例如，采用瞬變電壓抑制器(TVS)提供過壓保護(hù)，采用線路保險絲提供過流保護(hù)，采用串聯(lián)二極管提供反向電池/電源保護(hù)，以及混合使用電容和電感來過濾更低的電能尖峰。雖然離散配置可以滿足既定的規(guī)范要求（保護(hù)下游電路），但它實施起來很麻煩，需要進(jìn)行多次選擇來確定合適的濾波規(guī)格。

圖2 傳統(tǒng)保護(hù)器件

我們來仔細(xì)了解一下這些器件，弄清楚這種實施方法的優(yōu)點和缺點。

TVS——瞬變電壓抑制器

這是一種相對簡單的器件，可以保護(hù)下游電路不受電源上的高壓尖峰影響。它們可以分為幾種不同的類型，具有廣泛的特性（表1按響應(yīng)時間從最短到最長的順序排列）。

表1 不同瞬變電壓抑制器件的響應(yīng)時間

雖然它們的結(jié)構(gòu)和特性各異，但使用方式是相似的：當(dāng)電壓超過器件閾值時，分流多余的電流。TVS可以在極短時間內(nèi)將輸出電壓固定在額定水平。例如，TVS二極管的響應(yīng)時間可以低至皮秒，GDT的響應(yīng)時間則可能有幾微秒，但可以處理更大的浪涌。

圖3顯示了用于保護(hù)下游電路的TVS二極管的簡單配置。在正常工作條件下，TVS具有高阻抗，輸入電壓會直接傳輸至輸出。當(dāng)輸入端出現(xiàn)過壓時，TVS開始導(dǎo)電，并將多余的電能分流到接地(GND)，從而箝位下游負(fù)載電壓。電源軌電壓升高到典型操作值以上，但被箝位到保證下游電路可以安全運行的值。

雖然TVS器件在抑制極高電壓偏移方面很有效，但在遭受持續(xù)過壓時，也不能避免損壞，因此需要定期監(jiān)測或更換。另一個擔(dān)心是TVS可能短路，導(dǎo)致輸入電源斷開。此外，根據(jù)涉及的電能大小，它們的尺寸可能需要很大才能滿足裕量要求，導(dǎo)致解決方案的尺寸相應(yīng)增大。即使TVS的尺寸正確，下游電路也必須要能夠處理箝位電壓，對下游的電壓額定要求也隨之增高。

圖3 用傳統(tǒng)的TVS解決方案保護(hù)電壓浪涌

線路保險絲

過流保護(hù)可以使用常見的線路保險絲實現(xiàn)，其熔斷額定值高于標(biāo)稱值，例如，比最大額定電流高20%（百分比取決于電路類型以及預(yù)期的典型操作負(fù)載）。當(dāng)然，保險絲最大的問題是一旦燒斷就必須更換。保險絲設(shè)計相當(dāng)簡單，但維護(hù)相對復(fù)雜，特別是在難以接觸的位置，所以后期還是會耗費時間和成本。使用備用保險絲（例如可復(fù)位保險絲）可以減少維護(hù)要求，它會在高于標(biāo)稱電流的電流流經(jīng)器件時，利用正溫度系數(shù)打開電路（電流增高之后會令溫度增高，導(dǎo)致電阻急劇升高）。

除維護(hù)問題外，保險絲最大的問題之一是其反應(yīng)時間，根據(jù)所選保險絲的類型，反應(yīng)時間可能有很大差異。我們可以使用快速熔斷保險絲，但熔斷時間（打開電路的時間）仍然可能需要幾百微秒到毫秒，所以電路設(shè)計人員必須考慮這些時間段內(nèi)釋放的電能大小，保證下游電子器件不被損壞。

串聯(lián)二極管

在某些環(huán)境中，電路可能斷開，然后重新連接——例如，在電池供電環(huán)境中。在這種情況下，電源重新連接時不能保證極性是正確的。我們可以通過在電路的正極供電線上增加一個串聯(lián)二極管來實現(xiàn)極性保護(hù)。雖然這種簡單的增加可以有效防止反向極性，但串聯(lián)二極管的壓降會導(dǎo)致相應(yīng)的功率損耗。在電流相對較低的電路中，這種取舍很小，但對于許多現(xiàn)代化的高電流電軌，則需要采用另一種解決方案。圖4是對圖3的更新，顯示利用TVS和增加的串聯(lián)二極管來防止出現(xiàn)反向極性連接。

圖4 增加串聯(lián)二極管可以防止反向極性連接，但在大電流系統(tǒng)中，二極管的壓降可能是一大問題

使用電感和電容的濾波器

目前所討論的無源解決方案都是通過限制幅度，但通常只能捕捉更大的幅度，會放過更小的一些尖峰。這些較小的瞬變?nèi)匀粫ο掠坞娐吩斐蓳p壞，因此需要使用額外的無源濾波器來平緩尖峰。這可以通過使用離散電感和電容來實現(xiàn)，通過調(diào)整它們的尺寸，讓它們衰減超出頻率范圍的電壓。在設(shè)計之前，需要對濾波器設(shè)計進(jìn)行測試和測量，確定它們的尺寸和頻率，然后才能正確確定濾波器的尺寸。這種方法的缺點在于，需要考慮物料成本和面積要求（元器件的板面積和成本要達(dá)到多少才能達(dá)到濾波水平），以及是否需要過度設(shè)計（確定元器件的公差，以能夠在隨時間和溫度變化時提供補償）。

使用浪涌抑制器提供有源保護(hù)

要克服所述的無源保護(hù)解決方案面臨的挑戰(zhàn)和存在的缺點，方法之一是轉(zhuǎn)為使用浪涌抑制器IC。浪涌抑制器采用易于使用的控制器IC和串聯(lián)N通道MOSFET，因此無需使用繁雜的分流電路（TVS器件、保險絲、電感和電容）。因為只需確定少數(shù)幾個元器件的尺寸和讓它們通過質(zhì)量認(rèn)證，所以浪涌抑制器控制器可以極大地簡化系統(tǒng)設(shè)計。

浪涌抑制器持續(xù)監(jiān)測輸入電壓和電流。在額定工作條件下，控制器驅(qū)動N通道MOSFET通路器件的柵極完全開啟，提供一條從輸入到輸出的低阻抗路徑。在發(fā)生過壓或浪涌時（閾值由輸出端的反饋網(wǎng)絡(luò)給出），IC調(diào)節(jié)N通道MOSFET的柵極，將MOSFET的輸出電壓箝位到電阻分壓器設(shè)定的電平。

圖5顯示了浪涌抑制器配置的簡化示意圖，以及標(biāo)稱12 V電源軌上出現(xiàn)100 V輸入浪涌時的結(jié)果。在浪涌發(fā)生期間，浪涌抑制器電路的輸出被箝位到27 V。一些浪涌抑制器也使用串聯(lián)感應(yīng)電阻（圖5中的斷路器）來監(jiān)測過流情況，并調(diào)整N通道MOSFET的柵極，以限制輸出負(fù)載端的電流。

圖5 浪涌抑制器配置的詳細(xì)示意圖

根據(jù)對過壓事件的響應(yīng)，可以將浪涌抑制器分為四大類：

■   線性浪涌抑制器

■   柵極箝位

■    開關(guān)浪涌抑制器

■   輸出斷開保護(hù)控制器

浪涌抑制器應(yīng)基于應(yīng)用進(jìn)行選擇，所以，我們來比較一下它們的操作和優(yōu)點。

浪涌抑制器類型：線性

線性浪涌抑制器驅(qū)動串聯(lián)MOSFET的方式和線性穩(wěn)壓器比較類似，是將輸出電壓限制在預(yù)先設(shè)置的安全值，并耗散MOSFET中的多余能量。為了保護(hù)MOSFET，該器件通過采用電容故障定時器來限制在高耗散區(qū)花費的時間。

圖6 LT4363線性浪涌抑制器

浪涌抑制器類型：柵極箝位

柵極箝位浪涌抑制器利用內(nèi)部或外部箝位（例如，31.5 V或50 V內(nèi)部箝位，或可調(diào)的外部箝位）將柵極引腳的電壓限制到這個電壓值，然后，由MOSFET的閾值電壓決定輸出電壓限值。例如，在使用內(nèi)部31.5 V柵極箝位，且MOSFET閾值電壓為5 V時，輸出電壓限制為26.5 V?；蛘?，外部柵極箝位允許更廣泛的電壓選擇范圍。柵極箝位浪涌抑制器的示例如圖7所示。

圖7 LTC4380柵極箝位浪涌抑制器

浪涌抑制器類型：開關(guān)

對于更高功率的應(yīng)用，開關(guān)浪涌抑制器是一個很好的選擇。與線性和柵極箝位浪涌抑制器一樣，開關(guān)浪涌抑制器在正常操作條件下可以充分增強(qiáng)調(diào)整FET，以在輸入和輸出之間提供一個低阻路徑（最小化功率損耗）。開關(guān)浪涌抑制器和線性或柵極箝位浪涌抑制器之間的主要區(qū)別出現(xiàn)在檢測到浪涌事件時。在浪涌事件中，開關(guān)浪涌抑制器是通過開關(guān)外部MOSFET（比較類似于開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器），將輸出調(diào)節(jié)到箝位電壓。

圖8 LTC7860開關(guān)浪涌抑制器

保護(hù)控制器：輸出斷開

保護(hù)控制器不是真正的浪涌抑制器，但它確實能停止浪涌。和浪涌抑制器一樣，保護(hù)控制器監(jiān)測過壓和過流條件，但它不會箝位或調(diào)節(jié)輸出，而是通過立即斷開輸出來保護(hù)下游電子器件。這種簡單保護(hù)電路的布局緊湊，非常適合由電池供電的便攜式應(yīng)用。LTC4368保護(hù)控制器的簡化示意圖，以及它對過壓事件的響應(yīng)如圖9所示。保護(hù)控制器有許多版本。

圖9 TC4368保護(hù)控制器

保護(hù)控制器會監(jiān)測輸入電壓，確保電壓保持在OV/UV引腳的電阻分壓器所配置的電壓范圍內(nèi)，當(dāng)輸入電壓超過這個范圍時，利用背對背MOSFET斷開輸出，如圖9所示。背對背MOSFET也可用于防止反向輸入。輸出端的感應(yīng)電阻通過持續(xù)監(jiān)測正向電流來實現(xiàn)過流保護(hù)，但不需要基于計時器的穿越操作。

浪涌抑制器特性

為了給您的應(yīng)用選擇最合適的浪涌抑制器，您需要知道有哪些可用特性，以及它們可以幫助解決哪些挑戰(zhàn)。您可以在參數(shù)表中查找這些器件。

斷開與穿越

一些應(yīng)用要求在檢測到浪涌事件時斷開輸出和輸入的連接。在這種情況下，需要斷開過壓連接。如果您需要輸出在浪涌事件發(fā)生時保持正常運行，從而最大限度減少下游電子設(shè)備的停機(jī)時間，則需要浪涌抑制器在發(fā)生浪涌時進(jìn)行穿越。在這種情況下，使用線性或開關(guān)浪涌抑制器可以實現(xiàn)這一功能（前提是，對于拓?fù)浜退x的FET，功率電平是合理的）。

故障定時器

實施穿越時，需要對MOSFET提供保護(hù)，以防它受到持續(xù)浪涌影響。為了確保留在FET的安全工作區(qū)(SOA)內(nèi)，可以使用定時器。定時器本質(zhì)上是一個接地電容。發(fā)生過壓時，內(nèi)部電流源開始為這個外部電容充電。電容達(dá)到一定的閾值電壓時，數(shù)字故障引腳拉低，表明受時間延長的過壓影響，調(diào)整管將很快關(guān)閉。如果定時器引腳電壓繼續(xù)上升到級閾值，柵極引腳將拉低，以關(guān)閉MOSFET。

定時器電壓的變化率隨通過MOSFET的電壓而變化，也就是說，電壓越大，時間越短，電壓越小，時間越長。這個有用特性使器件能夠平穩(wěn)度過短時過壓事件，允許下游元器件保持運行，同時保護(hù)MOSFET不因持續(xù)時間更長的過壓事件出現(xiàn)損壞。有些器件具有重試功能，使器件能在冷卻之后再次打開輸出。

過流保護(hù)

許多浪涌抑制器都能夠監(jiān)測電流和保護(hù)器件不受過流事件影響。這是通過監(jiān)測串聯(lián)感應(yīng)電阻上的壓降并作出適當(dāng)響應(yīng)來實現(xiàn)的。也可以通過監(jiān)測和控制浪涌電流來保護(hù)MOSFET。其響應(yīng)可能與過壓情況類似，這是因為如果電路能夠接受這種功率電平，那么它要么通過閂鎖斷開，要么通過穿越事件來斷開。

反向輸入保護(hù)

浪涌抑制器具有廣泛的操作能力（能夠承受某些器件上高達(dá)60 V的地下電壓），所以能夠提供反向輸入保護(hù)。圖10顯示了提供反向電流保護(hù)的背對背MOSFET配置。在正常運行期間，Q2和Q1由柵極引腳開啟，Q3不產(chǎn)生任何影響。但是，出現(xiàn)反向電壓連接時，Q3開啟，將Q2的柵極下拉至負(fù)輸入并隔離Q1，以保護(hù)輸出。

也可以通過可靠的器件引腳保護(hù)來實現(xiàn)反向輸出電壓保護(hù)，根據(jù)所選的器件，可以承受高達(dá)20 V的接地電壓。

圖10 T4363反向輸入保護(hù)電路

對于需要寬輸入電壓范圍的應(yīng)用，可以使用浮動拓?fù)淅擞恳种破鳌０l(fā)生浪涌事件時，浪涌抑制器IC會監(jiān)控整個浪涌電壓，由內(nèi)部晶體管技術(shù)限制IC的電壓范圍。使用浮動浪涌抑制器（例如LTC4366）時，IC浮動剛好低于輸出電壓，為其提供更廣泛的工作電壓范圍。電源回流線中包含一個電阻(VSS)，允許IC隨電源電壓浮動。如此，由外部元器件和MOSFET的電壓功能設(shè)置輸入電壓限值。圖11顯示的應(yīng)用電路可以在保護(hù)后端負(fù)載時，使用極高的直流電源正常運行。

圖11 LTC4366高壓浮動拓?fù)?/em>

為我的應(yīng)用選擇正確的器件

由于浪涌抑制器本身采用可靠設(shè)計，所以能從很多方面簡化保護(hù)電路的設(shè)計。數(shù)據(jù)手冊已顯示許多可能的應(yīng)用，在確定元器件尺寸時，能夠提供很大幫助。最困難的部分可能是選擇最合適的器件。您可以遵循以下幾個步驟來縮小范圍：

■   訪問ADI的保護(hù)器件系列參數(shù)表。

■   選擇輸入電壓范圍。

■   選擇通道數(shù)量。

■   篩選功能，縮小可行選項的范圍。

和所有產(chǎn)品選型一樣，在查找正確的器件前，您需要了解您的系統(tǒng)要求，這點非常重要。一些重要的考慮因素包括：預(yù)期的電源電壓和下游電子器件的電壓容限（在決定箝位電壓時非常重要），以及對設(shè)計而言非常重要的一些特性。

以下是一些經(jīng)過篩選的參數(shù)表示例，供大家參考。大家可以訪問網(wǎng)站，在網(wǎng)站上進(jìn)一步更改這些參數(shù)表，可以添加一些其他參數(shù)。

■   高壓浪涌抑制器器件請參見這里。

■   具有過壓斷開功能的保護(hù)控制器請參見這里。

結(jié)論

無論采用哪種類型的浪涌抑制器，基于IC的有源浪涌抑制器設(shè)計都無需使用繁雜的TVS二極管，或使用大尺寸電感和電容來進(jìn)行濾波。所以，解決方案的整體面積更小，體積也更小巧。相比TVS，其輸出電壓箝位精度可能高出1%至2%。如此可以防止過度設(shè)計，且能夠選擇公差更嚴(yán)格的下游器件。

ADI提供的系統(tǒng)保護(hù)器件系列讓設(shè)計人員能夠采用可靠、靈活且小巧的解決方案為下游器件提供保護(hù)，尤其是對于工業(yè)、汽車、航空航天和通信設(shè)計中可能面臨嚴(yán)苛的過壓和過流事件的器件。

參考資料

 “AN-9768：瞬變抑制器件和原則。”Littelfuse，1998年1月。

 “Fuseology?！背擞密嚱鉀Q方案目錄，Littelfuse，2014年。

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Wu Bin、Zhongming Ye?！坝糜趷毫悠嚟h(huán)境的全面電源系統(tǒng)設(shè)計占用空間極小，可節(jié)約電池電量且具有低EMI特性?！蹦M對話，第53卷第3期，2019年8月。

作者簡介

Diarmúid Carey是歐洲中央應(yīng)用中心的應(yīng)用工程師，工作地點在愛爾蘭利默里克。他自2008年以來一直擔(dān)任應(yīng)用工程師，并于2017年加入ADI公司，為歐洲的眾多市場客戶提供Power by Linear產(chǎn)品組合的設(shè)計支持。他擁有利默里克大學(xué)計算機(jī)工程學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式：diarmuid.carey@analog.com。