過壓保護的備用電路: 技巧和竅門

摘要：過壓保護(OVP)器件用于保護后續(xù)電路免受甩負載或瞬間高壓的破壞，在某些特定的應用中，基本的過壓保護電路不足以勝任器件保護的要求，通常有以下兩種需求。第一，電路的最大輸入電壓可能增大；第二，適當修改電路，可以在發(fā)生過壓或欠壓時利用輸出電容儲能保持能量。本文討論如何針對這兩種需求修改電路，將以MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398過壓保護器件為例進行說明。

引言

MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398過壓保護(OVP)器件用于保護后續(xù)電路免受甩負載或瞬間高壓的破壞。器件通過控制外部串聯(lián)在電源線上的n溝道MOSFET實現(xiàn)。當電壓超過用戶設置的過壓門限時，拉低MOSFET的柵極，MOSFET關斷，將負載與輸入電源斷開。

過壓保護(OVP)器件數(shù)據(jù)資料中提供的典型電路可以滿足大多數(shù)應用的需求(圖1)。然而，有些應用需要對基本電路進行適當修改。本文討論了兩種類似應用：增大電路的最大輸入電壓，在過壓情況發(fā)生時利用輸出電容存儲能量。


圖1. 過壓保護的基本電路

增加電路的最大輸入電壓

雖然圖1電路能夠工作在72V瞬態(tài)電壓，但有些應用需要更高的保護。因此，如何提高OVP器件的最大輸入電壓是一件有意義的事情。圖2所示電路增加了一個電阻和齊納二極管，用來對IN的電壓進行箝位。如果增加一個三極管緩沖器(圖3)，就可以降低對并聯(lián)穩(wěn)壓器電流的需求，但也提高了設計成本。


圖2. 增大最大輸入電壓的過壓保護電路


圖3. 通過三極管緩沖器增大輸入電壓的過壓保護電路

齊納二極管的選擇，要求避免在正常工作時消耗過多的功率，并可承受高于輸入電壓最大值的電壓。此外，齊納二極管的擊穿電壓必須小于OVP的最大工作電壓(72V)，擊穿時齊納二極管電流最大。

串聯(lián)電阻(R3)既要足夠大，以限制過壓時齊納二極管的功耗，又要足夠小，在最小輸入電壓時能夠維持OVP器件正常工作。

圖2中電阻R3的阻值根據(jù)以下數(shù)據(jù)計算：齊納二極管D1的擊穿電壓為54V；過壓時峰值為150V，齊納二極管的功率小于3W。根據(jù)這些數(shù)據(jù)要求，齊納二極管流過的最大電流為：

3W/54V = 56mA

根據(jù)這個電流，R3的下限為：

(150V - 54V)/56mA = 1.7kΩ

R3的峰值功耗為：

(56mA)2 × 1.7kΩ = 5.3W

如果選擇比5.3W對應電阻更小的阻值，則會在電阻和齊納二極管上引起相當大的功率消耗。

為了計算電阻R3的上限，必須了解供電電壓的最小值。保證MAX6495正常工作的最小輸入電壓為5.5V。例如，假設供電電壓的最小值為6V，正常工作時R3的最大壓降為500mV。由于MAX6495的工作電流為150μA (最大)，相應電阻的最大值為：

500mV/150μA = 3.3kΩ

圖2中的R3設置為2kΩ，可以保證供電電壓略小于6V時OVP器件仍可以正常工作。

注意，發(fā)生過壓故障時，R3和D1 (圖2)需要耗散相當大的功率。如果過壓條件持續(xù)時間較長(如：幾十毫秒以上)，圖3所示電路或許更能勝任應用的要求。圖中射極跟隨器通過降低從R3與D1節(jié)點抽取的電流大大增加R3所允許的最大值。以β值為100的三極管為例，此時150μA的器件工作電流變成1.5μA。這種情況下，不能忽略5μA的二極管反向漏電流。R3為10kΩ，因此，由于漏電流在R3上產(chǎn)生的壓降會達到50mV。

在IN和GND間使用一個1μF (最小值)的陶瓷電容。確保器件的電壓范圍滿足輸入電壓的要求，須注意MOSFET的VDS_MAX額定值。

利用輸出端電容儲能

發(fā)生過壓時，典型應用電路能夠?qū)敵鲭娙葑詣臃烹?，以保護下游電路(圖4)，有些應用需要利用輸出電容儲存能量，并且能夠在瞬間高壓的條件下繼續(xù)維持下游電路的供電，利用圖5電路可以達到這一目的。


圖4. 典型的限壓電路提供輸出電容放電通道

MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398通過內(nèi)部100mA的電流源(見圖4)連接到GATE輸出，以對柵極電容和輸出電容放電。電流源先對GATE放電(電流I1，綠色箭頭)，直到GATE的電壓等于OUTFB電壓，然后斷開FET，電流源繼續(xù)降低GATE電壓，最后，直到內(nèi)部的箝位二極管變?yōu)檎蚱?，對輸出電容放?電流I2，紅色箭頭)。


圖5. 帶有輸出電容儲能功能的過壓限制電路

如果OUTFB沒有連接，則斷開了通過箝位二極管放電的通路，不再對輸出電容放電。然而，MOSFET的柵極就不再有保護箝位二極管，VGS_MAX有可能超出額定值。

在MOSFET源極和柵極之間增加一個外部箝位二極管(圖5中的D1)可重新建立輸出端與100mA恒流源之間的通路。在柵極和GATE引腳之間增加一個串聯(lián)電阻(圖5中的R3)，將會限制輸出電容的放電電流，降低電流。限制放電電流的同時會增加電路的斷開時間，也降低了電路對瞬態(tài)過壓的響應速度。在串聯(lián)電阻兩端并聯(lián)一個電容(圖5中的C4)可以減輕對響應時間的影響，還可以選擇使用電阻R4，避免OUTFB浮空。

如果將SET外部的分壓電阻連接到輸出端，而不是輸入端(參考上述電路圖)，使MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398工作在限幅模式，發(fā)生過壓時，電路會定期地對輸出電容進行充電。電容電壓跌落到過壓門限的滯回電壓以下時，MOSFET導通，對電容充電；當電容電壓達到過壓門限時，MOSFET斷開。

圖6給出了MAX6495–MAX6499/MAX6397/MAX6398工作在過壓監(jiān)控模式的電路。輸入電壓經(jīng)過電阻分壓后連接到SET引腳，當輸入過壓時，斷開MOSFET，并將一直維持斷開狀態(tài)，直到解除輸入過壓故障。


圖6. 過壓監(jiān)測模式下的過壓比較配置

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